«Физика плазмы в солнечной системе» , 8 12 февраля 2010 г., ИКИ РАН

Моделирование динамики температуры Моделирование динамики температуры протонов в плазмосфере на начальной протонов в плазмосфере на начальной

стадии магнитной бури; сравнение с стадии магнитной бури; сравнение с экспериментальными данными. экспериментальными данными.

Г.А. Котова, М.И. Веригин, В.В. Безруких, Г.А. Котова, М.И. Веригин, В.В. Безруких, Институт космических исследований РАН, Москва

В.В.В.В. БогдановБогданов Институт космофизических исследований и

распространения радиоволн ДВО РАН,п. Паратунка, Камчатка

«Физика плазмы в солнечной системе», 812 февраля 2010 г., ИКИ РАН

Изменение температуры протонов в ночной Изменение температуры протонов в ночной плазмосфере во время магнитных бурьплазмосфере во время магнитных бурь

ИНТЕРБОЛ 2 АвроральныйИНТЕРБОЛ 2 Авроральный

Температура протонов падает на главной фазе бури(3) и возрастает на фазе восстановления (4). Плотность плазмы на главной фазе повышается или сохраняется на прежнем уровне.

0

2

4

6

-60

-40

-20

0

1 2 3 4

1000

10000

тем

пера

тура

, К

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

26 27 28 Днив сент.,1996

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5

L

Dst

Kp

1 2 3 4

10

100

1000

плот

ност

ь, с

м-3

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 L

23.5 - 1.5 MLT

http ://sw dcdb.kugi.kyoto-u.ac.jp /

P P P P PP PP PP

По данным спутников Интербол-2 и Магион-5 было показано, что во время главной фазы магнитных бурь температура ионов плазмосферы обычно понижается.


Уменьшение температуры протонов при радиальном Уменьшение температуры протонов при радиальном дрейфе во время магнитной буридрейфе во время магнитной бури ((модельмодель))

Модель возмущения магнитного поля в плоскости геомагнитного экватора вблизи Земли, возникающего благодаря нарастанию симметричного кольцевого тока во время магнитной бури. E – дополнительное вихревое электрическое поле, возникающее из-за

t /B :

tcrot

B

E1

.

В экваториальной плоскости в цилиндрической системе координат:

,0),,(,0,, trEEEE zr E ),(,0,0,, trBBBB zr B ,

)(),( 3 tBrRBtrB dstee

Подставив (2) в (1) получим: dt

tdB

cr

trE dst )(

2),( .

Скорость радиального дрейфа dt

tdB

trB

r

trB

trEcV dst

dr)(

),(2),(

),( .

С этой скоростью за время dt протон продрейфует на расстояние

dstdr dBtrB

r

trB

trEcdtVdr

),(2),(

),(

dsteedst BrRB

r

dB

dr

22 3

(1)

(2)


Решение полученного уравнения:

0

3

12rr

r

RBB e

edst,

r0 - радиус начальной дрейфовой оболочки, откуда

стартовал протон, придрейфовавший на r=r(Bdst).

При Bdst < 0, r > r0

и протон дрейфует от Земли

30

21

/

ee

dst

e

e

Rr

B

B

Rr

R

r.

Из условия сохранения первого адиабатического инварианта T/B = const:

330

00

300

000

00 1),()(

)(

ee

dstdstr R

rB

B

r

rT

B

BrrBTtrB

rB

rTT

3

3

3

3

3

00

21

1

)(

ee

dst

ee

dst

r

RB

rB

RB

rB

rTT

2 3 4 5L0

2

3

4

5

L-50-100-150-200 D st, nT


Уменьшение температуры протонов при радиальном Уменьшение температуры протонов при радиальном дрейфе во время магнитной буридрейфе во время магнитной бури (оценки).(оценки).

Предположим, что в плазмосфере до бури p

r rr

TT

0

00

Изменение температуры протонов на оболочке L

Линеаризация этого выражения при p = 0 приводит к известным оценкам [напр., Редерер, 1972]

ree

dstrr T

rB

rBTT 03

3

0 2

5 .

3

3

3

3

3

0

1

21

ee

dst

p

ee

dst

r

r

rB

rB

rB

rB

T

T

2 3 4 5 L1

10

Tem

per

atur

e de

cre

ase

fact

or p = 1 /2D st = - 200 nT

- 150 nT

- 100 nT

- 50 nT

2 3 4 5 L1

10

Tem

pera

ture

dec

rea

se fa

ctor

p = 1

2 3 4 5 L1

10

Tem

per

atur

e de

cre

ase

fact

or p = 0 D st = - 200 nT

- 150 nT

- 100 nT

- 50 nT

2 3 4 5 L1

10

Tem

pera

ture

dec

rea

se fa

ctor

p = 3 /2 D st = - 200 nT

- 150 nT

- 100 nT

- 50 nT

D st = - 200 nT

- 150 nT

- 100 nT

- 50 nT


Температура протонов может существенно уменьшаться даже во время небольших магнитных бурь.

Сравнение расчетов с экспериментальными даннымиСравнение расчетов с экспериментальными данными

МАГИОН 5МАГИОН 54 последовательных пролета через плазмосферу (1 раз в сутки)4 последовательных пролета через плазмосферу (1 раз в сутки)

Во время магнитной бури в период близкий к минимуму Dst – индекса измеренная температура протонов близка к величине температуры, рассчитанной в приближении дрейфа протонов в экваториальной плоскости по температуре, измеренной до магнитной бури.

геом.~ 0o


3 4 5

10

100

1000

den

sit

y ,

cm

-3

3 4 5

10

100

1000

3 4 5

10

100

1000

3 4 5

10

100

1000

3 4 5

1000

10000

tem

per

atu

re, K

3 4 5

1000

10000

3 4 5

1000

10000

1 2 428 Sept. 21 .58-22.59 U T 30 Sept., 03.25-03.48 U T 2 O ct., 01 .40-02.12 U T

Tr (BDST=-55)T

3 4 5

1000

10000

31 O ct., 02 .33- 03 .00 U T

Tr (BDST=-55)T

1.2 - 1.9 MLT

T0

-80

-40

0

40

80SYMH ASYH/2, нТ

29 1 дни1 2 3 4


ИНТЕРБОЛ 2 АвроральныйИНТЕРБОЛ 2 Авроральный5 последовательных пролетов через плазмосферу (4 раза в сутки)5 последовательных пролетов через плазмосферу (4 раза в сутки)

Падение температуры на средних широтах в период вблизи минимума Dst только частично удается объяснить уменьшением магнитного поля.

геом.~ 40 - 550


1 2 3 4

1000

10000

тем

пера

тура

, К

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

1 2 3 4 5

L

1 2 3 4

10

100

1000

плот

ност

ь, с

м-3

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 L

23.5 - 1.5 MLT

http ://swdcdb.kugi.kyoto-u.ac.jp /

Tr (BDST=-80)T

T0

-80

-40

0

40

80 SYMH ASYH/2, нТ

27

1 2 3 4 5

26-27сент.

Дата/время – до бури (UT)

Дата/время – во время бури (UT)

L MLT геом. SYMH (нТ)

ASYH (нТ)

Bdst (нТ)

T0r (K) Tr, набл.

(K)

Tr,. (K)

L0 T0 (K)

05.10.1999/ 09.00

13.10.1999/ 08.02

2.65 8.99 0.15° -41 59 -41 3500 2300 2600 2.62 2800

06.11.1999/ 04.59

14.11.1999/ 04.00

2.80 6.50 2.3° -73 32 -73 5550 4300 4550 2.73 5200

03.09.2000/ 03.35

05.09.2000 /01.49

2.80 3.90 2.8° -31 17 -31 4500 3100 3400 2.77 3600

24.09.2000 /03.10

26.09.2000/ 01.27

2.70 2.00 2.6° -45 46 -68 3700 3500 3100 2.64 3200

28.09.2000/ 22.30

30.09.2000/ 03.44

3.00 1.80 9.1° -37 36 -55 9500 7400 7600 2.94 8600

28.09.2000/ 22.50

01.10.2000/ 02.57

2.80 1.70 3.1° -39 30 -54 3700 2600 2900 2.75 3200

09.11.2000/ 21.50

10.11.2000/ 21.03

2.80 22.00 4.0° -65 10 -70 3500 2900 2700 2.73 3200

26.11.2000/ 19.01

29.11.2000/ 22.18

2.77 20.50 1.5° -72 18 -72 6200 5800 5000 2.71 5700

04.03.2001/ 10.55

05.03.2001/ 10.04

2.70 12.00 -2.0° -42 41 -21 5700 5000 5200 2.68 5300

18.03.2001/ 10.20

20.03.2001/ 08.50

2.75 10.50 0.8° -139 84 -97 6400 4100 5200 2.66 6100

22.03.2001/ 12.50

28.03.2001/ 07.38

3.00 10.00 8.5° -37 22 -26 5900 4200 5100 2.97 5400

30.03.2001/ 05.45

31.03.2001/ 04.55

3.25 9.3 8.5° -64 88 -64 5700 3200 3700 3.14 4150

Найдено 12 случаев пересечений плазмосферы спутником МАГИОН-5 во время геомагнитных бурь, когда имелись данные по температуре протонов.


BDST=SYMH+ASYH/2

BDST=SYMH-ASYH/2

BDST=SYMH

BDST=SYMH



Сравнение расчетов с экспериментальными даннымиСравнение расчетов с экспериментальными данными(статистика)(статистика)

3

3

3

3

3

00

21

1

)(

ee

dst

ee

dst

r

RB

rB

RB

rB

rTT

<L> = 2.835 <Bdst> = -56 нТ

2000 4000 6000 8000T r, набл., К

2000

4000

6000

8000

Tr,

тео

р.,

К

Tr, теор.= 1.04Tr, набл.

2000 4000 6000 8000T0 , К

2000

4000

6000

8000

Tr,

наб

л.,

К

Tr = 0.9T0

30

21 L

BBL

L

e

dst

Небольшое превышение рассчитанной температуры Tr над наблюдаемой Tr,набл, может говорить о наличии дополнительного механизма охлаждения

плазмы, менее выраженного на экваториальных широтах, чем на средних.

ВыводыВыводы• Измерения на спутниках ИНТЕРБОЛ-2 и МАГИОН-5 Измерения на спутниках ИНТЕРБОЛ-2 и МАГИОН-5

свидетельствуют о том, что во время главной фазы свидетельствуют о том, что во время главной фазы магнитных бурь температура ионов плазмосферы магнитных бурь температура ионов плазмосферы обычно понижается, плотность плазмы при этом обычно понижается, плотность плазмы при этом повышается или сохраняется на прежнем уровне, повышается или сохраняется на прежнем уровне, характерном для невозмущенных условий. характерном для невозмущенных условий.

• Модель перемещения дрейфовой оболочки от Модель перемещения дрейфовой оболочки от Земли, вызванного уменьшением магнитного поля во Земли, вызванного уменьшением магнитного поля во внутренней плазмосфере при развитии магнитной внутренней плазмосфере при развитии магнитной бури, удовлетворительно описывает понижение бури, удовлетворительно описывает понижение температуры протонов вблизи экваториальной температуры протонов вблизи экваториальной плоскости.плоскости.

• Для объяснения уменьшения температуры в Для объяснения уменьшения температуры в плазмосфере на средних широтах необходимо плазмосфере на средних широтах необходимо привлекать другие механизмы.привлекать другие механизмы.


СПАСИБОСПАСИБО

ЗА ВНИМАНИЕЗА ВНИМАНИЕ!!


ИНТЕРБОЛ 2 АвроральныйИНТЕРБОЛ 2 Авроральный5 последовательных пролетов через плазмосферу (4 раза в сутки)5 последовательных пролетов через плазмосферу (4 раза в сутки)


Падение температуры вблизи экваториальной плоскости в период вблизи минимума Dst удовлетворительно согласуется с модельными расчетами.

геом.~ -20 - +200

1 2 3 4

1000

2000

5000

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

1 2 3 4 5T, K

L

1 2 3 4

10

100

1000

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

N , см -3

L

20.1 - 22.5 MLT

-100

0

100

200

SYM H

ASY H

23 22 - 23 окт.

T0Tr (Dst=-150)

T

Tr (Dst=-100)T

Documents

«Физика плазмы в солнечной системе» , 8 12 февраля 2010 г., ИКИ РАН