By в плазменном слое геомагнитного хвоста

А.А. Петрукович, ИКИ РАН

• Модель на основе статистики наблюдений Geotail

• Влияние сезонной деформации нейтрального слоя

• Роль экстремальных значений By

• Новый сезонный компонент By

благодарности команде Geotail, CCMC GSFC , РФФИ 10-05-91001

Bx и Bz : диполь и поперечные токи

By: ММП By, эффекты 3-мерности хвоста (продольные токи)

Магнитосфера в плоскости XZ GSM

XGSM

ZGSM

YGSM

Сезонный сдвиг!

Данные Cluster 2001-2004

Наблюдаем 30% «большой» By

|By | > 5, By > ММП By большой» By отмечался и ранее в отдельных примерах: Sergeev et al JGR 1993, McComas et al JGR 1986

мотивы - 1

Ожидаем By ~ 0.4 ММП By

«проникновение» ММП: ~ 0.1-0.8 : Fairfield JGR 1979, Сергеев и др. ГиА 1987, Kaymaz et al JGR 1994

Petrukovich et al JGR 2007

Мотивы - 2

YGSM

ZGSM

B J

xx x x x

x x x x x

By ≠ 0 важно

Несимметрия ионосферной проекции в северной и южной шапкахв полярных сияниях отмечалась разница до 2 часов MLT!

Влияние на рассеяние/изотропизацию в нейтральной плоскости

Кi = Rcurv/Rci ~ (By/Bz)2

Динамика частиц становится несимметричной в направлении север-юг

Изменение характера возможных неустойчивостей токового слоя(теории суббури!)

Статистика Geotail

11 лет 1995-2005 |Y| < 15 RE , |Y|<|X|, –31 < X < –8 RE , |Z| < 5 RE

15-мин интервалы с >75% |Bx|<15 nT ~30 000 значений

|Bx|<15 nT– подобрано опытным путем: «приэкваториальная зона»,

в которой характеристики By уже не изменяются

Tsyganenko et al JGR 1993

Модель нейтрального слоя

Учет влияния деформации хвоста на By требует модели

нейтрального слоя, так как из текущих мгновенных наблюденийполучить необходимую информацию (о наклоне) невозможно.

Используем модель Tsyganenko & Fairfield JGR 2004 - TF04,

построенную также по Geotail: Z ~ X, Y, , ММП Byi Bz

i

hinge warp twist

Внимание: предполагаем, что магнитное поле в среднем «привязано» к нормали нейтрального слоя: неочевидный факт!

Учет flaringНаправленность магнитного поля к Земле на флангах создает

компонент Byflaring ~ a * Bx

-14 > X > -16 RE

)Y)Xrrtanh((Xrr

XrrR 43

43

21 ++

+=

Учет flaringнеобходимо учесть искажения из-за наклона нейтрального слоя

в плоскости XZ, в основном, hinging вблизи Земли

Bx

Bx’

)BΨtanB(RB z*

xflaringy -=

Угол берем из TF04, поправка дает 1-2 нТл вблизи Земли

Byflaring был вычтен из By сразу, до последующего анализа,

и в финальную модель не входит.

Проникновение ММП

iy

IMFy B)10

Y78.0cos())30|X|

1(54.033.0(B -+=

Учет twist

тогда

В TF04 наклон слоя на -8…-31 RE

весьма мал < 10 градусов

iy

twistz

twisty B1.0~)Θtan(BB -=

Это небольшая добавка, немного уменьшающая «проникновение ММП»

Учитывать её отдельно или нет в данной работе – дело вкуса

twistΘ

Вклад warping

Как реагирует магнитное поле на задирание флангов ?

Пример профиля нейтрального слоя для зимы

)Θtan(BB warpz

warpy =Если магнитное поле привязано

к нормали и угол мал, то

warpΘ

Модель warp верна при |Y| <10, дает до 1-2 нТл, нечетный профиль от Y

Вклад warping

Сравнение Bywarp и эксперимента By-By

IMF для X<-20 и < -20o

Есть еще постоянная добавка -0.75 нТл: новый эффект!

-0.75

Вклад warping

Ближе к Земле магнитное поле наклонено больше, чем требует наклон слоя

Модель Т96, срез на X=-15 REMHD BATSRUS, CCMC GSFC

Эффект составляет в максимуме менее 1 нТл, не учитываем в модели, но помним

Новый эффект Bytilt

в отличие от warp cимметричен отн. Y

для -30 < X < -20 и |Y| < 10 дает ±1 нТл

Новый эффект Bytilt

Коэфф. регрессии между и By-ByIMF, By-By

IMF-Bywarp , Y>0 и Y<0

После вычитания Bywarp появляется симметричный By

tilt ±1-2 нТл

остатки составляют в пределах 0.5 нТл

Ψ30|X|

1(06.003.0(Btilty ))-+=

Ψ))30|X|

1(aa(B

aB)10Yacos())30

|X|1(aa(B

BBBB

65tilty

4iy321

IMFy

tilty

IMFy

warpy

2My

-

-

+=

++=

++=

a1=0.3247±0:015, a2=0.5827±0.042, a3=0.850±0.066, a4=0.0187±0.032 a5=0.0305±0.0027, a6=0.0614±0.0088

Ключевые коэффициенты определены с точностью до 5%

Переход в систему GSW или учет Bytwist изменяет коэфф. в пределах

стат. ошибки

Магнитное поле в нТл, X, Y в RE, в градусах

Финальная модель By

«большие» By и регрессия

Есть тенденция «усиления» ожидаемого By, «отрастание хвоста».

Наличие негауссова «хвоста» искажает регрессию, завышает коэфф.

Корректируется робастной регрессией, если отбросить все за пределами 1-сигма от модели:

Коэфф. Робастной модели меньше на 20-30%: 0.32 –> 0.25

1.8

Эффекты меньшей амлитуды (не вошедшие)

1. Остатки зависимости By от угла наклона диполя

Ближе чем X = -20 RE

По амплитуде в 3 раза меньше ~ 0.5 нТл

=> или доп. наклон магнитного поля от warp

=> или несимметрия Bytilt (на вечернем фланге больше)

Эффекты меньшей амлитуды (не вошедшие)

2. Аддитивность Bytilt и By

IMF

предполагали, что два эффекта независимы eсли эффект сезона работает как модификация основного эффекта ММП, то

ΨBαβBαB)Ψβ1(αB iy

iy

iyy +=+=

Проверяем коэфф регрессии

по на зависимость от Byi

По крайней мере на 60%эффект аддитивный

На больших ММП можетсказываться эффект усиления

карта эффектов By в зависимости от сезона

На вечерней стороне эффекты складываются, становясь в сумме больше, чем эффект ММП (ближе к солнцестоянию )

На утренней стороне эффекты вычитаются

Результаты - 1

При анализе хвоста важно учитывать 3D геометриюВ «нулевом» приближении, без учета 3D:вблизи оси хвоста |Y| < 5 RE, и вблизи нейтрального слоя |Bx| < 5 нТл. В «первом» приближении можно учесть 3D искажения линейноймоделью flaring, и привязкой магнитной структуры к конфигурациив пределах |Y| < 10 RE, и |Bx| < 15 нТл.

Тенденция к «усилению» «модельного» By, задаваемого внешними условиями в плазменном слое: «хвост» распределения By. Более вероятен при большоv ММП, солнцестоянии, ближе к ЗемлеЭффект создает неоднозначность модели ММП и других внешних факторов.

Результаты - 2Новый компонент поля By в хвосте магнитосферы, не зависящийот солнечного ветра: By>0 летом и By<0 зимой, с макс. амплитудой 1-2 нТл.

Похожие наблюдения известны для конвекции в полярной шапкекак «усиление» для комбинаций лето/Byi+ и зима/Byi-

(например Ruohoniemi & Greenwald JGR 2005)Полярная шапка и поле By в хвосте связаны межполушарным током.

Градиент проводимости в полярной шапке «день-ночь» приводит к смещению структуры конвекции, схожему с возникающим под влиянием ММП By,

(Wolf, 1970, Leontiev, 1974, Atkinson & Hutchison 1978)

Конвекция при ММП By > 0 Конвекция при градиенте освещенности