Магнитосферная турбулентность и проецирование аврорального овала на экваториальную плоскость Е.Е.Антонова, М.В. Степанова, И.П. Кирпичев, И.Л. Овчинников, - презентация

1 Магнитосферная турбулентность и проецирование аврорального овала на экваториальную плоскость Е.Е.Антонова, М.В. Степанова, И.П. Кирпичев, И.Л. Овчинников, В.В. Вовченко, М.О. Рязанцева, М.С. Пулинец, С.С. Знаткова Посвящается памяти Юрия Ильича Гальперина

2 14 сентября 2012 г. Юрию Ильчу Гальперину могло бы исполниться 80 лет. Одним из основных направлений его исследований был вопрос о проецировании авроральных доменов на экваториальную плоскость Schematic presentation (not to scale) of the magnetospheric tail plasma domain for the midnight meridian cross section and some structural features of the magnetotail, a in the interval of quiet auroras and b during substorm expansion phase according to Feldstein and Galperin (1993).

3 В магнитосфере Земли Re течение плазмы турбулентного солнечного ветра вокруг магнитного поля Земли приводит к формированию турбулентного следа за обтекаемым препятствием. Турбулентность плазменного слоя магнитосферы Земли по данным непосредственных измерений в плазменном слое анализировалась в работах Angelopoulos et al. (1992, 1993, 1996, 1999); Borovsky et al. [1997, 1998], Antonova et al. [2000, 2002]; Ермолаев и др. []2000], Овчинников и др. [2000, 2002], Neagu et al. [2001, 2002]; Troshichev et al. [2001, 2002]; Petrukovich and Yermolaev [2002]; Borovsky and Funsten [2003a,b]; Voros et al. [2003]; Volwerk et al. [2004]; Goldstein [2005; Weygand et al. [2005]; Nagata et al. [2008], Stepanova et al. [2005, 2009, 2011a,b], Wang et al.[(2010], Pinto et al. (2011) ets. Корреляционное время флуктуаций скорости составляет ~2 мин, магнитного поля ~8 мин [ Borovsky et al., 1998] Antonova [2002]

4 МГД моделирование Результаты МГД моделирования, демонстрирующие формирование турбулентного плазменного слоя [ El-Alaoui et al., 2010, 2011]. IMF B z =-5 nT, n sw =20 cm -3, V x =500 km/s.

5 Схема ночной магнитосферы Земли, которую Ю.И. Гальперин нарисовал в гг. [Зеленый Л.М. из книги «Юрий Ильич Гальперин. Рассказы друзей, коллег, учеников»] Где находится граница между областью почти регулярного течения и турбулентным хвостом?

6 Physics of Auroral Arc Formation, ed. S.-I. Akasofu, J.R. Kan, Geophysical monograph 25, 1981 Авроральный овал не может проецироваться на турбулентный плазменный слой, так как яркие квазистационарные дуги могут наблюдаться часами почти не меняя свои формы. Область турбулентности в плазменном слое имеет внутреннюю границу.

7 Первые результаты по определению пространственного распределения коэффициента квазидиффузии в плазменном слое были получены в работе Stepanova et al. [Ann. Geop., 2009] по результатам измерений в проекте ИНТЕРБОЛ Было показано, что Dyy и Dzz резко уменьшаются при R

8 Статистические результаты, полученные по данным THEMIS подтвердили вывод о падении уровня турбулентности с уменьшением геоцентрического расстояния. Stepanova et al. [JGR, 2011]

9 Результаты одновременного определения трех диагональных элементов тензора квазидиффузии по результатам миссии THEMIS от 5 до 30R E. Продемонстрировано резкое уменьшение уровня флуктуаций на геоцентрических расстояниях

10 Yahnin et al. [2002] Takahashi et al. [1987] Локализация начала изолированной суббури на геоцентрических расстояниях

11 Nagata et al. [2008] Antonova et al. [2011] Результаты наблюдений на малых высотах и в экваториальной плоскости, демонстрирующие существование окружающего Землю плазменного кольца DeMichelis et al. [1999] Kirpichev and Antonova [2011], Antonova et al. [2012].

12 Авроральный овал по данным DE-1, Polar, Image и модели авроральных высыпаний (Vorobjev et al.. [ ]) OVATION, Newell et al. [2002]

13 День-ночьУтро-вечер Усредненные за период профили давления плазмы и анизотропии давления на меридианах полдень-полночь и утро вечер в соответствии с данными миссии THEMIS Результаты анализа распределения давления горячей магнитосферной плазмы на геоцентрических расстояниях

14 [Antonova et al., 2009a,b] Поперечные токи в окружающем Землю плазменном кольце Current configuration in the model Sitnov and Tsyganenko [2008] (Ukhorskiy, private communication) Liemohn et al. [2011] Кольцевой ток имеет высокоширотное продолжение до магнитопаузы в дневные часы – разрезной кольцевой ток (CRC).

15 Магнитное поле в долях хвоста 15R E.

16 В силу изотропии давления на авроральных широтах давление плазмы в авроральном овале значительно превышает давление в плазменном слое. Окружающее Землю плазменное кольцо является источником авроральных частиц.

17 Выводы: Результаты анализа турбулентности плазменного слоя и распределения давления плазмы в экваториальной плоскости позволяют уточнить картину проецирования авроральных доменов на экваториальную плоскость. Окружающая Землю на геоцентрических расстояниях от ~7 до R E плазменная популяция имеет вид кольца, в котором поперечные токи замкнуты внутри магнитосферы и образуют высокоширотное продолжение кольцевого тока (CRC). Взрывная фазы изолированной суббури начинается внутри CRC, что позволяет рассматривать магнитосферную суббурю как часть динамики высокоширотного продолжения кольцевого тока. Соотношение выделяемого по результатам наблюдений в ночные часы CPS и окружающего Землю плазменного кольца окончательно не определены. Однако, проведенный анализ свидетельствует о возможности рассмотрения CPS в качестве части кольца.

18 Благодарю за внимание

19 Energy flax for aurora of I class of luminosity constitute 0.6 erg/cm 2 s (Akasofu and Chapman, 1972 ), threshold of auroral imagers ~0.5 erg/cm 2 s. Energy flux of plasma sheet particle precipitation if field- aligned potential drop =0 is lower than the threshold of ground-based and auroral imager observations. 1-2 order of magnitude increase of energy flux takes place in the region of upward field-aligned currents due to the appearance of field-aligned potential drops Auroral oval observations give the picture of upward field-aligned currents Iijima and Potemra [1976] Three regions of upward field- aligned current with different dynamics mainly create the picture of auroral oval: Region 2 upward field-aligned currents at the morning, Region 1 upward field-aligned currents at the evening, and Region 1/Region 2 overlapping from ~22h to ~0h (the region of isolated substorm development)..

20 The reasons leaded to the suggestion that the auroral oval is the result of plasma sheet mapping to the ionospheric altitudes: Akasofu [1964] 1. Hones [1979] model of substorm onset was the most popular model. 2. Mapping of strait line using Tsyganenko models at the ionospheric altitudes gives horseshoe structure. Ts96 Ts87 (Stasievich, 1991)