Наблюдения спутниками серии Темис синхронных возрастаний потоков электронов и ионов в плазменном слое во время суббури

УДК 550.383

НАБЛЮДЕНИЯ СПУТНИКАМИ СЕРИИ ТЕМИС

СИНХРОННЫХ ВОЗРАСТАНИЙ ПОТОКОВ ЭЛЕКТРОНОВ И ИОНОВ В ПЛАЗМЕННОМ СЛОЕ ВО ВРЕМЯ СУББУРИ

И.А. Корнилов, Т.А. Корнилова

Полярный геофизический институт КНЦ РАН

Аннотация

Анализировались результаты измерений спутников ТЕМИС с использованием телевизионных данных обсерватории ПГИ в Ловозере. Обнаружено, во время суббуревых возмущений в плазменном слое магнитосферы на расстояниях 5-10 Re наблюдаются быстрые синхронные возрастания потоков электронов и ионов в диапазоне 0.5-30 кеВ. За несколько секунд потоки возрастают в 5-50 раз, и отчетливо антикоррелируют с потоками в низких энергиях (10-500 еВ). Возрастания наблюдаются во время прохождения мимо спутника фронта движущейся к Земле волны диполяризации и сопровождаются быстрыми интенсивными вариациями амплитуд магнитного и электрического полей. Высказывается предположение, что происходит ускорение локальных электронов и ионов на фронте волны диполяризации.

Ключевые слова:

магнитосфера, суббуря, диполяризация, ускорение электронов и ионов.

Введение

Спутники серии Темис были выведены на околоземные орбиты в середине февраля 2007 г. Эта система состоит из пяти спутников (обозначаются в литературе как Темис А, B, C, D и Е) с вытянутыми эллиптическими орбитами, лежащими в экваториальной плоскости магнитосферы. Спутники имеют кратные периоды обращения и периодически оказываются на одной линии в апогеях орбит. Такие баллистические параметры спутников позволяют одновременно наблюдать процессы в магнитосфере на разных расстояниях от Земли. Вся система спутников медленно вращается вокруг Земли, т.е. ближние спутники остаются внутри

магнитосферы, а более удаленные аппараты могут заходить в переходной слой и солнечный ветер,

что предоставляет уникальные возможности для исследования влияния параметров солнечного ветра на внутри магнитосферные процессы в различных временных секторах. Спутники имеют идентичный набор детекторов, основные из них:

1. Векторные измерения электрических и магнитных полей в очень большом динамическом диапазоне (не менее 50-100 тысяч), что позволяет при фильтрации данных анализировать самые слабые вариации.

2. Электростатический анализатор для измерения потоков электронов и протонов в диапазоне энергий 10 еВ - 30 кеВ с высоким угловым разрешением в 32 энергетических каналах. Апертура детектора (т.е. статистика счета частиц) очень высокая, что позволяет строить детальные энергетические спектры.

3. Полупроводниковый твердотельный детектор измеряет потоки электронов и ионов с энергиями 30 кеВ - 2 Мев в 30 энергетических каналах также с хорошей статистикой.

4. Индукционный магнитометр позволяет анализировать пульсации магнитного поля с временным разрешением от 8 до 8192 измерений в секунду.

Спутниковые измерения поддерживаются большим комплексом расположенной на территории северной Канады наземной аппаратуры (более 20 магнитовариационных станций, риометров, телевизионных all-sky камер). Стандартное временное разрешение всех данных 3 секунды, но для отдельных событий (т.н. burst mode) может быть намного выше. Вся наземная и спутниковая информация по Темис представлена в свободном доступе в Интернет и непрерывно дополняется почти в реальном времени. Информация доступна как в виде готовых обзорных картинок, так и в виде удобных для обработки цифровых текстовых и CDF файлов.

Уникальные приборные и баллистические характеристики спутников серии Темис позволяли надеяться на быстрый и существенный прогресс в понимании физических процессов в магнитосфере, однако же, после почти 4 лет исследований явного прогресса не наблюдается. Хотя по данным Темис опубликовано очень большое количество работ, но физические выводы авторов часто противоречат друг другу, например, [1-5]. Более того, нередко одна группа авторов, критически анализируя данные, представленные другой группой, подвергает сомнению сделанные ими заключения [4, 5]. Трудности связаны с большими размерами исследуемой магнитосферы (сотни тысяч километров), исключительной сложностью физических процессов в магнитосферной плазме, а также сравнительно небольшим количеством исследовательских спутников (вместе с Темис общее количество их в околоземном пространстве около 12-15).

Основная проблема физики магнитосферы - локализация местоположения центра магнитосферной суббури, выяснение физических причин, ее вызывающих, и установление временной последовательности событий в ходе ее развития. Суббуря - это есть мощный, расширяющийся взрывной процесс (средняя суббуря выделяет энергию пяти водородных бомб), который является следствием высвобождения энергии, накопленной в магнитосфере под воздействием солнечного ветра. Во время суббури происходит глобальная перестройка конфигурации околоземного магнитного поля, инжекция и ускорение заряженных частиц, генерация различных типов электромагнитных, магнитогидродинамических и плазменных волн и т. д. Всем известным наземным и хорошо видимым проявлением магнитосферной суббури являются красочные и яркие полярные сияния. В настоящее время существенная часть авторов считает, что суббуря начинается с процесса взрывного пересоединения магнитного поля в хвосте магнитосферы на расстояниях 12-25 земных радиусов ^е). Этот процесс инжектирует энергичные частицы во внутреннюю магнитосферу, часть которых, высыпаясь в ионосферу, вызывает полярные сияния.

Результаты

27.02.2008 Ловозеро18:00-19:00 УТ

N

1

8

1М е в

* «Окей

ЗОквБ Юке-В

1кеВ ^ ЮОеВ

ЮеВ ВО

А 50

^ 40

30 20 10

5 :

1 -2 4Е7 ЗЕ7

6 2Е7 1Е7

Л 1 1 1 1 I 1 1 1 1 I 1 1 1 1 I.......................|  I

18.00 10 20 30 40 50 19.00

Рис. 1. Пример осциллирующего характера спектра электронов на 5 Re. Кеограмма сияний в Ловозере

На рисунке 1 представлен 1-часовой интервал наземных и спутниковых данных для 27.02.2008.

Кеограмма, показывающая движения сияний вдоль направления север-юг (1), построена по данным телевизионной камеры, установленной в обсерватории ПГИ в Ловозере. К сожалению, эти наблюдения сопровождались сильным туманом, который практически полностью маскирует движения сияний на обычной кеограмме, поэтому на рисунке представлена кеограмма, подвергнутая высокочастотной фильтрации. Момент брейкапа, т.е. начало быстрого уярчения сияний и движения их к северу отмечается около 18.36 ЦТ. Интенсивная подсветка тумана яркими сияниями брейкапа (проявляется протяженными вертикальными полосами на кеограмме) несколько искажает картину, однако движение сияний к северу видно вполне отчетливо. Перед брейкапом, на предварительной фазе суббури (18.10-18.36), видны слабые активизации сияний и регулярные движения их к югу. Ниже кеограммы данные детекторов спутника Темис А отображают энергетические спектры низко (3) и высокоэнергичных электронов (2), а также вариации магнитного поля в нанотесла (4), и его высокочастотные пульсирующие компоненты (5). Внизу (6) показан интеграл спектра высокоэнергичных электронов, т.е. их суммарный поток с энергиями 30-500 кеВ. Координаты спутника в экваториальной плоскости магнитосферы показаны в правой части рисунка. Проекция спутника на ионосферу явно находится несколько западнее обсерватории Ловозеро, но, по-видимому, определенно попадает в поле зрения телевизионной камеры. Важно также отметить, что примерно за 15-20 минут перед брейкапом (около 18.00-18.20) спутник регистрирует возрастание потоков электронов с энергиями 30-500 кеВ (2, 6), а через 15 минут после брейкапа резко усиливаются потоки с энергиями 30-100 кеВ (18.45-19.00). За 1-2 минуты перед моментом брейкапа спутник регистрирует прохождение волны диполяризации, т.е. распространяющийся вдоль хвоста магнитосферы процесс преобразования конфигурации магнитного поля от вытянутых в хвост силовых линий к более дипольному, что проявляется в регулярном возрастании Bz - компоненты (4). Высокочастотная фильтрация данных выявляет интенсивные пульсации после прохождения фронта волны диполяризации (5). Диполяризация сопровождается резким увеличением потоков электронов энергий 1-10 кеВ, причем потоки имеют ярко выраженный осциллирующий характер, что, по-видимому, говорит о наличии мощной плазменной неустойчивости на фронте волны диполяризации. Можно видеть признаки явной антикорреляции потоков электронов с энергиями 10-500 еВ и 2-20 кеВ.

Факт антикорреляции электронных потоков представляется очень важным для понимания физики магнитосферных процессов, и рассмотрен более детально для события 10 февраля 2008 года (рис. 2). На рисунке представлен 12-минутный интервал данных по потокам низкоэнергичных

электронов (10 еВ - 30 кеВ),

зарегистрированных на спутнике Темис Е. Энергетический спектр (1) демонстрирует быстрые вариации длительностью 1-2 минуты, на их фоне присутствуют еще более мелкомасштабные, длительность которых фактически ограничена временным разрешением детектора (3 сек.). В спектре отчетливо видна антикорреляция потоков электронов 2-20 кеВ и 10-500 еВ. Интегралы спектра в двух диапазонах энергий (2, 3) показывают, что модуляция потоков как в низких, так и в высоких энергиях очень глубокая - антикоррелируя, потоки меняются более, чем в 50 раз. При этом потоки, проинтегрированные по всем регистрируемым детектором энергиям (3) варьируют не более, чем на 10 процентов. Скорее всего, вариаций в интегральном потоке вообще нет, просто небольшая часть электронов с энергиями более 30 кеВ не попадает в энергетический диапазон детектора. Этот важный факт показывает, что регистрируются не электроны, ускоренные в хвосте магнитосферы и инжектированные в околоземную область, а ускоряются (термализуются) локальные электроны в окрестности спутника некоторым активным процессом, связанным с развитием плазменной

Темис Е, электроны

Т----------------------Г"-------------------1---------------------1---------------------1---------1-----------Г

00.00 02 04 06 08 10 00.12 иТ

Рис. 2. Антикорреляция потоков низко (3) и высокоэнергичных (2) электронов

неустойчивости на фронте волны диполяризации.

Данные Темис показывают, что всегда рост электронных потоков с энергиями 1-10 кеВ на фронте волны диполяризации сопровождается также возрастанием потоков ионов (протонов). На рисунке 3 приведен типичный пример. Рисунок представляет 10-минутный интервал данных с временным разрешением 3 секунды. Усиление потоков электронов (1) и ионов (2) в пределах временного разрешения детектора происходит одновременно, даже для ионов с энергиями около 1 кеВ. Направленная скорость таких ионов около 500 км/сек. Если бы эти ионы были ускорены в хвосте, на 15-20 Re, спутника они достигли бы не раньше, чем через 1.5-2 минуты. В отличие от предыдущих случаев, рисунок 3 показывает и наличие ранее ускоренных 10-кевных электронов и ионов, по-видимому, оставшихся во внутренней магнитосфере от предыдущей суббури (интервал времени 02:50-02:56 ЦГ). При прохождении волны диполяризации растет их количество и средняя энергия (3-4), при этом также можно отметить признаки антикорреляции потоков электронов низких и высоких энергий. Не исключено, что именно наличие ранее ускоренных частиц несколько подавляет развитие осциллирующего характера спектра. То, что ускорение частиц явно связано с некоторой токовой плазменной неустойчивостью, показывает тот факт, что быстрые вариации магнитного поля заметно опережают (на 20-30 сек.) возрастание потоков частиц (интервал 02:5602:57 ЦТ). Данные индукционого магнитометра, которые в данном событии регистрировались с разрешением 128 отсчетов в секунду, показывают, что характерный временной масштаб развития такой неустойчивости всего несколько секунд (6).

Темис А 07.02.2008 02:50:00-03:00:00 ЫТ

15 кеУ

3 кеЧ

=_ ионы, энергия максимального потока

магнитное поле, Вг

индукционный магнитометр, интегральная интенсивность

02.50

-10

X, Рїе .

V, Ре м

Положение

спутника

09 03.00 иТ

Рис. 3. Пример быстрого и синхронного ускорения электронов и ионов на фронте волны диполяризации. Вариации магнитного поля (5, 6) опережают рост потоков

Обсуждение

Ранее негласно считалось, что три главных процесса, сопровождающих суббурю -пересоединение, диполяризация и авроральный брейкап (активные сияния), являются тремя различными проявлениями некого единого взрывного процесса. Кратко перечислим основные экспериментальные факты, известные на данный момент:

1. На предварительной фазе суббури, за 30-40 минут перед брейкапом, спутники регистрируют возрастание потоков энергичных электронов (и ионов) с энергиями 30-100 кеВ. Высыпания их в

ионосферу хорошо видны на стратосферных баллонах (возрастания тормозного рентгеновского излучения). На кадрах ТВ камеры они наблюдаются как малоактивные северные структуры сияний, предваряющие брейкап на южном горизонте [6]. На приведенной в статье кеограмме они не видны, т.к. находились севернее поля зрения камеры в Ловозере, но отмечаются на камере в Баренцбурге. От северных сияний отделяются движущиеся у югу слабые светящиеся структуры.

2. Прохождение фронта диполяризации сопровождается ускорением местных электронов и ионов до энергий 10-20 кеВ. Примерно в этот интервал времени в ионосфере наблюдается брейкап, -взрывное развитие расширяющихся к северу интенсивных ярких сияний. На их южной границе происходит развитие пульсирующих сияний.

3. Через 5-10 минут после брейкапа на спутниках Темис наблюдаются интенсивные потоки электронов с энергиями 30-200 кеВ.

Эти и другие известные факты позволяют нам предложить предварительную, но принципиально новую схему развития суббури, в которой пересоединение, брейкап и диполяризация рассматриваются как три связанных, но отдельных явления. На предварительной фазе суббури (около 30-40 минут до брейкапа) происходит накопление энергии солнечного ветра (вытягивание в хвост силовых линий, усиление токов поперек хвоста). Одновременно с этим (или немного позже) на 15-25 Re начинается процесс квазистационарного пересоединения, наполняющего внутреннюю магнитосферу горячей плазмой (северные структуры сияний и их смещение к югу). Достижение критической плотности тока поперек хвоста (следствие насыщения горячей плазмой и уменьшения толщины токового слоя) вызывает развитие плазменной неустойчивости на 10-12 Re. Происходит быстрый разрыв тока поперек хвоста и превращение его в продольный ток, замыкающийся через ионосферу. Процесс расширяется в виде волны диполяризации. Нарастание продольного тока неизбежно вызывает развитие аномального сопротивления в ионосфере и ускорение ионосферных электронов, наблюдаются яркие лучистые сияния брейкапа. Ускоренные на фронте волны диполяризации электроны вызывают расширяющиеся к югу пульсирующие сияния. Примерно через 10-15 минут после брейкапа в удаленном хвосте, возможно, происходит импульсное пересоединение, ускоряющие частицы до 300-500 кеВ. Они не видны в сияниях, и пополняют популяцию радиационных поясов.

Авторы благодарны сотрудникам ПГИ за проведение телевизионных наблюдений в обсерваториях Ловозеро и Лопарская. Данные Темис загружались с сайта базы данных CDAWeb, data providers V. Angelopoulos, C.W. Carlson, McFadden, and E. Donovan.

Работа поддержана РФФИ, гранты 09-05-00818 и 10-05-00247, Программой № VI.15 отделения физических наук РАН, а также частично грантами NORUSKA II of the Research Council of Norway и Nordauropt II of the Nordic Council of Ministers.

ЛИТЕРАТУРА

1. Naiguo Lin et al. Statistical study of substorm timing sequence // Jornal of Geophysical Research. 2009. Vol. 114, A12204, P. 12, doi:10.1029/2009JA014381. 2. Ergun R.E. et al Observations of Double Layers in Earth's Plasma Sheet // Phys. Rev. Lett. 2009. 102, 155002. 3. Liu J, Angelopoulos V. et al. THEMIS observation of a substorm event on 04:35, 22 February 2008 / J. Liu, V. Angelopoulosl, H. Frey // Ann. Geophys., 27, 1831-1841, 2009 doi:10.5194/angeo-27-1831-2009. 4. Angelopoulos V. et al. Tail Reconnection Triggering Substorm Onset // Science 15 August 2008: Vol. 321, no. 5891. P. 931-935 DOI: 10.1126/science.1160495 5. Lui A.T.Y. Comment on “Tail Reconnection Triggering Substorm Onset” // Science 12 June 2009: Vol. 324, no. 5933. P. 1391 DOI: 10.1126/science.1167726 6. Kornilova T.A., Kornilov I.A. Fine structure of breakup development inferred from satellite and ground-based observations // Ann. Geophys. 2008. Vol. 26. P. 1141-1148.

Сведения об авторах

Корнилов Илья Александрович - к.ф.-м.н, ст. научный сотрудник; e-mail: kornilov@pgia.ru Корнилова Татьяна Андреевна - к.ф.-м.н, ст. научный сотрудник; e-mail: kornilovа@pgia.ru