Магнитосферное поле электрической конвекции - Magnetospheric electric convection field

^[1]Воздействие Солнечный ветер на магнитосфера генерирует электрическое поле во внутренней магнитосфере (r <10 a; с радиусом Земли) - поле конвекции. Его общее направление - от рассвета до заката. Совместно вращающаяся тепловая плазма внутри внутренней магнитосферы дрейфует ортогонально этому полю и геомагнитному полю. B_о. Процесс генерации еще полностью не изучен.^[2] Одна из возможностей - вязкое взаимодействие солнечного ветра с пограничным слоем магнитосферы (магнитопауза ). Другой процесс может быть магнитным пересоединением. Наконец, возможен процесс гидромагнитного динамо в полярных областях внутренней магнитосферы. Прямые измерения через спутники дали довольно хорошее представление о структуре этого поля.^[3][4][5] Существует ряд моделей в этой области.^[6][7][8][9]

Широко используемой моделью является Модель Волланд-Штерна ^[10][11][12]

Описание модели

Он основан на двух упрощающих предположениях: во-первых, о коаксиальном геомагнитном дипольном поле. B вводится. Силовые линии его магнитного поля можно представить параметром оболочки

${ Displaystyle L = { гидроразрыва {r} {a sin ^ {2} theta}}}$

(1)

где r - расстояние от Земли, a - радиус Земли, а θ - ко-широта. При r = a θ - это совместная широта точки основания линии на земле. L = const - это уравнение силовой линии магнитного поля, а r = a L - радиальное расстояние линии на геомагнитном экваторе (θ = 90 °). Во-вторых, предполагается, что электрическое поле может быть получено из электростатического потенциала Φ_c. Поскольку в высокопроводящей электрической плазме, такой как магнитосфера, электрические поля должны быть ортогональны магнитным полям, электрическая потенциальная оболочка параллельна магнитной оболочке. Соотношение

${ displaystyle Phi _ { mathrm {c}} = { frac { Phi _ { mathrm {co}}} {2}} left ({ frac {L} {L_ {m}}} справа) ^ {q} sin ( tau - tau _ { mathrm {co}})}$

(2)

выполняет это условие. Здесь ${ displaystyle L_ {m} = { frac {1} { sin ^ {2} theta _ {m}}}}$ сепаратриса^[13] разделение низкоширотной магнитосферы замкнутыми силовыми линиями геомагнитного поля при θ ≥ θ_м от полярной магнитосферы с открытыми линиями магнитного поля (имеющими только одно основание на Земле), а τ - местное время. θ_м ~ 20 ° - полярная граница авроральной зоны. Q, Φ_co, а τ_co являются эмпирическими параметрами, которые должны быть определены из наблюдений. Уравнение (2) дает для системы координат, вращающейся вместе с Землей, ее геомагнитный экватор совпадает с географическим экватором. Поскольку электрический потенциал симметричен относительно экватора, необходимо учитывать только северное полушарие. Общее направление потенциала - от рассвета до заката, а Φ_co это полная разность потенциалов. Для преобразования из вращающейся системы координат магнитосферы в невращающуюся систему необходимо заменить τ на долготу -λ.

Внутренняя Магнитосфера

С числами q ~ 2 и Φ_co и τ_co возрастает с ростом геомагнитной активности (например, Φ_co ~ 17 и 65 кВ, а τ_co ~ 0 и 1 ч, в спокойных и слегка возмущенных условиях, соответственно), уравнение (2) справедливо на более низких широтах, (θ> θ_м), а внутри внутренней магнитосферы (r ≤ 10 a) - модель Волланда-Штерна (см. рис. 1, а)).

Рисунок 1: Эквипотенциальные линии поля электрической конвекции в экваториальной плоскости магнитосферы (слева) и суперпозиция поля конвекции с полем совместного вращения (справа) в условиях спокойного магнитного поля.

Использование электростатического поля означает, что эта модель справедлива только для медленных временных изменений (порядка одного дня или более). Предположение о коаксиальном магнитном дипольном поле подразумевает, что моделируются только структуры глобального масштаба. Компоненты электрического поля выводятся из

${ Displaystyle mathbf {E} = - nabla Phi}$

(3)

так как

$${ displaystyle { begin {align} & E_ {r} = - { frac {q} {r}} Phi _ { mathrm {c}} & E ​​_ { theta} = { frac {2q} { r}} cot theta ~ Phi _ {c} & E ​​_ { lambda} = - { frac {1} {r sin theta}} cot ( lambda - lambda _ { mathrm { co}}) Phi _ { mathrm {co}} end {align}}}$$

При наличии геомагнитное поле электрическое поле создается во вращающейся системе отсчета, чтобы компенсировать Сила Лоренца. Это так называемое электрическое поле совместного вращения, измеряемое наблюдателем, вращающимся с Землей. При приведенных выше упрощающих условиях его потенциал равен

${ displaystyle Phi _ {r} = - { frac { Phi _ { mathrm {ro}}} {L}}}$

(4)

с Φ_ро = 90 кВ. Тепловая плазма внутри внутренней магнитосферы вращается вместе с Землей. В невращающейся системе отсчета он реагирует на сумму обоих полей.

${ Displaystyle Phi _ {c} + Phi _ {r}}$

(5)

в уравнении (2) и (4). Поскольку Φ_р убывает с удалением от Земли, а Φ_c увеличивается, конфигурация суммы обоих потенциалов имеет торообразную внутреннюю область замкнутых эквипотенциальных оболочек, называемую плазмосфера, в которых ионизированные частицы тепловой энергии остаются захваченными (например,^[14]Действительно, наблюдения вистлеров показали, что плотность плазмы внутри плазмосферы на несколько порядков выше, чем за пределами плазмопаузы, которая является последней замкнутой эквипотенциальной оболочкой. ^[15] (см. рис. 1б)). По форме наблюдаемых плазмопауза конфигурации, показатель q = 2 в уравнении (2), а степень убывания плазмопаузы с геомагнитной активностью моделируется амплитудой Φ_co

Происхождение конвективного поля

Возникновение поля электрической конвекции является результатом взаимодействия между Солнечный ветер плазма и геомагнитное поле. В полярных регионах с открытыми силовыми линиями магнитного поля (где геомагнитное поле сливается с межпланетное магнитное поле ), солнечный ветер, текущий через полярную магнитосферу, индуцирует электрическое поле, направленное от рассвета до заката. Разделение заряда происходит на магнитопаузе. Эта область связана через последний параметр замкнутой оболочки L_м с областью ионосферного динамо. Таким образом, разрядные токи протекают через продольные токи электрического поля (Биркеланд течения ) по L_м в пределах область ионосферного динамо.^[16] Продольные токи текут в ионосфера на утренней стороне и вне ионосферы на вечерней стороне. Изменчивость потока солнечного ветра определяет магнитосферную активность, обычно выражаемую степенью геомагнитной активности, наблюдаемой на Земле.

Полярная магнитосфера

Поле электрической конвекции в околоземной полярной области может быть смоделировано уравнением (2) с показателем q = - 1/2.^[10] На сепаратрисе в L_м , Φ_c непрерывно. Однако имеет место инверсия поля, сопровождаемая продольными токами, что согласуется с наблюдениями.^[4][5]Инверсия электрического поля на L_м ясно указывает на инверсию дрейфа плазмы внутри внутренней и полярной магнитосферы. В более сложной модели^[16] учтен овал полярных сияний между примерно 15 ° и 20 ° широты (снова моделируемый коаксиальной зоной сияний) как переходная зона между инверсией поля. В область ионосферного динамо на высоте от 100 до 200 км находится область, где ионы и электроны имеют разную подвижность. Таким образом плазма становится электропроводящей. Из-за геомагнитного поля существуют два вида электрических токов: токи Педерсена, параллельные E, и токи Холла, ортогональные E и B. Более того, значительное усиление электропроводность в пределах области полярных сияний существует в зависимости от геомагнитной активности, влияющей на параметр τ_co в уравнении (2)

Поле электрической конвекции вызывает сильные электрические токи в областях полярного динамо (например, DP1 и DP2), которые можно моделировать с помощью модели. Проявлением верхних атмосферных электрических токов являются соответствующие магнитные вариации на земле. К сожалению, такое соединение уникально только для систем с горизонтальным током. Например, вертикально текущие продольные токи почти не оказывают магнитного воздействия на землю.^[17] Модель позволяет разделить вклады обоих видов электрических токов. Полярные магнитные возмущения DP2 в основном представляют собой холловские токи. Авроральные электроджеты (DP1) с величиной порядка нескольких сотен кА, протекающие в зонах полярных сияний, состоят из токов Холла и токов Педерсена. Рассеяние токов Педерсена производит Джоулевое нагревание который переходит в нейтральный газ термосфера таким образом создавая термосферные и ионосферные возмущения. Более продолжительные магнитосферные возмущения порядка нескольких часов или дней могут перерасти в термосферные и ионосферные бури глобального масштаба (например,^[18]).

Смотрите также

• Электрическое поле коротации

Литература