АВРОРАЛЬНА МАГНІТОСФЕРА
Визначення
У класифікації потоків частинок, що населяють магнітосферу Землі, авроральна радіація (АР) займає проміжне положення між потоками плазми і захопленою радіацією. Енергетичний діапазон АР – від одиниць до сотень кеВ, іноді до одиниць МеВ. У верхній частині діапазону АР суттєво перекривається із захопленою радіацією радіаційних поясів, чіткого розмежування взагалі немає, і головним критерієм ототожнення АР є її мінливість, обмежений час існування. Один час у вітчизняній літературі використовувався термін "зона нестійкої радіації", що відображає мінливість динаміки частинок в області, що примикає до зовнішнього радіаційного поясу.
Як очевидно з назви, до авроральної радіації ставляться потоки частинок, пов'язані з полярними сяйвами. Оскільки полярні сяйва спостерігаються у зоні сяйв, а й у полярної шапці й у субавроральной зоні, котрий іноді середніх широтах, ясно, що таке широке тлумачення не дозволяє відвести для авроральної радіації якусь одну окреслену область в магнитосфере. І справді, спорадичні потоки енергійних електронів та іонів реєструються практично у магнітосфері всюди. Слід, однак, виділити дві головні області проживання АР - магнітосферний хвіст (МХ) (див.) і область між радіаційним поясом і хвостом магнітосфери, яку ми називатимемо авроральною магнітосферою (АМ) (див.) і яка проектується на зону полярних сяйв. Цим резервуарам АР ми приділимо особливу увагу, а про потоки частинок в інших частинах магнітосфери скажімо в розділах, присвячених їм (див. Геометрія магнітосфери).
Авроральна радіація з'являється під час магнітосферних суббур (див.), причому на різних стадіях, фазах, суббурі діє декількамеханізмів прискорення частинок (см), тому авроральну радіацію слід розділяти на кілька типів за походженням, характером тимчасових варіацій та енергетичним спектром (см). У 60-70 роки пропонувалося багато варіантів такого поділу та різна термінологія, в основному на базі вимірювання на низьковисотних супутниках та ракетах. Найчастіше прийнято ділити АР на два діапазони енергії - м'яка або низькоенергійна АР до 10 - 20 кеВ і жорстка або енергійна АР від 20 кеВ і вище. Цього поділу ми й дотримуватимемося при наступному викладі.
Швидке одночасне зростання потоків електронів та іонів, т.зв. інжекція збігається з початком активної фази суббурі і вибуховим спалахом полярних сяйв (breakup, substorm onset) (див.) на інших стадіях переважають повільні варіації.
Переповнення магнітосферної пастки призводить до висипання частинок в атмосферу, цей процес заслуговує на спеціальний розгляд (див. висипання), т.к. з ним пов'язані і полярні сяйва, і обурення в іоносфері, і гальмівне рентгенівське випромінювання (auroral X-rays). і безліч типів пульсацій, дослідженню присвячений спеціальний розділ даної роботи (див. Пульсації магнітного поля, авроральних Х-променів, полярних сяйв).
Авроральна магнітосфера
Схем магнітосфери багато, і цьому різноманіттю ми відвели спеціальний сайт (див.). У схемі О'Брайена (рис 1), що повторюється багаторазово до нашого часу, аворальної радіації відведено певне місце, що включає і замкнуті квазидипольні силові лінії і хвіст магнітосфери. Насправді характер руху частинок, енергетичні спектри і роль у розвитку суббурі в цихобластях різняться, як і зміна магнітного поля. Тому авроральна зона O'Briana має бути розділена на дві - область квазізахоплення та плазмовий шар хвоста магнітосфери. На рис 2 показана схема нічної частини обуреної магнітосфери, що відображає такий поділ. Нічна область квазізахоплення перекривається з радіаційним
поясом (областю захоплення), межа розмита, оскільки положення останньої (зовнішньої) замкнутої дрейфової траєкторії залежить від енергії, типу та пітчу кута частинок. Саме область квазізахоплення становить головну частину авроральної магнітосфери (АМ) – проекції в магнітосферу аврорального кільця активних полярних сяйв. Своєю внутрішньою частиною авроральна магнітосфера може під час сильних збурень перекриватися із зоною захоплення, а зовнішня межа області квазізахоплення (і авроральної магнітосфери) може бути дуже різкою.
Авроральна магнітосфера (АМ) – вид зверху.
На рис 3 наведені радіальні профілі енергійних (20 кеВ) електронів (30-300 кеВ) виміряні супутником CRRES на периферії зовнішнього радіаційного поясу. Супутник літав у площині екватора витягнутою квазігеостаціонарною орбітою і по кілька годин у кожному обороті проводив в авроральній магнітосфері. Віддаляючись від Землі, супутник проходить максимум зовнішнього радіаційного пояса, становище якого залежить від енергії і типу частинок і виходить зовнішній схил пояса. Спад інтенсивності частинок визначається радіальною дифузією частинок до Землі, наростаючою втратою частинок на флангах магнітосфери через неповний дрейф і пітч-кутову дифузію.
Слід зазначити, що роки досліджень з'являлися і забувалися різні поділу і назви цієї області. Термін "геостаціонарна область" відображає той факт, що більшість вимірювань в авроральніймагнітосфері зроблена на геостаціонарних супутниках на 6.6 Re. Навколоземна або внутрішня частина плазмового шару - термін поширений, але не дуже вірний, оскільки плазмовий шар хвоста магнітосфери - це дійсно тонкий шар, за межами якого потоки частинок істотно менші, тоді як в області квазахоплення незважаючи на існування підвищеної інтенсивності в площині екватора, вся область заповнена енергійними частинками по всій товщині. Часто застосовується термін "внутрішня магнітосфера" для позначення подій суббурі, що відбуваються не в хвості, а на замкнутих, квазідипольних силових лініях. За такого визначення "внутрішня" магнітосфера ідентична авроральної. Однак у багатьох публікаціях минулих років термін "внутрішня магнітосфера" позначав область контрольовану внутрішніми (дипольними) джерелами магнітного поля, тоді як у зовнішній магнітосфері істотний внесок належав зовнішнім джерелам. При такому підході авроральна магнітосфера є проміжною областю, в якій спостерігається динамічна конкуренція внутрішніх та зовнішніх джерел. На тлі спаду потоку захоплених частинок спостерігаються різкі зростання АР, так звані інжекції енергійних частинок. Авроральну радіацію на наведених прикладах легко відокремити від захопленої радіації характером тимчасових варіацій. Водночас енергетичний діапазон їх суттєво перекривається. По суті ми можемо говорити про наявність АР тільки через помітне переповнення пастки в цьому місці. У русі частинок є всі три компоненти - циклотронне обертання, стрибки вздовж силових ліній і азимутальний дрейф. У деяких випадках ми бачимо свідчення повного дрейфу навколо Землі, так зване "дрейфове відлуння" - на місце інжекції повертаються спочатку електрони самихвеликих енергій, потім із затримкою - решта. Потік частинок за час дрейфу істотно знижується - частина висипається в атмосферу, частина розсіюється - пастка "звільняється" від переповнення (див. Висип енергійних частинок) і прагне спокійного рівня.
Моменти інжекції збігаються з активізацією суббурі, і ці процеси будуть розглянуті спеціально. Тут же, завершуючи розгляд авроральної магнітосфери зверху, ми торкнемося коротко питання про її зовнішній кордон.
При видаленні дрейфових орбіт від Землі першими втрачають можливість замкнутого дрейфу частки з пітч-кутом 90 0 , спостерігається так званий ефект розщеплення дрейфових оболонок (див.) Потік захоплених частинок падає з відстанню швидше, ніж частинок з меншими пітч-кутами. В результаті спостерігається показаний на малюнках 4 перехід від захопленого пітч-кутового розподілу (ПУР), який часто називають розподілом типу "пиріжок", (pancake) через квазіізотропний до розподілу типу "метелик" (butterfly), який свідчить про те, що дрейфовий характер руху все ще зберігається. Слідом за цим перехід до ізотропного розподілу говорить про те, що частинки більше не утримуються в магнітній пастці, супутник перетинає зовнішню межу авроральної магнітосфери. ( Про пітч-кутовий розподіл авроральних частинок див. докладніше на окремому сайті. Там наведено кілька прикладів послідовної трансформації ПУР іонів і електронів, виміряних на супутниках. Як показує статистичний аналіз, потік частинок біля кордону в 50-100 разів нижче, ніж у максимумі зовнішнього радіаційного поясу для частинок тієї ж енергії Характеристики зовнішнього кордону АМ докладно розглянуті окремо (див. тут).
Авроральна радіація - низьковисотні супутники
Низьковисотні супутники з полярноюорбітою є одним з основних, найбільш поширених джерел інформації про потоки енергійних частинок в магнітосфері. У вітчизняній науці значну роль відіграли супутники серії "Космос", серед численних закордонних супутників виділимо супутники DMSP, дані яких доступні для загального користування і тому використовувалися для наукового аналізу дуже часто.
Серія малюнків 5 наводить результати вимірів на ряді низьковисотних супутників. Інформація про потоки частинок, виміряних на низьковисотних супутниках, характеризує лише ту частину популяції, яка знаходиться поблизу конуса втрат або висипається в атмосферу. Тому поширення результатів і висновків на всі частинки, що населяють відповідні екваторіальні райони магнітосфери, слід робити з великою обережністю. Навпаки, ці вимірювання потоків частинок, що висипаються, повинні бути тісно пов'язані з ефектами в іоносфері і полярними сяйвами. За матеріалами вимірювань низькоенергійних електронів та іонів на супутнику DMSP Феірфілд та ін. виділили кілька областей проживання частинок і кордонів між ними і зробили ряд припущень про їх відповідність зоні полярних сяйв та кордонів у обуреній магнітосфері. Ця робота викликала великі суперечки, з'явилися альтернативні пропозиції, і результати досить докладно викладені у роботах Гальперіна та Фельдштейна (див.) та Ньюмена. На рис. 5 будуть наведені графіки та висновки, викладені близько до огляду Старкова (див.).
Якщо порівняти наведені вище схеми з вимірами АР в магнітосфері, вийде досить суперечлива картина. Екваторіальна межа центрального плазмового шару, межа аврорального овалу та межа "стійкого захоплення" відповідають навколоземному кордону авроральної магнітосфери, яка може розташовуватися, як ми пам'ятаємо, насхилі чи поблизу максимуму зовнішнього радіаційного пояса. Прикордонний плазмовий шар збігається з приполюсною частиною овалу полярних сяйв та проектується на зовнішню межу авроральної магнітосфери (з плазмовим шаром хвоста магнітосфери). Різка відмінність енергетичних спектрів та інших характеристик центрального та прикордонного плазмового шару свідчить про відмінність механізмів прискорення частинок та процесів суббурі в цілому в авроральній магнітосфері та в хвості магнітосфери.
Особливості динаміки частинок в авроральній магнітосфері
Адіабатичний характер руху частинок, описаний у розділі, присвяченому радіаційним поясам (см), в АМ часто порушується, хоча всі три компоненти руху - ларморівське обертання, коливання вздовж силової лінії та магнітний дрейф продовжують бути визначальними. У зв'язку з існуванням великомасштабного електричного поля конвекції, спрямованого з ранку на вечір. додається ще одна важлива компонента руху - ЕхВ дрейф у схрещених електричному та магнітному полях. Його швидкість дорівнює V = Е/В, спрямована до Землі (при зазначеному вище напрямку електричного поля) і не залежить від енергії та заряду частки. Так як ЕхВ дрейф спрямований нормалі до електричного поля, енергія частки не повинна змінюватися. Однак у комбінації з магнітним дрейфом ЕхВ дрейф призводить до зміни енергії. Порахувати збільшення енергії можна двома способами - по-перше виходячи з різниці потенціалів, що проходить частинкою в процесі магнітного дрейфу, і по-друге з умови збереження магнітного моменту частки при переносі частинки ЕхВ дрейфом в область сильнішого магнітного поля. Обидва методи дають, природно, однаковий результат (див. прискорення частинок). Прискорення при комбінованому магнітному та електричному дрейфі стає особливовідчутним на підготовчій фазі суббурі, коли електричне поле конвекції різко зростає. На фазі експансії суббурі після початкових інжекцій частинок цей механізм активно сприяє швидкому радіальному перенесенню частинок і поповненню радіаційного поясу.
Значну роль динаміці частинок в авроральної магнітосфері грає взаємодію Космосу з хвилями. Коливальний характер руху несе можливість збудження хвиль та резонансної взаємодії. Результатом є пітч-кутова дифузія, радіальна дифузія, порушення рівномірного просторового розподілу частинок, угруповання в дрейфові пучки та бунчування в згустки при поздовжніх коливаннях частинок. Ці процеси призводять до пульсацій потоку частинок, що висипаються, полярних сяйв і геомагнітного поля, вивчення яких становить великий розділ фізики магнітосфери та іоносфери (см).
Порушення першого адіабатичного інваріанту - магнітного моменту насамперед спостерігається у частинок з малими пітч-кутами. В результаті в конусі та поблизу конуса втрат характер пітч-кутової дифузії може наближатися до сильної, тоді як поблизу екватора порушення адіабатичності залишаються незначними. При інтерпретації вимірювань частинок на низьковисотних супутниках незнання цього ефекту може спричинити серйозні помилки в інтерпретації.