АВОРАЛНА МАГНИТОСФЕРА
Определение
В класификацията на потоците от частици, обитаващи магнитосферата на Земята, авроралното лъчение (AR) заема междинна позиция между плазмените потоци и уловената радиация. Енергийният диапазон на AR е от единици до стотици keV, понякога до единици MeV. В горната част на обхвата AR значително се припокрива с уловената радиация на радиационните пояси, изобщо няма ясно разграничение, а основният критерий за идентифициране на AR е неговата променливост и ограничен живот. По едно време в местната литература се използва терминът "зона на нестабилно излъчване", отразяващ променливостта на динамиката на частиците в зоната, съседна на външния радиационен пояс.
Както подсказва името, авроралното лъчение се отнася до потоци от частици, свързани с полярните сияния. Тъй като полярните сияния се наблюдават не само в авроралната зона, но и в полярната шапка и в субавроралната зона, а понякога и в средните ширини, ясно е, че такова широко тълкуване не ни позволява да присвоим нито един отделен очертан регион в магнитосферата на авроралното лъчение. Наистина, спорадични потоци от енергийни електрони и йони се записват почти навсякъде в магнитосферата. Трябва обаче да се разграничат две основни местообитания на AR - магнитосферната опашка (MX) (виж) и зоната между радиационния пояс и магнитоопашката, която ще наричаме аврорална магнитосфера (AM) (виж) и която се проектира върху авроралната зона. Ще обърнем специално внимание на тези AR резервоари и ще говорим за потоците от частици в други части на магнитосферата в разделите, посветени на тях (вижте геометрията на магнитосферата).
Авроралното лъчение се появява по време на магнитосферни суббури (виж), а на различни етапи, фази, суббури има няколкомеханизми на ускоряване на частиците (cm); следователно авроралното лъчение трябва да бъде разделено на няколко вида според неговия произход, естеството на времевите вариации и енергийния спектър (cm). През 60-те и 70-те години на миналия век бяха предложени много варианти на такова разделение и различни терминологии, основно базирани на измервания на спътници и ракети на ниска надморска височина. Най-често е прието AR да се разделя на два енергийни диапазона - мек или нискоенергиен AR до 10 - 20 keV и твърд или енергиен AR от 20 keV и повече. Към това разделение ще се придържаме и в следващото изложение.
Бързото едновременно нарастване на електронните и йонните потоци, т.нар. инжекцията (виж) съвпада с началото на активната фаза на суббурята и експлозивната светкавица на полярните сияния (разпадане, началото на суббурята) (виж) в останалите етапи преобладават бавните вариации.
Преливането на магнитосферния капан води до утаяване на частици в атмосферата; този процес заслужава специално внимание (виж утаяване), т.к. свързано е с полярни сияния, смущения в йоносферата и спирачно лъчение (аврорални рентгенови лъчи) (виж) Утаяването на частици, особено електрони, не е монотонно, има вариации с характерни времена от части от секундата до десетки минути и много видове пулсации, изследването на които е посветено на специален раздел на тази работа (виж пулсации на магнитното поле, аврорални рентгенови лъчи, полярни сияния).
аврорална магнитосфера
Има много схеми на магнитосферата и ние сме определили специално място за това разнообразие (вижте). В схемата на О'Брайън (фиг. 1),
пояс (зона на улавяне), границата е размита, тъй като позицията на последната (външна) затворена траектория на дрейфа зависи от енергията, типа и ъгъла на наклон на частиците. Това е областта на квазизахващане, която съставлява основната част от авроралната магнитосфера (AM) - проекции в магнитосферата на авроралния пръстен на активните сияния. По време на силни смущения авроралната магнитосфера може да се припокрие със зоната на улавяне с вътрешната си част, докато външната граница на квазиулавяния регион (и авроралната магнитосфера) може да бъде много остра.
Аврорална магнитосфера (AM) - изглед отгоре.
Фигура 3 показва радиалните профили на енергийни (>20 keV) електрони (30-300 keV), измерени от сателита CRRES в периферията на външния радиационен пояс.
Трябва да се отбележи, че през годините на изследване се появиха и забравиха различни подразделения и наименования на тази област. Терминът "геостационарен регион" отразява факта, че повечето измервания в полярното сияниемагнитосферата е направена на геостационарни сателити при 6,6 Re. Близо до Земята или вътрешната част на плазмения слой е често срещан, но не много правилен термин, тъй като плазменият слой на опашката на магнита е наистина тънък слой, извън който потоците от частици са много по-малки, докато в областта на квазизахващане, въпреки наличието на повишен интензитет в екваториалната равнина, цялата област е пълна с енергийни частици по цялата дебелина. Терминът "вътрешна магнитосфера" често се използва за обозначаване на суббуря, която се случва не в опашката, а върху затворени, квазидиполни полеви линии. С това определение "вътрешната" магнитосфера е идентична с авроралната. Въпреки това, в много публикации от последните години терминът "вътрешна магнитосфера" означаваше зоната, контролирана от вътрешни (диполни) източници на магнитно поле, докато във външната магнитосфера значителен принос принадлежеше на външни източници. При този подход авроралната магнитосфера е междинна област, в която се наблюдава динамична конкуренция между вътрешни и външни източници. На фона на намаляване на потока от уловени частици се наблюдават резки увеличения на AR, така наречените инжекции на енергийни частици. Авроралното лъчение в дадените примери може лесно да бъде отделено от уловеното лъчение по естеството на вариациите във времето. Техният енергиен диапазон обаче значително се припокрива. Всъщност можем да говорим само за наличие на AP поради забележимо преливане на капана на това място. И трите компонента присъстват в движението на частиците - циклотронно въртене, скокове по линиите на полето и азимутален дрейф. В някои случаи виждаме доказателства за пълен дрейф около Земята, така нареченото „дрейфово ехо“ – първо електроните на най-многовисоки енергии, след това със закъснение - всички останали. Потокът от частици по време на дрейфа е значително намален - част от него изпада в атмосферата, част от него се разсейва - капанът се "освобождава" от преливане (вижте утаяване на енергийни частици) и се стреми към спокойно ниво.
Моментите на инжектиране съвпадат с активирането на суббурята и тези процеси ще бъдат разгледани отделно. Тук, завършвайки нашето разглеждане на авроралната магнитосфера отгоре, ние накратко засягаме въпроса за нейната външна граница.
Когато дрейфовите орбити се отдалечават от Земята, частиците с ъгъл на наклон 90 0 са първите, които губят възможността за затворен дрейф, наблюдава се така нареченият ефект на разделяне на дрейфовата обвивка (вж.) Потокът на уловените частици пада с разстояние по-бързо от частиците с по-малки ъгли на наклон. В резултат на това се наблюдава преходът, показан на фиг. 4, от уловеното разпределение на ъгъла на наклон (PAD), което често се нарича разпределение тип "пай" (палачинка) през квазиизотропно разпределение към разпределение тип "пеперуда", което показва, че дрейфовата природа на движението все още е запазена. След това преходът към изотропно разпределение предполага, че частиците вече не се задържат в магнитен капан, спътникът пресича външната граница на авроралната магнитосфера. (За подробности относно ъгловото разпределение на авроралните частици вижте отделен сайт. Има няколко примера за последователна трансформация на PUR на йони и електрони, измерени на сателити. Както е показано от статистически анализ, потокът от частици близо до границата е 50-100 пъти по-нисък, отколкото при максимума на външния радиационен пояс за частици със същата енергия. Характеристиките на външната граница на AM се разглеждат подробно отделно (вижте тук).
Аврорална радиация - сателити на ниска надморска височина
Сателити на малка надморска височина с полярнаорбитата са един от основните, най-често срещаните източници на информация за потоците от енергийни частици в магнитосферата. Сателитите от серията Kosmos изиграха значителна роля в местната наука; сред многобройните чуждестранни сателити ние отделяме сателитите DMSP, чиито данни са достъпни за общо ползване и следователно са били използвани много често за научен анализ.
Серия от фигури 5 показва резултатите от измерванията на редица сателити на ниска надморска височина. Информацията за потоците от частици, измерени на сателити на малка надморска височина, характеризира само тази част от популацията, която е близо до конуса на загуба или пада в атмосферата. Поради тази причина разширяването на резултатите и заключенията за всички частици, обитаващи съответните екваториални области на магнитосферата, трябва да се извършва с голямо внимание. Напротив, тези измервания на утаяващите се потоци от частици трябва да са тясно свързани с ефектите в йоносферата и полярните сияния. Въз основа на измервания на нискоенергийни електрони и йони на сателита DMSP, Феърфийлд и др. идентифицираха няколко местообитания на частици и граници между тях и направиха редица предположения относно съответствието им със зоната на сиянието и границите в нарушената магнитосфера. Тази работа предизвика големи спорове, появиха се алтернативни предложения и резултатите са представени достатъчно подробно в трудовете на Халперин и Фелдщайн (виж) и Нюман. На фиг. 5 ще бъдат дадени графики и заключения, изложени в близост до рецензията на Старков (виж).
Ако сравним представените по-горе схеми с AR измервания в магнитосферата, получаваме доста последователна картина. Екваториалната граница на централния плазмен лист, границата на авроралния овал и границата на "стабилно улавяне" съответстват на близката до Земята граница на авроралната магнитосфера, която, както си спомняме, може да бъде разположена нанаклон или близо до максимума на външния радиационен пояс. Граничният плазмен лист съвпада с полярната част на авроралния овал и се проектира върху външната граница на авроралната магнитосфера (с плазмения лист на магнитната опашка). Рязката разлика в енергийните спектри и други характеристики на централните и близките гранични плазмени листове показва разликата в механизмите на ускорение на частиците и процесите на суббуря като цяло в авроралната магнитосфера и в магнитната опашка.
Особености на динамиката на частиците в авроралната магнитосфера
Адиабатичният характер на движението на частиците, описан в раздела за радиационните пояси (виж), често се нарушава при АМ, въпреки че и трите компонента на движението - ротация на Лармор, колебания по линията на полето и магнитен дрейф продължават да бъдат решаващи. Поради съществуването на широкомащабно конвекционно електрическо поле, насочено от сутрин към вечер. добавен е още един важен компонент на движението - ExB дрейф в кръстосани електрически и магнитни полета. Скоростта й е равна на V=Е/В , насочена е към Земята (с посочена по-горе посока на електричното поле) и не зависи от енергията и заряда на частицата. Тъй като отклонението на ExB е насочено по нормалата към електрическото поле, енергията на частицата не трябва да се променя. Въпреки това, в комбинация с магнитния дрейф ExB, дрейфът води до промяна в енергията. Има два начина за изчисляване на нарастването на енергията - първо, въз основа на потенциалната разлика, преминала от частицата в процеса на магнитен дрейф, и второ, от условието за запазване на магнитния момент на частицата, когато частицата се прехвърля чрез дрейф ExB в областта на по-силно магнитно поле. И двата метода естествено дават един и същ резултат (вижте ускорението на частиците). Ускорението на комбинирания магнитен и електрически дрейф става особенозабележимо в подготвителната фаза на суббуря, когато конвекционното електрическо поле рязко се увеличава. Във фазата на разширяване на суббурята, след първоначалното инжектиране на частици, този механизъм активно допринася за бързия радиален транспорт на частици и попълването на радиационния пояс.
Взаимодействието с вълните играе важна роля в динамиката на частиците в авроралната магнитосфера. Осцилаторният характер на движението носи възможност за възбуждане на вълни и резонансно взаимодействие. Резултатът е дифузия под ъгъл на наклон, радиална дифузия, нарушаване на равномерното пространствено разпределение на частиците, групиране в дрейфови лъчи и групиране в снопове по време на надлъжни вибрации на частиците. Тези процеси водят до колебания в потока на утаяващите се частици, полярните сияния и геомагнитното поле, изучаването на което представлява обширен раздел от физиката на магнитосферата и йоносферата (виж).
Нарушаването на първия адиабатен инвариант, магнитния момент, се наблюдава предимно при частици с малки ъгли на стъпка. В резултат на това в конуса на загубите и близо до конуса на загуби естеството на дифузията на ъгъла на наклона може да се доближи до силно, докато нарушенията на адиабатичността остават незначителни близо до екватора. При интерпретиране на измервания на частици на сателити на ниска надморска височина, непознаването на този ефект може да доведе до сериозни грешки в интерпретацията.