Моделирование динамики температуры Моделирование динамики температуры протонов в плазмосфере на начальной протонов в плазмосфере на начальной стадии магнитной бури; сравнение с стадии магнитной бури; сравнение с экспериментальными данными. экспериментальными данными. Г.А. Котова, М.И. Веригин, В.В. Безруких, Г.А. Котова, М.И. Веригин, В.В. Безруких, Институт космических исследований РАН, Москва В.В. В.В. Богданов Богданов Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, п. Паратунка, Камчатка «Физика плазмы в солнечной системе», 812 февраля 2010 г., ИКИ РАН
12
Embed
«Физика плазмы в солнечной системе» , 8 12 февраля 2010 г., ИКИ РАН
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Моделирование динамики температуры Моделирование динамики температуры протонов в плазмосфере на начальной протонов в плазмосфере на начальной
стадии магнитной бури; сравнение с стадии магнитной бури; сравнение с экспериментальными данными. экспериментальными данными.
Г.А. Котова, М.И. Веригин, В.В. Безруких, Г.А. Котова, М.И. Веригин, В.В. Безруких, Институт космических исследований РАН, Москва
В.В.В.В. БогдановБогданов Институт космофизических исследований и
распространения радиоволн ДВО РАН,п. Паратунка, Камчатка
«Физика плазмы в солнечной системе», 812 февраля 2010 г., ИКИ РАН
Изменение температуры протонов в ночной Изменение температуры протонов в ночной плазмосфере во время магнитных бурьплазмосфере во время магнитных бурь
ИНТЕРБОЛ 2 АвроральныйИНТЕРБОЛ 2 Авроральный
Температура протонов падает на главной фазе бури(3) и возрастает на фазе восстановления (4). Плотность плазмы на главной фазе повышается или сохраняется на прежнем уровне.
0
2
4
6
-60
-40
-20
0
1 2 3 4
1000
10000
тем
пера
тура
, К
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
26 27 28 Днив сент.,1996
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
L
Dst
Kp
1 2 3 4
10
100
1000
плот
ност
ь, с
м-3
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 L
23.5 - 1.5 MLT
http ://sw dcdb.kugi.kyoto-u.ac.jp /
P P P P PP PP PP
По данным спутников Интербол-2 и Магион-5 было показано, что во время главной фазы магнитных бурь температура ионов плазмосферы обычно понижается.
«Физика плазмы в солнечной системе», 812 февраля 2010 г., ИКИ РАН
Уменьшение температуры протонов при радиальном Уменьшение температуры протонов при радиальном дрейфе во время магнитной буридрейфе во время магнитной бури ((модельмодель))
Модель возмущения магнитного поля в плоскости геомагнитного экватора вблизи Земли, возникающего благодаря нарастанию симметричного кольцевого тока во время магнитной бури. E – дополнительное вихревое электрическое поле, возникающее из-за
t /B :
tcrot
B
E1
.
В экваториальной плоскости в цилиндрической системе координат:
,0),,(,0,, trEEEE zr E ),(,0,0,, trBBBB zr B ,
)(),( 3 tBrRBtrB dstee
Подставив (2) в (1) получим: dt
tdB
cr
trE dst )(
2),( .
Скорость радиального дрейфа dt
tdB
trB
r
trB
trEcV dst
dr)(
),(2),(
),( .
С этой скоростью за время dt протон продрейфует на расстояние
dstdr dBtrB
r
trB
trEcdtVdr
),(2),(
),(
dsteedst BrRB
r
dB
dr
22 3
(1)
(2)
«Физика плазмы в солнечной системе», 812 февраля 2010 г., ИКИ РАН
Решение полученного уравнения:
0
3
12rr
r
RBB e
edst,
r0 - радиус начальной дрейфовой оболочки, откуда
стартовал протон, придрейфовавший на r=r(Bdst).
При Bdst < 0, r > r0
и протон дрейфует от Земли
30
21
/
ee
dst
e
e
Rr
B
B
Rr
R
r.
Из условия сохранения первого адиабатического инварианта T/B = const:
330
00
300
000
00 1),()(
)(
ee
dstdstr R
rB
B
r
rT
B
BrrBTtrB
rB
rTT
3
3
3
3
3
00
21
1
)(
ee
dst
ee
dst
r
RB
rB
RB
rB
rTT
2 3 4 5L0
2
3
4
5
L-50-100-150-200 D st, nT
«Физика плазмы в солнечной системе», 812 февраля 2010 г., ИКИ РАН
Уменьшение температуры протонов при радиальном Уменьшение температуры протонов при радиальном дрейфе во время магнитной буридрейфе во время магнитной бури (оценки).(оценки).
Предположим, что в плазмосфере до бури p
r rr
TT
0
00
Изменение температуры протонов на оболочке L
Линеаризация этого выражения при p = 0 приводит к известным оценкам [напр., Редерер, 1972]
ree
dstrr T
rB
rBTT 03
3
0 2
5 .
3
3
3
3
3
0
1
21
ee
dst
p
ee
dst
r
r
rB
rB
rB
rB
T
T
2 3 4 5 L1
10
Tem
per
atur
e de
cre
ase
fact
or p = 1 /2D st = - 200 nT
- 150 nT
- 100 nT
- 50 nT
2 3 4 5 L1
10
Tem
pera
ture
dec
rea
se fa
ctor
p = 1
2 3 4 5 L1
10
Tem
per
atur
e de
cre
ase
fact
or p = 0 D st = - 200 nT
- 150 nT
- 100 nT
- 50 nT
2 3 4 5 L1
10
Tem
pera
ture
dec
rea
se fa
ctor
p = 3 /2 D st = - 200 nT
- 150 nT
- 100 nT
- 50 nT
D st = - 200 nT
- 150 nT
- 100 nT
- 50 nT
«Физика плазмы в солнечной системе», 812 февраля 2010 г., ИКИ РАН
Температура протонов может существенно уменьшаться даже во время небольших магнитных бурь.
Сравнение расчетов с экспериментальными даннымиСравнение расчетов с экспериментальными данными
МАГИОН 5МАГИОН 54 последовательных пролета через плазмосферу (1 раз в сутки)4 последовательных пролета через плазмосферу (1 раз в сутки)
Во время магнитной бури в период близкий к минимуму Dst – индекса измеренная температура протонов близка к величине температуры, рассчитанной в приближении дрейфа протонов в экваториальной плоскости по температуре, измеренной до магнитной бури.
геом.~ 0o
«Физика плазмы в солнечной системе», 812 февраля 2010 г., ИКИ РАН
3 4 5
10
100
1000
den
sit
y ,
cm
-3
3 4 5
10
100
1000
3 4 5
10
100
1000
3 4 5
10
100
1000
3 4 5
1000
10000
tem
per
atu
re, K
3 4 5
1000
10000
3 4 5
1000
10000
1 2 428 Sept. 21 .58-22.59 U T 30 Sept., 03.25-03.48 U T 2 O ct., 01 .40-02.12 U T
Tr (BDST=-55)T
3 4 5
1000
10000
31 O ct., 02 .33- 03 .00 U T
Tr (BDST=-55)T
1.2 - 1.9 MLT
T0
-80
-40
0
40
80SYMH ASYH/2, нТ
29 1 дни1 2 3 4
Сравнение расчетов с экспериментальными даннымиСравнение расчетов с экспериментальными данными
ИНТЕРБОЛ 2 АвроральныйИНТЕРБОЛ 2 Авроральный5 последовательных пролетов через плазмосферу (4 раза в сутки)5 последовательных пролетов через плазмосферу (4 раза в сутки)
Падение температуры на средних широтах в период вблизи минимума Dst только частично удается объяснить уменьшением магнитного поля.
геом.~ 40 - 550
«Физика плазмы в солнечной системе», 812 февраля 2010 г., ИКИ РАН
Найдено 12 случаев пересечений плазмосферы спутником МАГИОН-5 во время геомагнитных бурь, когда имелись данные по температуре протонов.
Сравнение расчетов с экспериментальными даннымиСравнение расчетов с экспериментальными данными
BDST=SYMH+ASYH/2
BDST=SYMH-ASYH/2
BDST=SYMH
BDST=SYMH
«Физика плазмы в солнечной системе», 812 февраля 2010 г., ИКИ РАН
«Физика плазмы в солнечной системе», 812 февраля 2010 г., ИКИ РАН
Сравнение расчетов с экспериментальными даннымиСравнение расчетов с экспериментальными данными(статистика)(статистика)
3
3
3
3
3
00
21
1
)(
ee
dst
ee
dst
r
RB
rB
RB
rB
rTT
<L> = 2.835 <Bdst> = -56 нТ
2000 4000 6000 8000T r, набл., К
2000
4000
6000
8000
Tr,
тео
р.,
К
Tr, теор.= 1.04Tr, набл.
2000 4000 6000 8000T0 , К
2000
4000
6000
8000
Tr,
наб
л.,
К
Tr = 0.9T0
30
21 L
BBL
L
e
dst
Небольшое превышение рассчитанной температуры Tr над наблюдаемой Tr,набл, может говорить о наличии дополнительного механизма охлаждения
плазмы, менее выраженного на экваториальных широтах, чем на средних.
ВыводыВыводы• Измерения на спутниках ИНТЕРБОЛ-2 и МАГИОН-5 Измерения на спутниках ИНТЕРБОЛ-2 и МАГИОН-5
свидетельствуют о том, что во время главной фазы свидетельствуют о том, что во время главной фазы магнитных бурь температура ионов плазмосферы магнитных бурь температура ионов плазмосферы обычно понижается, плотность плазмы при этом обычно понижается, плотность плазмы при этом повышается или сохраняется на прежнем уровне, повышается или сохраняется на прежнем уровне, характерном для невозмущенных условий. характерном для невозмущенных условий.
• Модель перемещения дрейфовой оболочки от Модель перемещения дрейфовой оболочки от Земли, вызванного уменьшением магнитного поля во Земли, вызванного уменьшением магнитного поля во внутренней плазмосфере при развитии магнитной внутренней плазмосфере при развитии магнитной бури, удовлетворительно описывает понижение бури, удовлетворительно описывает понижение температуры протонов вблизи экваториальной температуры протонов вблизи экваториальной плоскости.плоскости.
• Для объяснения уменьшения температуры в Для объяснения уменьшения температуры в плазмосфере на средних широтах необходимо плазмосфере на средних широтах необходимо привлекать другие механизмы.привлекать другие механизмы.
«Физика плазмы в солнечной системе», 812 февраля 2010 г., ИКИ РАН
СПАСИБОСПАСИБО
ЗА ВНИМАНИЕЗА ВНИМАНИЕ!!
Сравнение расчетов с экспериментальными даннымиСравнение расчетов с экспериментальными данными
ИНТЕРБОЛ 2 АвроральныйИНТЕРБОЛ 2 Авроральный5 последовательных пролетов через плазмосферу (4 раза в сутки)5 последовательных пролетов через плазмосферу (4 раза в сутки)
«Физика плазмы в солнечной системе», 1720 февраля 2009 г., ИКИ РАН
Падение температуры вблизи экваториальной плоскости в период вблизи минимума Dst удовлетворительно согласуется с модельными расчетами.