1.1 Введение... 19
1.2 Теоретические подходы к исследованию структуры магнитопаузы... 22
1.3 Модель токовых слоев низкоширотной дневной магнитопаузы... 29
1.3.1 Южное межпланетное магнитное поле... 31
1.3.2 Северное межпланетное магнитное поле... 33
1.3.3 Токовые слои на границе двух сред... 33
1.3.4 Токи на дневной магнитопаузе при северном ММП... 36
1.3.5 Магнитное поле на дневной магнитопаузе при северном ММП ... 43
1.4 Сопоставление с наблюдениями структуры токов
дневной магнитопаузы и их магнитных полей при северном ММП ... 48
1.5 Обсуждение результатов... 54
1.6 Выводы к Главе 1... 56
1.6.1 Основные результаты... 57
Глава 2 Структура магнитосферы в зависимости от направления межпланетного магнитного поля 58
2.1 Введение... 58
2.2 Пересоединение межпланетного и магнитосферного магнитных полей ... 62
2.3 Сферическая модель магнитосферы... 70
2.4 Параболоидная модель магнитосферы ... 84
2.4.1 "Южное" направление ММП... 88
2.4.2 "Северное" направление ММП... 90
2.4.3 Направление ММП близкое к радиальному... 90
2.5 Влияние магнитного поля солнечного ветра на сердцевину магнитосферы . . 95
2.6 Обсуждение результатов...101
2.7 Сопоставление полученных результатов с наблюдениями...102
2.8 Выводы к Главе 2...107
2.8.1 Основные результаты...107
Глава 3 Электрическое поле, конвекция и токовые системы в высокоширотной ионосфере в зависимости от направления межпланетного магнитного поля 109
3.1 Введение...109
3.2 Сферическая модель магнитосферы...112
3.2.1 Электрическое поле на открытых силовых линиях...113
3.2.2 Продольные электрические поля...123
3.2.3 Токи на открытых силовых линиях...127
3.2.4 NBZ-токи...129
3.2.5 Электрическое поле на замкнутых силовых линиях при строго южном ММП...135
3.2.6 Продольные токи на границе полярной шапки и их магнитное поле
при строго южном ММП... . ...138
3.2.7 Продольные токи при южном ММП, вызванные асимметрией относительно экваториальной плоскости...143
3.3 Параболоидная модель магнитосферы...144
3.3.1 Конвекция плазмы в высокоширотной ионосфере при южном ММП . 146
3.3.2 Конвекция плазмы в высокоширотной ионосфере при северном ММП 150
3.3.3 Конвекция плазмы в высокоширотной ионосфере при направлении ММП близком к радиальному...153
3.4 Обсуждение результатов...160
3.5 Выводы к Главе 3...161
Глава 4 Переходные токовые системы 163
4.1 Введение...163
4.2 Поворот ММП к югу...166
4.3 Переходные токовые системы, возникающие при повороте ММП к северу . . 171
4.3.1 Продольные токи на границе полярной шапки при северном ММП . . 172
4.3.2 Глобальное магнитное возмущение на низких широтах на уровне Земли, созданное переходной токовой системой при повороте ММП к северу...175
4.4 Магнитная буря 24-27 сентября 1998 года...182
4.4.1 Высокоширотные проявления столкновения магнитосферы с коро-нальным выбросом массы 24 сентября 1998 года ...186
4.4.2 Низкоширотные проявления столкновения магнитосферы с корональ-ным выбросом массы 24 сентября 1998 года...192
4.4.3 Расчеты низкоширотных возмущений Н-компоненты магнитного поля на Земле, вызванных столкновением магнитосферы с корональ-ным выбросом массы 24 сентября 1998 года...199
4.5 Выводы к Главе 4...208
4.5.1 Основные результаты...208
Глава 5 Влияние межпланетного магнитного поля на формирование
магнитосферы Юпитера 209
5.1 Введение...209
5.2 Модели магнитоферы Юпитера...220
5.3 Параболоидная модель магнитоферы Юпитера...223
5.3.1 Поле магнитодиска Юпитера...226
5.3.2 Закрытая модель магнитосферы Юпитера...233
5.4 Электрическое поле, генерируемое вращением Юпитера...236
5.5 Электрическое поле, созданное МГД генератором солнечного ветра...240
5.6 Магнитосфера Юпитера при южном ММП...242
5.6.1 Коэффициент проникновения южного ММП в магнитосферу fcj~0,1 244
5.6.2 Коэффициент проникновения южного ММП в магнитосферу fcj~0,8 252
5.7 Магнитосфера Юпитера при северном ММП...260
5.8 Выводы к Главе 5...265
5.8.1 Основные результаты...265
Глава 6 Генерация магнитного поля при обтекании быстро вращающейся планеты 267
6.1 Введение...267
6.2 Основные элементы теории динамо...269
6.3 Магнитное поле и поле скоростей в переходной области вблизи магнитопаузы271
6.4 Осесимметричный случай...275
6.5 Отклонение от аксиальной симметрии ...277
6.6 Энергетические оценки...280
6.7 О применимости механизма генерации магнитного поля вблизи магнитопа-
узы к планетам Солнечной системы...282
6.8 Выводы к главе 6...284
Заключение 286
Список опубликованных работ автора по теме диссертации 292
Список литературы J 295
Введение
Исследование космического пространства - одна из наиболее бурно разивающихся областей знания. Решение ряда практически важных задач, таких как изучение влияния динамики солнечной активности на околоземное пространство, обеспечение радиационной . безопасности, прогноз геомагнитной обстановки и др. невозможно без фундаментального понимания физических процессов, происходящих в Солнечной системе и вблизи Земли. При этом необходимо учитывать влияние магнитного поля солнечного ветра на структуру магнитосферы и магнитопаузы, на конвекцию плазмы и токовые системы.
Своим происхождением магнитосфера обязана взаимодействию сверхзвукового потока разреженной плазмы солнечного ветра, испускаемого солнечной короной, с геомагнитным полем. В результате этого взаимодействия вокруг Земли образуется полость, заполненная магнитосферным магнитным полем, препятствующим проникновению плазмы солнечного ветра.
Плазма околоземного пространства настолько разрежена, что кулоновские взаимодействия между частицами существенны только в тонком ионосферном слое. Вне ионосферы крупномасштабное магнитное поле вызывает движение частиц плазмы по спиральным траекториям вокруг магнитных силовых линий с циклотронной частотой, превышающей частоту столкновений. При этом плазма называется замагниченной, ее свойства оказываются анизотропными в силу выделенности направления магнитного поля. Такими свойствами обладает не только магнитосферная плазма, но и межзвездный газ и плазма солнечного ветра. В замагниченной плазме в полной мере проявляется анизотропия проводимости. Проводимость вдоль магнитного поля настолько велика, что силовые линии вморожены в плазму.
В такой бесстолкновительной плазме модифицируются специфические плазменные коллективные процессы, а распределение частиц по скоростям может сильно отличаться от равновесного — максвелловского (пучки быстрых частиц, анизотропия температур),
6
что является причиной развития большого числа микронеустойчивостей. Таким образом, движение частиц космической плазмы определяется не только локальными условиями, но и состоянием плазмы и магнитных полей в удаленных областях.
Нелокальный характер процессов в околоземном пространстве определяется тем, что они происходят в единой крупномасштабной космической системе. Электрические и магнитные поля объединяют и взаимосвязывают отдельные объекты этой системы. Кроме того, нелокальность обусловлена сильной анизотропией проводимости (проводимость вдоль магнитных силовых линий очень велика), а также дальнодействием электромагнитных сил, источники которых могут находиться в удаленных областях.
Наиболее ярко нелокальный характер процессов, происходящих в космической плазме, проявляется при пересоединении магнитных полей. Несмотря на то, что плотность энергии межпланетного магнитного поля (ММП) существенно меньше плотности кинетической энергии солнечного ветра на орбите Земли и пересоединение межпланетного и магнитосферного полей происходит в небольшой области на границе магнитосферы (где магнитные поля антипараллельны), процессы пересоединения играют ключевую роль в формировании глобальной структуры и динамики магнитосферы. Вдоль пересоединившихся магнитных силовых линий электрическое поле может проникать из солнечного ветра внутрь магнитосферы, определяя конвективное движение плазмы.
Собственное магнитное поле планеты — ее важнейшая характеристика с точки зрения космической электродинамики. В настоящее время более или менее надежно известны магнитные поля всех планет Солнечной системы, кроме Плутона (см. таблицу 1, в которой приведены некоторые свойства планет [Моффат, 1980; Huddleston et al.f 1997]).
Магнитное поле Меркурия намного меньше поля Земли. Венера не обладает собственным магнитным полем. Ситуация с Марсом до сих пор неясна: если у него и есть собственное поле, оно мало. Для планет, не имеющих магнитного поля, существенно индукционное взаимодействие с замагниченной плазмой солнечного ветра.
Для Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна установлен не только факт существования их собственных магнитных полей, но известны величины их мультипольных членов. Взаимодействие солнечного ветра с собственным магнитным полем планеты приводит к формированию крупномасштабных магнитосферных магнитных и электрических полей, конвекции и токовых систем.
Для быстро вращающихся планет, обладающих сильным магнитным полем (наибо-
Таблица 1: Характеристики планет.
Планета Радиус, км Средняя плотность, кг/м3 Период вращения, сутки Дипольный момент, Гс-км3 Расстояние от Солнца, АЕ
Меркурий 2440 5400 58,8 4,80-107 0,39
Венера 6050 5200 -243,0 < 4,00 • 107 0,72
Земля 6380 5500 1,0 8,05-1010 1
Марс 3390 3900 1,025 2,47407 1,52
Юпитер 71372 1300 0,41 1,56-1015 5,2
Сатурн 60330 700 0,425 4,60-1013 9,54
Уран 24300 1580 0,45 4,00-1012 19,18
Нептун 25050 1700 0,66 2,10-Ю12 30,07
Плутон 1500(?) 700(?) 0,27 (?) 39,44
лее ярким представителем которых является Юпитер), вращение оказывает существенное влияние на формирование их магнитосфер и взаимодействие с солнечным ветром. Около 98% суммарной массы планет Солнечной системы приходится на долю планет-гигантов, характеризующихся большими размерами и массой, относительно низкой плотностью, быстрым вращением, наличием магнитного поля, а также многочисленными спутниками.
Диссертация посвящена изучению влияния межпланетного магнитного поля на формирование магнитосфер Земли и Юпитера, на конвекцию магнитосферной и ионосферной плазмы, на структуру токовой зоны дневной магнитопаузы; вводится понятие переходных токовых систем, возникающих в магнитосфере Земли при резком повороте ММП к северу; предложен возможный механизм усиления магнитного поля вблизи магнитопаузы быстро вращающейся планеты.
Проведено сопоставление полученных теоретических результатов и модельных расчетов с имеющимися экспериментальными данными, подтверждающее их достоверность.
Актуальность рассматриваемых в диссертации вопросов определяется тем, что важнейшие прикладные задачи неосуществимы без фундаментальных исследований физических
8
процессов в системе солнечный ветер-магнитосфера-ионосфера-Земля. Связующим звеном в этой системе является магнитное поле, вдоль силовых линий которого происходит обмен заряженными частицами и передача энергии на большие расстояния. В частности, возросшие требования к улучшению прогноза "космической погоды" для решения практических задач делают актуальными рассматриваемые в диссертации вопросы.
Актуальность затронутых проблем связана также с тем, что для понимания магни-тосферных и ионосферных процессов, для анализа огромного потока информации, полученной в настоящее время на многочисленных космических аппаратах и искусственных спутниках Земли, необходимо знать конфигурацию силовых линий магнитосферного по-1 ля, соответствующую межпланетному магнитному полю в момент наблюдения.
Полеты космических аппаратов Pioneer 10, 11, Voyager I, 2, Ulysses, Galileo и Cassini
i
к Юпитеру (самой крупной планете в Солнечной системе, обладающей самым сильным магнитным полем) делают весьма актуальной проблему о строении магнитосферы этой планеты и о влиянии на нее магнитного поля солнечного ветра. Специфика юпитерианской магнитосферы определяет своеобразие обтекания ее солнечным ветром и взаимодействия с его магнитным полем.
Цель диссертации состоит в изучении роли межпланетного магнитного поля в форми-
! ,щ1 ровании магнитосферы планеты, обладающей сильным собственным магнитным полем.
1 Среди планет земной группы самое сильное поле у Земли, среди планет-гигантов — у
Юпитера. Задачи диссертации можно сформулировать следующим образом.
1. Исследовать структуру токового слоя дневной магнитопаузы Земли в зависимости от направления магнитного поля солнечного ветра.
2. Проанализировать формирование в магнитосферах Земли и Юпитера магнитных и электрических полей и конвекции для различных ориентации ММП.
3. Изучить процессы, происходящие в магнитосфере Земли при резком повороте ММП
к северу, в частности, преобразование высокоширотных трехмерных токовых систем.
I
4. Выяснить особенности обтекания магнитосфер быстро вращающихся планет.
I I
Новые возможности для изучения взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой
открываются благодаря доступности огромного экспериментального материала через сеть
Интернет. Наряду с разработкой теоретических моделей в диссертации проведена систематизация и анализ обширного теоретического материала, имеющегося в литературе, и экспериментальных данных, полученных на космических аппаратах и спутниках и на на- земных обсерваториях.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые теоретически выявлен ряд эф- фектов, определяемых величиной и направлением ММП:
- для земной магнитосферы для наименее исследованного случая северного ММП пока-
зано, что дневная магнитопауза представляет собой двойной токовый слой; пересо-единение происходит в нейтральных точках магнитного поля в окрестности каспов, вследствие чего возникает обращение конвекции, образующей вихри на открытых силовых линиях полярных шапок, а граниица между открытыми и замкнутыми си- ловыми линиями становится эквипотенциалью;
- при близком к радиальному направлении ММП пересоединения на линии и в нейтраль-
ной точке существуют в земной магнитосфере одновременно.
Впервые построена модель магнитосферы Юпитера, учитывающая эффекты ММП. Эти новые теоретические представления позволили внервые объяснить следующие яв-
'* ления:
- возмущения низкоширотной Н-компоненты магнитного поля на Земле, направленные
к северу ночью и к югу днем, возникающие после резкого поворота ММП к северу, сопровождающего прохождение межпланетной ударной волны;
- появление антикоротационных потоков плазмы в экваториальной предполуденной маг-
нитосфере Юпитера при южном ММП.
Разработанный подход позволил теоретически обосновать необходимость возникнове- ния NBZ-токов вблизи земных каспов при северном ММП и возможность усиления магнитного поля у магнитопаузы быстро вращающейся планеты.
Результаты исследований имеют практическое значение: они позволяют проводить анализ спутниковых и наземных данных, наблюдений, полученных на космических аппаратах вблизи Юпитера, а также осуществлять прогноз электромагнитной обстановки в околоземном космическом пространстве. В частности, непосредственную практическую ценность
10
представляет обнаружение маркера, позволяющего в ряде случаев идентифицировать маг- нитопаузу при северном ММП, когда ее положение трудно определить. Теоретическое обоснование необходимости возникновения NBZ-токов при северном ММП дает возможность прогнозирования возмущений в полярной ионосфере, оказывающих существенное влияние на прохождение радиоволн. Кроме того, приведенные в диссертации расчеты по-называют, какие магнитные возмущения на экваторе Земли следует ожидать и в течение какого времени при столкновении Земли с корональным выбросом массы, несущим северное магнитное поле. Практическое применение проведенных исследований, в частности, состоит во вкладе автора в создание трех государственных стандартов [Алексеев и др., 1984; 198ба,Ъ].
Достоверность результатов диссертации подтверждается их хорошим согласием с имеющимися экспериментальными данными и обусловлена использованием современных аналитических методов и расчетных моделей.
Содержание работы: диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.
- Во введении сформулированы тема и цели диссертации, обоснована ее актуальность, приведены результаты, выносимые на защиту, отмечены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, личный вклад автора и апробация работы.
- Первая глава посвящена исследованию структуры токового слоя дневной низкоширотной земной магнитопаузы в зависимости от направления магнитного поля солнечного ветра. Особое внимание уделяется случаю северного направления ММП, когда ситуация наиболее сложная, поскольку магнитные поля по обе стороны от подсолнечной магнитопаузы параллельны друг другу, а часто и близки по величине, что сильно затрудняет определение положения магнитопаузы. Показано, что в этом случае ионы магнитослоя и магнитосферы формируют на магнитопаузе два антипараллельных токовых слоя.
- Во второй главе рассчитано магнитосферное магнитное поле Земли для различных направлений межпланетного магнитного поля. Особое внимание уделяется вопросу о син- гулярностях магнитосферного магнитного поля, играющих ключевую роль в определении структуры магнитосферы. Подробно исследованы наиболее сложные случаи, реализуемые при одновременном существовании в магнитосфере нейтральной точки и нейтральной линии магнитного поля при близком к радиальному направлении ММП.
- В третьей главе проанализировано формирование электрических полей, конвекции и токовых систем в высокоширотной магнитосфере и ионосфере Земли в зависимости от на-
11
правления ММП. При направлении близком к радиальному в полярных шапках получена принципиально новая картина конвекции, отражающая свойства одновременно существующих в магнитосфере двух типов пересоединения (на линии и в точке). Показано, что при северном ММП возникают продольные токи зоны каспа. Эти токи были измерены на ИСЗ MAGSAT и названы NBZ-токами.
- В четвертой главе введено новое понятие о переходных крупномасштабных трехмерных токовых системах, возникающих в высокоширотной ионосфере при внезапном поворо- те ММП к северу. Оценено характерное время их существования и наземные проявления. На примере события 24 сентября 1998 г. показано, что генерируемая при резком повороте ММП к северу и одновременном скачке давления солнечного ветра переходная токовая система может быть ответственна за неожиданные высокоширотные и низкоширотные явления, наблюдаемые в это время на искусственных спутниках Земли и на наземных обсерваториях.
- В пятой главе построена модель магнитосферы Юпитера, позволяющая исследовать эффекты межпланетного магнитного поля. На базе экспериментального материала, полученного при пролетах шести космических аппаратов вблизи Юпитера, определена относительная роль униполярного индуктора и МГД-генератора солнечного ветра в возбуждении электрических полей и конвекции в юпитерианской магнитофере и ионосфере.
- В шестой главе предложен механизм генерации магнитного поля вблизи магнито-паузы быстро вращающейся планеты, обладающей сильным магнитным полем, плотной атмосферой и хорошо проводящей ионосферой, при обтекании ее потоком замагниченной плазмы. Показано, что в Солнечной системе этот механизм может быть реализован на высокоширотной магнитопаузе Юпитера, где возможно усиление поля на порядок при направлении ММП, параллельном магнитному моменту планеты.
В Заключении подведены итоги и сформулированы выводы.
На защиту выносятся результаты, полученные в работах, составляющих основу дис- сертации:
I. Построена модель токовых слоев земной низкоширотной дневной магнитопаузы, хорошо согласующаяся с наблюдениями и существующими теоретическими представлениями и описывающая взаимодействие двух сортов замагниченной бесстолкнови-тельной плазмы (магнитослоя и магнитосферы) в сильных магнитных полях. Основное внимание уделяется случаю северного ММП, когда токовую область магнитопа-
12
узы трудно идентифицировать. Получены следующие результаты:
1. Дневная магнитопауза представляет собой двойной токовый слой. Носителями токов являются ионы магнитослоя и магнитосферы. При южном ММП азимутальные токи в слоях параллельны друг другу и направлены к вечеру, при северном — антипараллельны, ток, переносимый магнитосферными ионами, меняет направление.
2. Возникновение токов на дневной магнитопаузе вызвано различием свойств плазмы и параметров магнитных полей в магнитослое и в магнитосфере Земли (это токи намагничивания).
3. При северном ММП на магнитопаузе уменьшается ^-компонента, а следовательно, и величина модуля полного магнитного поля. Это позволяет идентифицировать токовую зону земной магнитопаузы даже тогда, когда поля магнитослоя и магнитосферы близки по направлению и величине.
4. Результаты расчетов, проведенных в предложенной модели для пересечений при северном ММП исскуственным спутником Земли AMPTE/IRM дневной низкоширотной магнитопаузы 13 и 24 октября 1985 года, хорошо согласуются с наблюдениями. .'
II. В результате анализа квазистационарного взаимодействия магнитных полей солнечного ветра и земной магнитосферы построена самосогласованная структура магни-тосферного магнитного поля при различных ориентациях вектора ММП (с Ву&0).
1. Показано, что возникают различные типы пересоединения в ответ на изменение направления ММП.
2. При сильном южном ММП (когда \BZ\ ^> \ВХ\, \Ву\) одна нейтральная точка магнитного поля лежит в токовом слое дневной магнитопаузы, а другая — в токовом слое магнитосферного хвоста. Возникает двумерное пересоединение на линии, соединяющей эти точки. В целом, картина пересоединения аналогична двумерному пересоединению в модели Данжи. При северном ММП (Bz >¦ |jBx|, \ВУ\) трехмерное пересоединение происходит в двух нейтральных точках магнитного поля, расположенных в магнитосфере вблизи северного и южного кас-пов.
13
3. При направлении ММП близком к радиальному (\ВХ\ >> \ВУ\, \Вг\) два типа пересоединения магнитных полей существуют в магнитосфере одновременно: двумерное пересоединение на линии (расположенной на магнитопаузе части сепаратрисы) и трехмерное пересоединение в нейтральной точке вблизи северного каспа при Вх > 0 или вблизи южного при Вх < 0.
4. В квазистационарном случае не происходит накопления магнитных потоков, поэтому пересоединение, при котором межпланетные и замкнутые силовые линии образуют открытые силовые линии, в равновесии сбалансировано обратным процессом: образованием межпланетных и замкнутых силовых линий из открытых силовых линий двух полярных шапок.
III. Направление магнитного поля солнечного ветра контролирует электрическое поле и токи в высокоширотной земной ионосфере. В зависимости от ориентации межпланетного магнитного поля с постоянным модулем и Ву&0 рассчитано распределение электрического потенциала на открытых силовых линиях полярных шапок. Показано, что:
1. Для южного ММП (Вг < 0; \Вг\ » \ВХ\, \ВУ\) в обеих полярных шапках конвекция направлена от Солнца и пересекает границу между открытыми и замкнутыми силовыми линиями; экстремумы потенциала электрического поля расположены на этой границе утром и вечером.
2. Для северного ММП (Bz > 0; Вг » \Bx\t |??j,|) на открытых силовых линиях в обеих полярных шапках конвекция имеет вихревую структуру, не пересекает границы между открытыми и замкнутыми силовыми линиями; вблизи ионосферной проекции каспа конвекция направлена к Солнцу (так называемое, обращение конвекции), там же локализованы экстремумы электрического потенциала и сильные распределенные продольные токи (NBZ-токи).
3. Для близкого к радиальному направления ММП ионосферная конвекция на открытых силовых линиях имеет структуру, отражающую свойства двумерного и трехмерного пересоединений, существующих в магнитосфере одновременно: наряду с вихревой формой и обращением конвекции только часть границы между открытыми и замкнутыми силовыми линиями является эквипотенциалью,
14
другая часть, представляющая собой ионосферную проекцию линии пересоединения, пересекается конвективными потоками.
IV. Анализ глобальной самосогласованной конфигурации магнитосферного магнитного поля в зависимости от направления ММП позволил исследовать процесс перестройки крупномасштабных токовых систем под действием резкого изменения ориентации магнитного поля солнечного ветра и скачка динамического давления. Такие ситуации характерны для столкновения магнитосферы с корональным выбросом массы.
1. Показано, что при внезапном повороте магнитного поля солнечного ветра от горизонтального направления к северу, сопровождающем прохождение межпланетной ударной волны, возникает переходная трехмерная токовая система.
2. Оценено характерное время ее существования, определяемое временем формирования конвекции, соответствующей северному ММП, на открытых силовых линиях двух полярных шапок.
3. Показано, что магнитное поле от переходной токовой системы на низких широтах на поверхности Земли направлено к югу днем и к северу ночью.
4. Модельные расчеты, проведенные для события 24 сентября 1998 года, позволили объяснить неожиданные наблюдения возмущений низкоширотной Н-компоненты магнитного поля на наземных магнитометрах в дневные и ночные часы влиянием переходной крупномасштабной трехмерной токовой системы с продольными токами порядка нескольких миллионов Ампер. Наиболее сильные положительные возмущения Н-компоненты возникали на ночных станциях, а отрицательные на дневных. Магнитное поле переходной токовой системы превысило магнитный эффект от сжатия магнитосферы под действием скачка давления солнечного ветра на межпланетной ударной волне.
V. Построена модель магнитосферы Юпитера, позволившая исследовать влияние ММП.
Эта модель отражает основные черты юпитерианской магнитосферы: быстрое вращение и наличие мощного источника внутримагнитосферной плазмы — спутника Юпитера Ио. Для разных ориентации ММП получено распределение потенциалов электрических полей, созданных вращением Юпитера и МГД-генератором солнечного ветра.
15
1. Согласно модельным расчетам при южном ММП в экваториальной магнитосфере Юпитера возникает суперпозиция ковращения (в сердцевине магнитосферы) и антисолнечной конвекции (на флангах и в хвосте). Вечером направления ковращения и конвективного движения совпадают, утром они антипараллельны. В результате в утреннем секторе внешней магнитосферы возможно возникновение антикоротационных потоков. На открытых силовых линиях полярных шапок образуется двухвихревая структура с обращением конвекции вблизи проекции каспа.
2. Наблюдаемые утром при южном ММП на КА Ulysses антикоротационные и на- правленные от Солнца потоки в экваториальной магнитосфере Юпитера и на линиях, связанных с полярными шапками, хорошо согласуются с результатами модельных расчетов. Наличие таких потоков во время пролета Ulysses и их отсутствие при пролетах Voyagers и Pioneer 10 связано с различной ориентацией северо-южной компоненты ММП для этих случаев.
3. При северном магнитном поле солнечного ветра модельные вычисления демонстрируют в дневной и утренней экваториальной юпитерианской магнитосфере преобладание ковращения и отсутствие антикоротационных потоков, а в хвосте за квазинейтральной линией движение в антисолнечном направлении.
4. Проведенное сопоставление полученных результатов с наблюдениями показало хорошее согласие с данными космических аппаратов Pioneer 10 и Voyagers, наблюдавших при северном ММП в экваториальной плоскости юпитерианской магнитосферы ковращение до подсолнечной магнитопаузы и движение в антисолнечном направлении в хвосте при г > 150i?j (так называемый, "магнито-сферный ветер").
VI. Предложен возможный механизм генерации магнитного поля вблизи магнитопаузы быстро вращающейся планеты. Из всех планет Солнечной системы этот механизм актуален только для Юпитера.
1. Показано, что для быстро вращающейся планеты, обладающей сильным магнитным полем, плотной атмосферой и достаточно большими интегральными прово-димостями ионосферы и магнитопаузы (меньшими магнитосферной продольной
16
проводимости), для которой вращение может передаваться по открытым силовым линиям от планеты вплоть до магнитопаузы, дифференциальное вращение в тонком слое, прилегающем снаруже к магнитопаузе, может вытягивать крупномасштабное магнитное тороидальное поле из полоидального магнитного поля солнечного ветра.
2. Показано, что необходимые условия существования а-эффекта (нарушение аксиальной симметрии поля скоростей и магнитного поля и отсутствие зеркальной симметрии поля скоростей) выполняются в тонком пограничном слое, примыкающем к магнитопаузе извне, где азимутальная скорость вращения постепенно затухает. В этом слое вблизи магнитопаузы быстро вращающейся планеты создается возможность генерации полоидального поля из тороидального.
3. Межпланетное магнитное поле на высокоширотной магнитопаузе быстро вращающейся планеты может усилиться во столько раз во сколько азимутальная скорость вращения у магнитопаузы превышает альвеновскую скорость в невозмущенном потоке солнечного ветра. Для Юпитера возможно максимальное усиление магнитного поля солнечного ветра вблизи магнитопаузы примерно на порядок.
Личный вклад автора. Главные результаты диссертации получены автором лично и опубликованы без соавторов в десяти статьях в рецензируемых ведущих научных журналах (три в журнале "Геомагнетизм и Аэрономия" [Беленькая, 1993, 1998, 2003], четыре в журнале "Journal of Geophisical Research" [Belenkaya, 1993, 1996, 1998a, 2001a], одна в журнале "Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics" [Belenkaya, 1998b], одна в журнале "Astrophysics and Space Science" [Belenkaya, 2001b] и одна в журнале "International Journal of Geomagnetism and Aeronomy" [Belenkaya, 2002]) и в монографии Е. С. Беленькой "Влияние межпланетного магнитного поля на формирование магнитосферы" [Беленькая, 2002].
В работах по теме диссертации, выполненных с соавторами (И. И. Алексеевым, В. В. Калегаевым, Ю. Г. Лютовым, СЮ. Бобровниковым) все соавторы внесли равный научный вклад. Е. С. Беленькой в этих работах принадлежит постановка тех задач, которые вошли в основные положения диссертации, получение аналитических решений, отраженных в диссертации, проведение численных расчетов, приведенных в диссертации.
17 |
