Р. Лукьянова, А. Козловский, Ф. Христиансен

АСИММЕТРИЧНЫЕ СТРУКТУРЫ ПРОДОЛЬНЫХ ТОКОВ И КОНВЕКЦИИ

ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ, КОНТРОЛИРУЕМЫЕ АЗИМУТАЛЬНОЙ

КОМПОНЕНТОЙ ММП И СЕЗОНОМ ГОДА

Р. Лукьянова*, А. Козловский**, Ф. Христиансен***

* Арктический и антарктический научно-исследовательский институт

** Геофизическая обсерватория Соданкюля

*** Датский национальный космический центр, ДТУ

«Физика плазмы в солнечной системе», ИКИ РАН, Москва, 08-12/02/2010

Асимметрия в распределении электрических полей и токов в ионосфере северного и южного полушарий обусловлена следующими основными факторами:

- Проводимость ионосферы (сезонная и суточная вариация солнечного УФ из-за изменения солнечного зентного угла) - Продольные токи (BY компонента ММП) - Другие дополнительные факторы: положение полярной шапки, высыпания, развитие суббурь и т.п.

Комбинация различных факторов влияет на картины конвекции, которые в реальности не являются зеркальными отображениями друг друга в противоположных полушариях


Interhemispheric Conjugacy Effects inSolar-Terrestrial and Aeronomy Research

Задача: Из полных «реально наблюдаемых» картин ПТ и конвекции вычленить элементарные структуры, контролируемые BY ММП в различные сезоны года. Какова их форма? Количественные характеристики?

Метод: Декомпозиция полных систем на элементы, каждый из которых обусловлен своим собственным ММП-«драйвером»

P± = Dvs + Dvs + DZ + δDY±

P – полная система конвекции (P+, если BY>0; P-, если BY<0)Dvs – элемент, обусловленный квази-вязким взаимодействиемDvs – пересоединение на флангах при BY≠0 DZ – пересоединение c ВZ ММПδDY - элемент, обусловленный межполушарной разностью потенциалов, создаваемой BY ММП в области открытых силовых линий

Данные и инструменты: Статистические карты ПТ, полученные по данным над-ионосферных измерений магнитного поля низкоорбитальными спутниками Orsted, Magsat and CHAMP (Papitasvili et al., 2002); Двухполушарная модель конвекции (Lukianova and Christiansen, 2006)


Статистические карты ПТ

Северное полушарие (зима) Южное полушарие (лето)

BT=5 nT

РазрешениеРазрешение:: по ММП ΔΔBBT T = 1 nT 0 = 1 nT 0 ≤ ≤ BBTT ≤ 10 nT ≤ 10 nT по времени 1 1 деньдень

Определены отдельно для северной и южной высокоширотных областей Определены отдельно для северной и южной высокоширотных областей в различные сезоны года. в различные сезоны года.

Направление BZ и BY ММП


Модель глобального (N+S) распределения ионосферного электрического поля

Входные параметры: карты ПТ в N и S полушариях; карты проводимости в N и S полушариях (УФ и высыпания по Hardy et al.Hardy et al. [1987] [1987]))

МетодМетод: Численное решение : Численное решение div J = jпрод и граничные условия связи противоположных шапок (открытые линии) и средних широт (закрытые эквипотенциальные линии); Сетка с шагом Сетка с шагом θθ~1° ~1° φφ~7°~7°

No

rth

ern

H

em

FAC Conductivity Ionospheric el field

INPUT: (BZ, BY, Kp, F10.7, DOY, UT)

So

uth

ern

H

em

OUTPUT

div J = FAC

NUMERICALSCHEME

=+


ESW = –VSW BIMF Разность потенциалов между противоположными полярными шапками

Эффект BY ММП

ПТ в (из) ионосферы в СВ и межполушарные ПТ; Течение плазмы вокруг полюса в противоположныхнаправлениях для BY± – асимметричные структуры

Пересоединение на флангах: Эл. поле утро-вечер

Течение через ПШ в антисолнечномнаправлении – одинаково для BY±


#2

#1

Выделение асимметричных элементов

• Декомпозиция распределений ПТ и эл. потенциала

P± = Dvs + DY0 + DZ + δDY±

• Получение «дифференциальных диаграмм», т.е. разности распределений для BY- и BY+, т.е. двойной эффект #2 δY = (P+) – (P-) ≈ (δDY+) - (δDY-)

Ляцкий 1978«Токовые системы…»DY ± = DY0 + δDY±


Продольные токи Дифференциальные диаграммы [BY+] – [BY-] для двух полушарий и разных

сезонов при BZ+ и BZ-

+0.15- 0.40

+0.10- 0.15

+0.45-1.00

+0.35- 0.10

+0.95- 0.35

+0.10- 0.10

N o

r t

h

H e

mS

o u

t h

H

e m

Equinox

Equinox

W inter

W interSummer

Summer SummerW inter

W interSummer

Equinox

Equinox

S o

u t

h

H e

mN

o r

t h

H

e m

+0.20-0.35

+0.35- 0.20

+0.15- 0.15

+0.70- 0.45

+0.65- 0.40

+0.15- 0.15

BZ+ BZ-

Три типа структур ПТ: (1) Круг около полюса, смещенный к полудню и серп противоположной полярности на дневной

стороне (лето и равноденствие, BZ+)(2) Два параллельных слоя на дневной стороне (лето и равноденствие, BZ–) (3) Слабо структуированные системы: круг на полуденном меридиане около полюса и серп на

утренней стороне (зима, BZ– и BZ+)


Качественная модель распределения ПТ, обусловленных BY ММП

«Более реалистичное» распределение: Проводимость ионосферы больше на дневной стороне –

все сдвигается в направлении к Солнцу и межполушарный ПТ концентрируется на дневной стороне

При BZ+ ПШ больше, а при BZ– меньше.


«Идеальное» распределение: BY ММП генерирует эл. поле север-юг – круговой ПТ у полюса, его окружает межполушарный ПТ.

Конвекция: Дифференциальные диаграммы [BY+] – [BY-] для двух полушарий и разных сезонов

•В равноденствие: в обоих полушариях круговые вихри у полюса, чуть сдвинутые на утреннюю сторону •Летом: Более мощные вокруг-полюсные вихри •Зимой: Квази-двухвихревая структура (может быть сдвиг ПШ, связанный с BY; или проводимость на ночной стороне зимой)


- 3 3+ 1 0

- 3 1+ 2 5

- 5 0 0

+ 4 7 0

+ 3 0 0

+ 3 6 - 3 0

Equinox Winter

Winter

Summer

Summer

N o

r t

h

H e

mS

o u

t h

H

e m

Equinox

dU =5 kV

(i) (ii) (iii)

BZ+

Конвекция: Дифференциальные диаграммы [BY+] – [BY-] для двух

полушарий и разных сезонов

N o

r t

h

H e

mS

o u

t h

H

e m

dU=5 kV

- 4 6+ 1 0

- 4 8 + 3 3

-45 +5

+43 -10

+45-10

+50-40

Summer

Winter

Winter

Summer

Equinox

Equinox

(i) (ii) (iii)

dU=10 kV

BZ+


Выделение асимметричных BY-структур из картин конвекции SuperDARN Отбор событий: (1) хорошее покрытие; (2) стабильное ММП,при этом BZ не меняет знака, а BY+/-

Пример: October 13, 2000 12:30 – 20:00 UT BZ ~ 012:30 – 15:30 BY ~ - 8 nT15:30 – 20:00 BY ~ +10 nT

14:30 UT, N, BY+18:30 UT, N, BY-

+50 kV

=-

-20 kV


Дифференциальная диаграмма [BY+] – [BY-]

Соотношение между значением потенциала в центре приполюсного вихря Up [kВ] и величиной ВY ММП [nT]

Up ≈ 5 ∙ BY для зимы и равноденствия Up ≈ 7 ∙ BY для зимы при BZ+. Up ≈ 6.5 ∙ BY для всех сезонов при BZ-


Выводы• По статистическим картам продольных токов, созданным на базе над-

ионосферных спутниковых измерений магнитного поля, а также по рассчитанным по этим картам системам конвекции выделен асимметричный эффект азимутальной компоненты ММП в двух полушариях в различные сезоны.

• Получено, что для условий лета и равноденствия в обоих полушариях ПТ сосредоточен у полюса в области почти круговой формы, а ПТ противоположного знака, подковообразно вытянутый вдоль широты, расположен на дневной стороне на более низких широтах.

• В системе конвекции летом и в равноденствие вокруг полюса, но с некоторым смещением в предполуденный сектор, развивается интенсивный вихрь, контролируемый BY. В северной и южной шапках плазма вращается в противоположных направлениях.

• В среднем, изменение интенсивности BY ММП на 1 нТл изменяет потенциал в центральной части полярной шапки (Up) на 6 кВ.


Р. Лукьянова*, А. Козловский**, Ф. Христиансен***

Documents

Р. Лукьянова, А. Козловский, Ф. Христиансен