Апатенков Сергей Вячеславович МК

Апатенков Сергей Вячеславович
Аннотация к отчёту по гранту Президента Российской Федерации для поддержки
молодых учёных – кандидатов наук МК-1595.2009.2 «Исследование долгоживущих
динамических плазменных структур в магнитосфере Земли по данным
многоспутниковых систем»
Целью проекта является исследовать временные последовательности (порядок),
характеристики и местоположения явлений происходящих в начале магнитосферной
суббури. Исследовать тонкие динамические границы в магнитосфере Земли.
В течение второго года работы над проектом были продолжены исследования
фронтов магнитных диполяризаций, резких возрастаний магнитного поля в плазменном
слое магнитосферы Земли. На примере исследования отдельных событий Sergeev et al.
(2009) и Runov et al. (2009) было показано, что фронт диполяризации является резкой
плазменной границей толщиной порядка ионного гирорадиуса (<1000км) и разделяет две
различных популяции плазмы, невозмущенную плотную и холодную с разреженной и
ускоренной, следующей вслед за фронтом. Эта граница может наблюдаться в течение
более трех минут, распространяясь по направлении к Земле от 20 до 11 земных радиусов
(Re) со скоростью порядка 300км/с.
В связи с уникальной конфигурацией трех ближайших к Земле спутников THEMIS
(зондов A, D и E) в сезоне 2008, когда около апогея спутники были разнесены в
экваториальной плоскости на 1-2 Re, было возможно провести статистическое
исследование этих резких плазменных границ с акцентом на геометрию и структуру
фронта, а также свойства и скорости распространения. В итоге было обработано более 100
событий диполяризаций расположенных на радиальных расстояниях от 7 до 12 Re, в так
называемой области торможения потоков, где вытянутое поле плазменного слоя
становится квазидипольным, с большей магнитудой.
Результаты работы были представленны на 10й Междунорадной Конференции по
Суббурям (Apatenkov et al. 2010). Было показано, что фронты диполяризации
представляют собой вертикальный токовые слои (в отличие от номинального положения
слоя около плоскости эклиптики), толщина которых принимает значения в пределах 2002000км. Сравнение нормалей к фронтам, определенных методом анализа минимальной
вариации магнитного поля, с нормалями, полученными в предположениии, что граница
является тангенциальным разрывом в плазме, показало хорошее согласие (70% событий
имели расхождение < 20 градусов). В то время как предположения о природе фронта как
ударной волны не оправдались. Этот результат статистически подверждает
предположения о фронте диполяризации как тангенциальном разрыве, сделанные в
прошлой работе Sergeev at al. (2009).
Оценки скоростей распространения фронтов, методом таймирования, по временной
задержке наблюдений на радиально разнесенных спутниках, дали значения от 50 до 500
км/с с медианой 175 км/с на всем диапазоне расстояний от 7 до 12 Re. Сравнения ионных
скоростей непосредственно перед фронтом на парах спутников показали замедление с
приближением к Земле. Также отмечена значительная азимутальная компонента скорости,
относительный вклад которой растет с уменьшением радиального расстояния – это
является экпериментальным подтверждением торможения и разворота плазменных
потоков в азимутальном направлении при входе в область сильного магнитного поля.
До сих пор был не разрешен вопрос о возможности долгого существования и
движения отдельных плазменных структур к Земле. Результаты 3D МГД моделирования
Birn et al. (2004) показывали, что необходимым параметром для продвижения к Земле для
элемента плазмы является пониженная энтропия, а, например, значительной начальной
скорости (несколько сот км/с) для продолжительного движения недостаточно. Этот факт
был подвержден экспериментально в нашей работе, Dubyagin et al. (2010), опять же
статистически для магнитных диполяризаций, было показано, что у движущейся к Земле
новой плазмы за фронтом энтропия ниже, чем у плазменных трубок перед границей.
Обзор результатов, полученных нашей группой в последние годы, опыта и
методик, проверенных на основе многоспутниковых измерений, проектов Cluster и
Themis, был представлен на конференции, посвещенной отечественному проекту
РЕЗОНАНС, четырехспутниковой системы для изучения внутренней магнитосферы,
планируемой к запуску в 2014 году.
Публикации:
Pressure and entropy changes in the flow braking region during magnetic field dipolarization, S. Dubyagin, V.
Sergeev, S. Apatenkov, V. Angelopoulos, R. Nakamura, J. McFadden, D. Larson, and J. Bonnell (2010), J.
Geophys. Res., 115, A10225, doi:10.1029/2010JA015625
Выступления на конференция и семинарах:
Statistical multispacecraft study of dipolarization fronts in the near-earth plasma sheet
S.V. Apatenkov, V.S. Sergeev, V. Angelopoulos, R. Nakamura, J.P. McFadden, D. Larson, J. Bonnell, 10th
International Conference on Substorms, March 21-26, 2010, San Luis Obispo, California, USA
Energetic particle injections and magnetic dipolarizations in the near-Earth plasma sheet. Cluster and Themis
experience, S. Apatenkov, V. Sergeev, S. Dubyagin, R. Nakamura, V. Angelopoulos, Международная
конференция «Физика внутренней магнитосферы и авроральной области: актуальные задачи и методы их
решения. Проект РЕЗОНАНС», 01-05 июня, 2010, ИКИ, Москва, Россия.
Substorm current system as viewed from observations in the magnetotail lobes,
Smirnov, M.V., Sergeev, V.A., Tsyganenko, N.A., Apatenkov, S.V., International Conference “Problems of
Geocosmos 2010”, September 20-24, 2010, St. Petersburg, Russia.