Aktywność magnetosfery i zaburzenia w wietrze słonecznym.

Transkrypt

1 Aktywność magnetosfery i zaburzenia w wietrze słonecznym. Piotr Koperski Obserwatorium Astronomiczne (Zakład Fizyki Wsokich Energii) Uniwersytet Jagielloński, Kraków 1

2 Zagadnienia Zródła i charakterystyka zmienności plazmy okołoziemskiej; Struktura magnetosfery; Elementy oddziaływania magnetosfery z wiatrem słonecznym; Wybrane obserwacje związków magnetosfera - wiatr słoneczny; Korelacje parametrów- niektóre nowe wyniki; Co z tego rozumiemy (a czego nie); 2

3 Ostatecznym źródłem aktywności magnetosfery jest Słońce. Nie interesują nas tutaj: Wpływ bezpośredni promieniowanie ( stały, wolnozmienny poziom plus zaburzenia : rozbłyski, dziury koronalne, rekonekcja itd.). Wpływ pośredni - poprzez wiatr słoneczny. Zaburzenia w wietrze słonecznym- źródła: niejednorodność i niestacjonarność (na Słońcu oraz w wietrze słonecznym). charakter turbulencji w wietrze słonecznym, struktura gwałtownych zjawisk : wyrzutów masy koronalnej(cme) lub fal uderzeniowych w wietrze słonecznym (CIR). 3

4 Zmienność Słońca Słońce w minimum- i w maksimum aktywności (widok z lewej). Słońce w okresie aktywności i poza nim (film_1). Petle w koronie sloneczne (film_2). Wyrzuty masy koronalnej, 11/2003- Helloween Magnetic Storm (satelita SOHO) (film_3). Zorza polarna podczas burzy magnetycznej 11/stycznia/1998 (ultrafiolet, satelita POLAR) (film_4). 4

5 Co wpływa na obserwowaną zmienność własności plazmy okołoziemskiej Zmienność źródła (Słońce) Wewnętrzna dynamika wiatru słonecznego Oddziaływanie z przeszkodą (magnetosfera) Wewnętrzna dynamika magnetosfery i sprzężenia z jonosferą 5

6 Wiatr Słoneczny (w okolicach Ziemi): Parametr: wartość typowa(min max): 3 (1 100) Prędkość średnia [km/s] 400 ( ) Gęstość [1/cm^3] 6.5 ( ) Strumień [1/(cm^2 s)] pole B [nt] 6 ( ) Hel [%] 5 (0 25 ) Ciśnienie [npa] 2.4 (0+ 50) (w punkcie podsłonecznym) 6

7 Typowe obiekty- magnetosfery planet namagnesowanych. 7

8 Schemat oddziaływania magnetosfery z wiatrem słonecznym (Chapman, Ferraro, 1931) fala uderzeniowa kierunek do Słońca magnetopauza wiatr słoneczny 8

9 Odkształcenie ziemskiego pola magnetycznego (w porównaniu z pierwotnym dipolem) na skutek oddziaływania wiatru słonecznego wiatr słoneczny 9

10 Schemat oddziaływania magnetosfery z wiatrem slonecznym (J. Dungey, ok. 1961). Rekonekcja linii pola magnetycznego w wietrze słonecznym i pola ziemskiego (z lewej) oraz wynikająca stąd konwekcja plazmy w magnetosferze (nie pokazana) i w jonosferze (z prawej). 10

11 Konwekcja plazmy w magnetosferze (wskutek oddziaływaniem z wiatrem słonecznym) generuje prądy podłużne płynące do/z jonosfery. (McPherron, 2005, GEM) 11

12 Sprzężenie magnetosfera- jonosfera poprzez prądy podłużne 12

13 Zorza polarna- wynik (przede wszystkim) pobudzania przez magnetosferyczne elektrony (a czasem- jony). 13

14 Schemat magnetosfery ziemskiej (z zaznaczonymi wartościami prądów). 14

15 Schemat (uproszczony!) przepływu energii w systemie: wiatr słoneczny + magnetosfera + jonosfera 15

16 Pytania: Co to jest aktywność magnetosfery? Jak ją określać ilościowo? parametry fizyczne (które?) globalne indeksy aktywności (jakie?) Jak określać zaburzenia w wietrze słonecznym? parametry fizyczne (które?) zależności funkcyjne Jak stwierdzić czy/jak zależą one od siebie? 16

17 Przykład dynamiki magnetosfery (Od góry): 1. Rozerwanie warstwy prądowej w ogonie magnetosfery w czasie subburzy (i towarzysząca temu rekonfiguracja pola magnetycznego po stronie nocnej) (P.K., wg. Takahashi). 2. Injekcja gorącej plazmy w stronę ziemi (związana z rekonekcją) (G. Reeves). 17

18 Przykład dynamiki magnetosfery i jonosfery: (Rostoker et al., 1998) strumień relatywistycznych elektronów na orbicie geostacjonarnej (zewnętrzna część pasów radiacyjnych) oraz pole magnetyczne w rejornie zorzowym na powierzchni ziemi. 18

19 Przykład dynamiki magnetosferyzmienność pasów radiacyjnych. (Thorne, 2007) 19

20 Globalne indeksy aktywności magnetosfery / jonosfery: rodzina AE: aktywność prądu horyzontalnego w jonosferze strefy zorzowej, Dst: intensywność prądu pierścieniowego; Kp : zaburzenia magnetyczne na średnich szerokościach; Ion precipitation isotropic boundary ( b2i, dane z DMSP)- określa stopień wyciągnięcia magnetosfery po stronie nocnej (a więc pośredniopoziom energii zgromadzonej w wielkosklowej konfiguracji pola B) Intensywność świecenia owalu zorzowego (z danych satelity Polar)...(wiele innych). Problemy z indeksami aktywności: nie zawsze dostępne; parametryzują zjawiska tylko w ograniczonym zakresie ; który indeks wybrać?... 20

21 Pytanie: jaki rodzaj aktywności magnetosfery odpowiada zmienności wiatru słonecznego? Parametry wiatru słonecznego: ciśnienie; składowa z pola magnetycznego; składowa y pola elektrycznego. Wskaźniki aktywności magnetosfery: intensywność prądów zorzowych; intensywność prądu pierscieniowego. 21

22 Opis oddziaływania wiatru słonecznego z magnetosferą: Wiele parametrów: Bz określa możliwość rekonekcji na czole magnetosfery; Ey związany z możliwością rekonekcji, ciśnieniem dynamicznym wiatru słonecznego itd; Btot - określa strumień magnetyczny przekazywany do magnetosfery; p - ciśnienie wywierane przez wiatr słoneczny. n - związany z ciśnieniem dynamicznym wiatru słonecznego itd.; v związany z ciśnieniem dynamicznym, przekazem strumienia magnetycznego itd.; epsilon (Akasofu, Perraut 1978) określa energię przekazywaną z wiatru słonecznego; r = rekonekcyjny transfer strumienia magnetycznego (nowy parametr): (np. P. Newell, JGR 2007) 22

23 Przykład: zmienność parametrów wiatru słonecznego i warstwy plazmowej. (J. Borovsky, 2005) 23

24 Przykład: zmienność parametrów wiatru słonecznego i warstwy plazmowej. (J. Borovsky, 2005) 24

25 Przykład zależności od wiatru słonecznego. (Goldstein, 2006) Kształt i rozmiar plazmosfery (u góry) i pole magnetyczne wiatru słonecznego. 25

26 Przykład zależności od własności wiatru słonecznego. Zmienność plazmosfery i pasów radiacyjnych podczas burzy magnetycznej 26

27 Przykład zależności od własności wiatru słonecznego. Zasięg pasów radiacyjnych a prędkość wiatru słonecznego i aktywność Słońca 27

28 Przykład związków z wiatrem słonecznym. (Thorne 2007) 28

29 Przykład związków z wiatrem słonecznym. Widmo pulsacji pola magnetycznego w magnetosferze (orbita geostacjonarna) i w wietrze słonecznym (Kepko, Kivelson). 29

30 Korelacja 20 wybranych funkcji parametryzujących oddziaływanie wiatru słonecznego z magnetosferą oraz 10 wybranych indeksów aktywności. (Newell, 2007) 30

31 Przykład powyższych korelacji (Newell, 2007) 31

32 Wyniki powyższych korelacje : (Newell, 2007) Bardzo duże zbiory danych (2 cykle słoneczne, miliony pomiarów, stosunkowo długie przedziały danych- niewielkie fluktuacje), pomiary satelitarne i naziemne. Spośród 10 róznych parametrów aktywności magnetosfery, prawie wszystkie (za wyjątkiem Dst) wyraźnie najlepiej korelowały z r (wspolczynnik korelacji około 0.8) Dst najlepiej korelował z wielkością: r razy pierwiastek z ciśnienia. W wiekszości parametrów nie jest potrzebna akumulacja (sumaryczny efekt całkowania po czasie). Jedynie dla Dst- wyrażnie długi (72 poprzednie wartości). Wniosek 1: (jeden z kilku): rekonekcja jest najważniejsza. Wniosek 2: są niejasności odnośnie wewnętrznej dynamiki magnetosfery. 32