Формирование и распад пояса кольцевого тока

Характерной чертой, и даже определением наличия магнитной бури, является формирование “пояса кольцевого тока” – квазизахваченных частиц в диапазоне от единиц до сотен кэв на средних широтах, диамагнетизм которых вызывает понижение магнитного поля на низких широтах от нескольких десятков до иногда нескольких сотен нТ (т.е. вплоть до нескольких процентов от общего геомагнитного поля Земли для больших магнитных бурь). При этом амплитуда вариаций геомагнитного поля в авроральном овале обычно на порядок и более выше.

До сих пор, несмотря на многочисленные усилия, картина и природа нижекции/ускорения энергичных частиц на квазизахваченные траектории вплоть до магнитных оболочек плазмопаузы и даже глубже остается неясной. Динамика инжектированных частиц, формирование пояса кольцевого тока, эффекты экранирования внутренней магнитосферы от внешних электрических полей неоднократно моделировались. Однако все эти модели инжекции/ускорения сильно зависят от начальных условий, определяемых механизмом (или механизмами) инжекции/ускорения частиц на среднеширотные магнитные оболочки, а потому не являются обоснованными.

Одна из основных трудностей при этом – отсутствие одновременных измерений инжектируемых частиц как в экваториальной плоскости (где согласно существующим моделям в основном и происходит инжекция/ускорение), и на средних широтах, куда опускаются лишь частицы с меньшими питч/углами. Таким образом, кинетический аспект проблемы первичной инжекции/ускорения и последующего распространения ускоренных частиц вдоль и поперек магнитного поля требует одновременных измерений заряженных частиц в широком диапазоне энергий в той же силовой трубке как в экваториальной плоскости, так и на средних широтах, измерений альвеновских, магнитозвуковых и других типов волн в магнитосферной плазме и, конечно, сопоставления с одновременными измерениями с других спутников и с наземных обсерваторий.

Двухспутниковые измерения таких эффектов в ходе изолированных суббурь и в условиях продолжающихся возмущений на выбранных орбитах спутников РЕЗОНАНС имеют достаточно высокую вероятность, так что можно ожидать хорошей статистики случаев. Однако вероятность попадания спутников непосредственно в область инжекции/ускорения во время значительных магнитных бурь существенно меньше, поэтому хотя важность и ценность измерений во время даже одного такого события была бы исключительно велика, это нельзя причислить к основным целям измерений проекта.

Другой стороной проблемы кольцевого тока является идентификация механизмов его распада. Первая стадия распада является весьма быстрой – она занимает всего несколько часов, за время которых общая энергия инжектированных частиц (точнее говоря, магнитный эффект бури, описываемой Dst вариацией на низких широтах) уменьшается на десятки процентов. Интерпретация этой стадии остается дискуссионной: есть модели, согласно которым определяющую роль при этом играет перезарядка энергичных ионов О⁺ (Kozura et.al, 1997), однако они опираются на весьма неполные измерения таких ионов, в то время как согласно другим моделям (Фельдштейн и др. 2000) наблюдаемое уменьшение Dst обусловлено главным образом понижением крупномасштабного тока поперек хвоста магнитосферы. Для решения этой проблемы необходимы измерения частиц кольцевого тока одновременно на различных высотах – в экваториальной плоскости, где плотность нейтральных атомов водорода и, соответственно, вероятность перезарядки частиц кольцевого тока минимальны, и на заметно меньших высотах, где процессы перезарядки значительно более эффективны, и уменьшение интенсивности частиц кольцевого тока идет весьма быстро. Здесь орбиты, выбранные для спутников проекта РЕЗОНАНС, оказываются идеальными.