Цель работы

Целью данной работы является изучение экстремальных значений магнитосферных параметров солнечного ветра и их влияния на магнитосферу Земли. Для этого необходимо исследовать сами параметры солнечного ветра, а для того, чтобы ответить на вопрос о том, какое влияние они оказывают на магнитосферу использовалась модель TS05.

Данные

Параметры солнечного ветра

В работе использовались данные OMNI дополненные параметрами модели TS05 c 1995 по 2009 год, усреднённые за 5 минут, файлы с которыми выложены на сайте geo.phys.spbu.ru.

Экстремальные значения параметров

По данным солнечного ветра были построены гистограммы. По горизонтальной оси отложены значения величины, по вертикальной оси количество данных попадающее в данный диапазон. Количество измерений показывается в линейном и логарифмическом масштабе для одной и той же величины.

Так же в гистограммах отмечены экстремальные значения, которые считались следующим образом: измерения были отсортированы по величине, по количеству измерений мы определяли номер N измерений, который бы составлял 0.1% от общего количества измерений, далее мы брали N-ое измерение по счёту отсчитывая от самых низких значений и N-ое от самых высоких, значение величины соответствующее этому измерению выводится в каждой гистограмме как "extreme values" показывающее экстремально низкое и экстремально высокое значение данной величины

Таким образом из данных гистограмм можно, например, увидеть, что распределение Z компоненты магнитного поля солнечного ветра симметрично относительно нуля и имеет максимум в нуле. В то время как Y компонента имеет "провал" в нуле. Так же в распределении скорости видно, что распределение является двухмодовым, с локальным максимумом отвечающим за быстрый солнечный ветер.

Данные усреднённые за 5 минут

  • Распределение 5min значений Bz компоненты межпланетного поля
    Распределение 5min значений Bz компоненты межпланетного поля
  • Распределение 5min значений индекса SYM-H
    Распределение 5min значений индекса SYM-H
  • Распределение 5min значений давления плазмы
    Распределение 5min значений давления плазмы
  • Распределение 5min значений скорости солнечного ветра
    Распределение 5min значений скорости солнечного ветра
  • Распределение 5min значений By компоненты межпланетного поля
    Распределение 5min значений By компоненты межпланетного поля
  • Распределение 5min значений плотности плазмы
    Распределение 5min значений плотности плазмы
  • Распределение 5min значений параметра W1 модели TS05
    Распределение 5min значений параметра W1 модели TS05
  • Распределение 5min значений параметра W2 модели TS05
    Распределение 5min значений параметра W2 модели TS05
  • Распределение 5min значений параметра W3 модели TS05
    Распределение 5min значений параметра W3 модели TS05
  • Распределение 5min значений параметра W4 модели TS05
    Распределение 5min значений параметра W4 модели TS05
  • Распределение 5min значений параметра W5 модели TS05
    Распределение 5min значений параметра W5 модели TS05
  • Распределение 5min значений параметра W6 модели TS05
    Распределение 5min значений параметра W6 модели TS05

Данные усреднённые за 1 час

  • Распределение 1hr значений Bz компоненты межпланетного поля
    Распределение 1hr значений Bz компоненты межпланетного поля
  • Распределение 1hr значений индекса SYM-H
    Распределение 1hr значений индекса SYM-H
  • Распределение 1hr значений давления плазмы
    Распределение 1hr значений давления плазмы
  • Распределение 1hr значений скорости солнечного ветра
    Распределение 1hr значений скорости солнечного ветра
  • Распределение 1hr значений By компоненты межпланетного поля
    Распределение 1hr значений By компоненты межпланетного поля
  • Распределение 1hr значений плотности плазмы
    Распределение 1hr значений плотности плазмы
  • Распределение 1hr значений параметра W1 модели TS05
    Распределение 1hr значений параметра W1 модели TS05
  • Распределение 1hr значений параметра W2 модели TS05
    Распределение 1hr значений параметра W2 модели TS05
  • Распределение 1hr значений параметра W3 модели TS05
    Распределение 1hr значений параметра W3 модели TS05
  • Распределение 1hr значений параметра W4 модели TS05
    Распределение 1hr значений параметра W4 модели TS05
  • Распределение 1hr значений параметра W5 модели TS05
    Распределение 1hr значений параметра W5 модели TS05
  • Распределение 1hr значений параметра W6 модели TS05
    Распределение 1hr значений параметра W6 модели TS05

Модель TS05 при экстремальных условиях

Входные параметры модели

Модель TS05 фактически является функцией от X, Y, Z, ψ (Psi), Pdyn, Dst, By(IMF), Bz(IMF), W1-W6 и возвращает векторное значение поля Bx, By, Bz. Где X, Y, Z — координаты точки в радиусах Земли (Re); ψ (Psi) — угол наклона магнитного диполя (geodipole tilt angle) в радианах; Pdyn — динамическое давление плазмы в нанопаскалях (nPa); Dst — значение Dst индекса в нанотеслах (nT); By(IMF), Bz(IMF) — значения магнитного поля солнечного ветра в нанотеслах (nT); W1-W6 — специальные параметры испльзуемые для характеристики бурь, более подробно описанные в статье N. A. Tsyganenko and M. I. Sitnov, Modeling the dynamics of the inner magnetosphere during strong geomagnetic storms; Bx, By, Bz — значения магнитного поля внешних источников (поле внутренних источников Земли не учитывается) в точке с координатами (X,Y,Z) при данных значениях параметров.

Чтобы задать параметры модели при различных экстремальных условиях делалось следующее:

  • ψ (Psi) задавалась равным 0 градусов, что соответствует весеннему или осеннему равноденствию.
  • Вместо значений индекса Dst подставлялись значения индекса SYM-H.
  • Используя анализ данных из предыдущей главы определялись экстремальные значения параметров и из полного набора данных создавались наборы измерений при которых значения были больше максимального и меньше минимального. Другими словами выбрав, например, в качестве минимального значения динамического давления 0.12 nPa мы отбирали реальные данные солнечного ветра (все параметры, включая индексы W1-W6), когда давление было равно или ниже, чем это значение).
  • Теперь усреднив данные наборы параметров мы получаем "среднюю" модель при, например, экстремально низких давлениях, или экстремально высоких значениях скорости солнечного ветра.

Параметры солнечного ветра при экстремальных условиях

Таким образом были отобраны наборы данных для различных экстремальных случаев. Далее представлены гистограммы отражающие распределения данных в каждом конкретном случае, с указанием среднего значения каждой величины, которая в конечном итоге были использована при построении модели.

Так например можно увидеть какие значения в случае высокого значения динамического давления принимали индекс SYM-H или индекс-W6 модели TS05.

Низкие значения динамического давления

  • Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
    Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений индекса SYM-H
    Распределение значений индекса SYM-H
  • Распределение значений давления плазмы
    Распределение значений давления плазмы
  • Распределение значений скорости солнечного ветра
    Распределение значений скорости солнечного ветра
  • Распределение значений By компоненты межпланетного поля
    Распределение значений By компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений плотности плазмы
    Распределение значений плотности плазмы
  • Распределение значений параметра W1 модели TS05
    Распределение значений параметра W1 модели TS05
  • Распределение значений параметра W2 модели TS05
    Распределение значений параметра W2 модели TS05
  • Распределение значений параметра W3 модели TS05
    Распределение значений параметра W3 модели TS05
  • Распределение значений параметра W4 модели TS05
    Распределение значений параметра W4 модели TS05
  • Распределение значений параметра W5 модели TS05
    Распределение значений параметра W5 модели TS05
  • Распределение значений параметра W6 модели TS05
    Распределение значений параметра W6 модели TS05

Высокие значения динамического давления

  • Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
    Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений индекса SYM-H
    Распределение значений индекса SYM-H
  • Распределение значений давления плазмы
    Распределение значений давления плазмы
  • Распределение значений скорости солнечного ветра
    Распределение значений скорости солнечного ветра
  • Распределение значений By компоненты межпланетного поля
    Распределение значений By компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений плотности плазмы
    Распределение значений плотности плазмы
  • Распределение значений параметра W1 модели TS05
    Распределение значений параметра W1 модели TS05
  • Распределение значений параметра W2 модели TS05
    Распределение значений параметра W2 модели TS05
  • Распределение значений параметра W3 модели TS05
    Распределение значений параметра W3 модели TS05
  • Распределение значений параметра W4 модели TS05
    Распределение значений параметра W4 модели TS05
  • Распределение значений параметра W5 модели TS05
    Распределение значений параметра W5 модели TS05
  • Распределение значений параметра W6 модели TS05
    Распределение значений параметра W6 модели TS05

Низкие значения индекса SYM-H

  • Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
    Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений индекса SYM-H
    Распределение значений индекса SYM-H
  • Распределение значений давления плазмы
    Распределение значений давления плазмы
  • Распределение значений скорости солнечного ветра
    Распределение значений скорости солнечного ветра
  • Распределение значений By компоненты межпланетного поля
    Распределение значений By компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений плотности плазмы
    Распределение значений плотности плазмы
  • Распределение значений параметра W1 модели TS05
    Распределение значений параметра W1 модели TS05
  • Распределение значений параметра W2 модели TS05
    Распределение значений параметра W2 модели TS05
  • Распределение значений параметра W3 модели TS05
    Распределение значений параметра W3 модели TS05
  • Распределение значений параметра W4 модели TS05
    Распределение значений параметра W4 модели TS05
  • Распределение значений параметра W5 модели TS05
    Распределение значений параметра W5 модели TS05
  • Распределение значений параметра W6 модели TS05
    Распределение значений параметра W6 модели TS05

Высокие значения индекса SYM-H

  • Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
    Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений индекса SYM-H
    Распределение значений индекса SYM-H
  • Распределение значений давления плазмы
    Распределение значений давления плазмы
  • Распределение значений скорости солнечного ветра
    Распределение значений скорости солнечного ветра
  • Распределение значений By компоненты межпланетного поля
    Распределение значений By компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений плотности плазмы
    Распределение значений плотности плазмы
  • Распределение значений параметра W1 модели TS05
    Распределение значений параметра W1 модели TS05
  • Распределение значений параметра W2 модели TS05
    Распределение значений параметра W2 модели TS05
  • Распределение значений параметра W3 модели TS05
    Распределение значений параметра W3 модели TS05
  • Распределение значений параметра W4 модели TS05
    Распределение значений параметра W4 модели TS05
  • Распределение значений параметра W5 модели TS05
    Распределение значений параметра W5 модели TS05
  • Распределение значений параметра W6 модели TS05
    Распределение значений параметра W6 модели TS05

Низкие значения By-компоненты межпланетного магнитного поля

  • Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
    Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений индекса SYM-H
    Распределение значений индекса SYM-H
  • Распределение значений давления плазмы
    Распределение значений давления плазмы
  • Распределение значений скорости солнечного ветра
    Распределение значений скорости солнечного ветра
  • Распределение значений By компоненты межпланетного поля
    Распределение значений By компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений плотности плазмы
    Распределение значений плотности плазмы
  • Распределение значений параметра W1 модели TS05
    Распределение значений параметра W1 модели TS05
  • Распределение значений параметра W2 модели TS05
    Распределение значений параметра W2 модели TS05
  • Распределение значений параметра W3 модели TS05
    Распределение значений параметра W3 модели TS05
  • Распределение значений параметра W4 модели TS05
    Распределение значений параметра W4 модели TS05
  • Распределение значений параметра W5 модели TS05
    Распределение значений параметра W5 модели TS05
  • Распределение значений параметра W6 модели TS05
    Распределение значений параметра W6 модели TS05

Высокие значения By-компоненты межпланетного магнитного поля

  • Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
    Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений индекса SYM-H
    Распределение значений индекса SYM-H
  • Распределение значений давления плазмы
    Распределение значений давления плазмы
  • Распределение значений скорости солнечного ветра
    Распределение значений скорости солнечного ветра
  • Распределение значений By компоненты межпланетного поля
    Распределение значений By компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений плотности плазмы
    Распределение значений плотности плазмы
  • Распределение значений параметра W1 модели TS05
    Распределение значений параметра W1 модели TS05
  • Распределение значений параметра W2 модели TS05
    Распределение значений параметра W2 модели TS05
  • Распределение значений параметра W3 модели TS05
    Распределение значений параметра W3 модели TS05
  • Распределение значений параметра W4 модели TS05
    Распределение значений параметра W4 модели TS05
  • Распределение значений параметра W5 модели TS05
    Распределение значений параметра W5 модели TS05
  • Распределение значений параметра W6 модели TS05
    Распределение значений параметра W6 модели TS05

Низкие значения Bz-компоненты межпланетного магнитного поля

  • Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
    Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений индекса SYM-H
    Распределение значений индекса SYM-H
  • Распределение значений давления плазмы
    Распределение значений давления плазмы
  • Распределение значений скорости солнечного ветра
    Распределение значений скорости солнечного ветра
  • Распределение значений By компоненты межпланетного поля
    Распределение значений By компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений плотности плазмы
    Распределение значений плотности плазмы
  • Распределение значений параметра W1 модели TS05
    Распределение значений параметра W1 модели TS05
  • Распределение значений параметра W2 модели TS05
    Распределение значений параметра W2 модели TS05
  • Распределение значений параметра W3 модели TS05
    Распределение значений параметра W3 модели TS05
  • Распределение значений параметра W4 модели TS05
    Распределение значений параметра W4 модели TS05
  • Распределение значений параметра W5 модели TS05
    Распределение значений параметра W5 модели TS05
  • Распределение значений параметра W6 модели TS05
    Распределение значений параметра W6 модели TS05

Высокие значения Bz-компоненты межпланетного магнитного поля

  • Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
    Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений индекса SYM-H
    Распределение значений индекса SYM-H
  • Распределение значений давления плазмы
    Распределение значений давления плазмы
  • Распределение значений скорости солнечного ветра
    Распределение значений скорости солнечного ветра
  • Распределение значений By компоненты межпланетного поля
    Распределение значений By компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений плотности плазмы
    Распределение значений плотности плазмы
  • Распределение значений параметра W1 модели TS05
    Распределение значений параметра W1 модели TS05
  • Распределение значений параметра W2 модели TS05
    Распределение значений параметра W2 модели TS05
  • Распределение значений параметра W3 модели TS05
    Распределение значений параметра W3 модели TS05
  • Распределение значений параметра W4 модели TS05
    Распределение значений параметра W4 модели TS05
  • Распределение значений параметра W5 модели TS05
    Распределение значений параметра W5 модели TS05
  • Распределение значений параметра W6 модели TS05
    Распределение значений параметра W6 модели TS05

Низкие значения скорости солнечного ветра

  • Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
    Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений индекса SYM-H
    Распределение значений индекса SYM-H
  • Распределение значений давления плазмы
    Распределение значений давления плазмы
  • Распределение значений скорости солнечного ветра
    Распределение значений скорости солнечного ветра
  • Распределение значений By компоненты межпланетного поля
    Распределение значений By компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений плотности плазмы
    Распределение значений плотности плазмы
  • Распределение значений параметра W1 модели TS05
    Распределение значений параметра W1 модели TS05
  • Распределение значений параметра W2 модели TS05
    Распределение значений параметра W2 модели TS05
  • Распределение значений параметра W3 модели TS05
    Распределение значений параметра W3 модели TS05
  • Распределение значений параметра W4 модели TS05
    Распределение значений параметра W4 модели TS05
  • Распределение значений параметра W5 модели TS05
    Распределение значений параметра W5 модели TS05
  • Распределение значений параметра W6 модели TS05
    Распределение значений параметра W6 модели TS05

Высокие значения скорости солнечного ветра

  • Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
    Распределение значений Bz компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений индекса SYM-H
    Распределение значений индекса SYM-H
  • Распределение значений давления плазмы
    Распределение значений давления плазмы
  • Распределение значений скорости солнечного ветра
    Распределение значений скорости солнечного ветра
  • Распределение значений By компоненты межпланетного поля
    Распределение значений By компоненты межпланетного поля
  • Распределение значений плотности плазмы
    Распределение значений плотности плазмы
  • Распределение значений параметра W1 модели TS05
    Распределение значений параметра W1 модели TS05
  • Распределение значений параметра W2 модели TS05
    Распределение значений параметра W2 модели TS05
  • Распределение значений параметра W3 модели TS05
    Распределение значений параметра W3 модели TS05
  • Распределение значений параметра W4 модели TS05
    Распределение значений параметра W4 модели TS05
  • Распределение значений параметра W5 модели TS05
    Распределение значений параметра W5 модели TS05
  • Распределение значений параметра W6 модели TS05
    Распределение значений параметра W6 модели TS05

Результаты построения моделей при экстремальных условиях

Далее представлены карты силовых линий магнитного поля в плоскости XZ координатной системы GSM. Так же отмечены важные характеристики магнитопаузы, такие как: Расстояние до подсолнечной точки (R_0) и широту проекции данной точки на поверхности Земли вдоль силовых линий (footprint point). Так же отмечен радиус сечения магнитопаузы в плоскости Y=0 (Z_max). Так же было посчитано положение последней замкнутной силовой линии на ночной стороне, однако стоит относиться к этой информации скептически, так как для при построении модели TS05 использовались спутниковые данные при X > -15Re таким образом, особенно с учётом экстремальных условий видно, что конфигурация силовых линий в хвосте (в некоторых случаях начиная уже с -10Re вряд ли может считаться соответствующей реальности). Так же на изображении отмечены проекции геостационарных спутников (6.6 Re) на дневной и ночной стороне.

Использовавшиеся параметры

Случай pdyn symh bygsm bzgsm w1 w2 w3 w4 w5 w6
pdyn_low 0.080345 -5.404598 -2.422989 2.018506 0.031494 0.020345 0.052184 0.021724 0.027241 0.005172
pdyn_high 28.765408 -28.548980 1.202857 2.212755 2.176020 2.388367 1.664082 5.402551 3.483571 23.489082
symh_low 8.300500 -238.442000 3.094300 -11.361000 5.809200 4.758100 7.888800 15.202000 6.189800 17.272300
symh_high 14.474700 48.694000 -0.638800 6.192800 0.249000 0.330200 0.135800 0.384600 0.441900 2.335600
bygsm_low 9.361515 -59.187879 -21.079697 -0.715152 1.948081 1.971515 2.067677 4.373333 2.205051 8.484040
bygsm_high 9.222143 -64.053061 24.481633 -2.981633 2.350714 2.289592 2.087347 5.079694 2.918776 10.230306
bzgsm_low 8.952300 -155.256000 1.874500 -25.414500 5.410400 5.620700 4.205700 15.233900 7.211900 19.997800
bzgsm_high 11.365816 -44.561224 0.133673 23.007245 1.039898 0.735306 1.835714 1.939592 0.694694 5.261735
speed_low 1.023838 1.422222 0.085556 0.023131 0.117071 0.190404 0.025051 0.064747 0.122323 0.206061
speed_high 9.150918 -58.500000 1.391939 0.736939 1.204388 0.887755 1.824286 2.832245 2.012347 7.955000

Заключение

В модели TS05 используется упрощённая модель магнитопаузы, описанная в главе 2.1 модели T96 (о её дальнейших изменениях можно прочитать в главе 2.4.1 модели T02 и главе 3 модели TS05), главными параметрами управляющими формой являются Bz-компонента и динамическое давление солнечного ветра.

Таким образом легко можно увидеть зависимость "объёма" магнитосферы от величины давления (low, high), так и то, что в зависимости от величины Z-компоненты магнитного поля хвост магнитосферы "поджимается" (low, high).

Кроме того, стоит отметить, что в случае высоких значений динамического давления видно, что подсолнечная точка, практически совпадает с расстоянием на котором находятся геостационарные спутники. Однако в работе A. Dmitriev at al. глава 3 видно, что события пересечения спутником магнитопаузы должны происходить при более низких значениях давления. Кроме того в случае низких значений Bz несоответствие ещё больше. Во-первых стоит интерпретировать это как то, что модель формы магнитопаузы не была рассчитана на эту задачу, с другой стороны в реальной магнитопаузе мы наблюдаем флуктуации границы, а модель выдаёт средние значения.

Стоит отметить, некоторые технически недочёты данных карт, так впечатление "пересекающихся" линий производит то, что при подсчёте проекций линии иногда выходят из плоскости XZ, таким образом "пересечение" происходит только в проекции, но на самом деле линии расходятся в 3D пространстве.