Глобальные параметры и динамика магнитосферной системы по данным магнитогидродинамического моделирования
На правах рукописи
ГОРДЕЕВ Евгений Иванович ГЛОБАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ДИНАМИКА МАГНИТОСФЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПО ДАННЫМ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 01.03.03 – физика Солнца
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Санкт-Петербург – 2013
Работа выполнена на кафедре физики Земли физического факультета Санкт-Петербургского Государственного Университета
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Сергеев Виктор Андреевич, профессор, Санкт-Петербургский Государственный Университет, г. Санкт-Петербург.
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Еркаев Николай Васильевич, главный научный сотрудник отдела вычислительной математики, Институт Вычислительного Моделирования СО РАН, г. Красноярск кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Яхнин Александр Григорьевич, заведующий лабораторией магнитосферно-ионосферных связей, Полярный Геофизический Институт КНЦ РАН, г. Апатиты
Ведущая организация: Институт Космических Исследований РАН, г. Москва
Защита состоится 23 октября 2013 г. в 13 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.232.35 СПбГУ по адресу: 199034, Санкт Петербург, Средний Проспект ВО, д. 41, аудитория 304.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ.
Автореферат разослан 18 октября 2013 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.232. А.Л. Котиков кандидат физико-математических наук
Общая характеристика работы
Диссертационная работа посвящена исследованию возможностей применения глобального численного магнитогидродинамического моделирования (ГМГД) для решения задач физики магнитосферы. В ней предложен и применен метод верификации глобальных МГД моделей по данным наземных и спутниковых наблюдений ключевых параметров магнитосферной системы, позволяющий дать заключение о применимости таких моделей для исследования задач крупномасштабной динамики магнитосферы. Результаты ГМГД моделирования были использованы для исследования двух задач, касающихся крупномасштабной (глобальной) динамики. Первая задача касается исследования источников разности электрического потенциала поперек полярной шапки. Показано, что “ночной источник”, ассоциированный с магнитным пересоединением в плазменном слое хвоста, в значительной степени влияет на величину и распределение ионосферного потенциала. Приведены качественные и количественные характеристики связи между конвекцией в ионосфере и в хвосте магнитосферы. Вторая задача состоит в проверке и калибровке метода расчета магнитного потока хвоста по двух-спутниковым наблюдениям [Shukhtina et al., 2009], позволяющего в динамическом режиме рассчитывать интегральные характеристики магнитосферной системы (радиус и магнитный поток хвоста) по точечным спутниковым измерениям.
Использование результатов ГМГД моделирования на сегодняшний день представляется единственно возможным независимым способом проверки этого метода. Показано, что метод имеет удовлетворительную точность оценки величины потока хвоста как для квазистационарных, так и для возмущенных условий в солнечном ветре.
Актуальность темы исследования Магнитосфера Земли является сложно-структурированным и крайне изменчивым плазменным объектом, с характерными величинами магнитных и плазменных параметров различающимися на несколько порядков в различных областях магнитосферы. Исследование процессов взаимодействия космической плазмы с магнитным полем Земли является задачей фундаментальной физики, но также имеет и практический интерес, связанный в первую очередь с обеспечением безопасности функционирования космических аппаратов и наземных электрических сетей, особенно в периоды интенсивных геомагнитных возмущений в процессе развития магнитосферных суббурь и бурь. Нестационарный и многомасштабный характер динамики магнитосферной системы сильно затрудняет описание и интерпретацию физических процессов по данным точечных наблюдений наземных станций и космических аппаратов.
Недостаточное пространственно-временное покрытие спутниковых и наземных наблюдений приводит к необходимости использования количественных моделей магнитосферы. Задача мониторинга и предсказания космической погоды предполагает использование эффективных методов описания динамики магнитосферной системы в условиях сильно меняющихся параметров солнечного ветра. Одним из таких методов может быть описание динамики магнитосферы с помощью набора интегральных характеристик (глобальных параметров).
Глобальные параметры магнитосферы – это набор некоторого количества величин для описания состояния и динамики магнитосферной системы как целого. Вопрос о существовании и составе достаточного набора параметров и его эффективности до сих пор остается открытым. На сегодняшний день существует несколько способов оценки некоторых глобальных параметров магнитосферы на основе данных наблюдений (например, для разности электрического потенциала в ионосфере и магнитного потока долей хвоста), однако неясна точность таких оценок.
Кроме того, при описании глобальной динамики магнитосферы возникает необходимость в использовании таких глобальных характеристик, которые принципиально недоступны для расчета по спутниковым или наземным наблюдениям.
В свете перечисленных трудностей при решения задач, касающихся глобальной динамики магнитосферной системы, оказываются крайне полезными численные модели магнитосферы. На сегодняшний день единственным численным подходом, позволяющим моделировать всю магнитосферу как открытую систему, целиком и с хорошим пространственным разрешением, является глобальное МГД моделирование (ГМГД). Оно основано на численном решении задачи обтекания магнитосферы сверхзвуковым солнечным ветром, используя уравнения магнитной гидродинамики. Принципиальной особенностью таких моделей является возможность следить за текущим состоянием и эволюцией как всей системы, так и изменениями в каждой отдельной точке. Работы по развитию ГМГД моделей интенсивно ведутся в США, Японии, Финляндии и Китае, но аналогичные российские разработки отсутствуют. Несмотря на 30-летний период развития ГМГД моделей, одним из нерешенных вопросов является оценка качества результатов моделирования, в смысле их соответствия данным наблюдений.
Целью работы является исследование возможностей применения глобального численного магнитогидродинамического моделирования для решения задач физики магнитосферы.
Задачи диссертационной работы ставились следующим образом:
Предложить метод верификации глобальных моделей магнитосферы, 1) позволяющий дать количественную оценку соответствия результатов моделирования данным спутниковых и наземных наблюдений. Использовать этот метод для верификации глобальных МГД моделей, сделать заключение о качестве результатов моделирования и определить границы применимости моделей.
Проверить возможность применения результатов ГМГД 2) моделирования для решения актуальных задач, касающихся глобальной динамики магнитосферной системы, на примере исследования источников разности потенциалов поперек полярной шапки. В частности, влияние “ночного источника”, ассоциированного с магнитным пересоединением в плазменном слое хвоста, на величину и распределение ионосферного потенциала на данный момент является малоизученным процессом как в количественном, так и в качественном смысле.
Провести проверку и калибровку метода оценки магнитного потока 3) хвоста магнитосферы, основанного на одновременных двух-спутниковых наблюдениях [Shukhtina et al., AnnGeo, 2009], используя результаты глобального МГД моделирования. На сегодняшний день такой подход представляется единственно возможным независимым способом проверки для одного из немногих методов, позволяющих рассчитывать интегральные характеристики магнитосферной системы по точечным спутниковым измерениям.
Научная новизна 1) Впервые предложен и реализован метод оценки качества результатов глобального МГД моделирования на основе сравнения с эмпирическими данными о системе ключевых параметров магнитосферы, позволяющий провести верификацию и сравнение существующих моделей.
Впервые по данным ГМГД моделирования получены 2) количественные характеристики связи между конвекцией плазмы в ионосфере и в хвосте магнитосферы в периоды взрывной фазы суббури.
3) Впервые по данным ГМГД моделирования проведена проверка и калибровка полуэмпирического метода расчета глобальных параметров магнитосферы (радиуса и магнитного потока хвоста).
Практическая ценность В диссертационной работе предложен метод верификации глобальных численных моделей с помощью известных эмпирических данных о системе ключевых параметров магнитосферы, позволяющий дать количественную оценку качества результатов моделирования и сравнивать между собой разные модели. Результаты верификации показали целесообразность использования глобальных МГД моделей для решения задач о крупномасштабной динамике магнитосферы. На примере исследования двух частных проблем, изложенных в диссертационной работе, показано, что глобальное МГД моделирование является мощным инструментом для исследования крупномасштабных процессов в магнитосферной системе.
Кроме того, в будущем ГМГД подход может быть применен для прогноза космической погоды и оценки последствий экстремальных событий.
Степень достоверности результатов Оценке достоверности результатов ГМГД моделирования посвящена вторая глава диссертации. По результатам статистического сравнения с эмпирическими данными показано, что ГМГД модели удовлетворительно воспроизводят значения и вариации ключевых параметров магнитосферной системы, и пригодны для исследования глобальной динамики магнитосферы. Дополнительно, достоверность результатов главы подтверждена сравнением результатов расчетов выполненных с использованием разных ГМГД моделей, а результаты главы 4 сопоставлением с литературными данными.
Личный вклад автора Численные расчеты проводились на суперкомпьютерах Финского Метеорологического Института (в рамках совместного гранта ECLAT) и Годдардского Космического Центра США. Автором диссертации был разработан пакет программ в средах MATLAB и FORTRAN для обработки результатов ГМГД моделирования, использованный при расчете глобальных параметров магнитосферы. Автор непосредственно участвовал в разработке и реализации нового метода верификации численных моделей магнитосферы, в исследовании источников разности потенциала поперек полярной шапки, осуществил проверку и калибровку метода расчета магнитного потока в долях хвоста, основанного на спутниковых измерениях.
Все изложенные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами.
Апробация работы Представленные в работе результаты докладывались: на семинарах кафедры физики Земли физического факультета СПбГУ;
на семинарах Финского Метеорологического Института, Хельсинки, Финляндия;
на международных конференциях: “ISROSES–II” (Боровец, Болгария, 2011), “Problem of Geocosmos” (Санкт-Петербург, Россия, 2012), 35-й ежегодный семинар “Physics of Auroral Phenomena” (Апатиты, Россия, 2012), “EGU General Assembly” (Вена, Австрия, 2013).
Публикации Материалы диссертации изложены в 4-х статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах списка ВАК, и в сборнике трудов ежегодного семинара в г. Апатиты.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 114 наименований. Содержит 118 страниц машинописного текста, включая 29 рисунков и 6 таблиц.
Содержание работы введении Во обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, положения, выносимые на защиту, отмечены научная новизна и практическая ценность работы, кратко изложено содержание работы.
В первой главе обсуждается роль количественных моделей в исследованиях глобальной динамики магнитосферной системы. Раздел 1. посвящен обсуждению эффективности методов описания физических процессов в магнитосферной системе по точечным данным наземных и спутниковых наблюдений и необходимости использования количественных моделей при интерпретации данных наблюдений. Формулируются принципиальные особенности глобальных МГД моделей, позволяющие использовать их в исследованиях глобальной динамики магнитосферы, а также обсуждаются и принципиальные недостатки МГД подхода.
Обсуждается понятие глобальных параметров, которые применяются для характеристики состояния и отслеживания глобальной динамики магнитосферной системы, и оказываются весьма полезными в исследованиях связи между различными частями и процессами в магнитосфере. В разделе 1.2 приводится краткое описание четырех наиболее продвинутых ГМГД моделей, результаты которых широко используются мировым сообществом и используются в диссертации. В разделе 1.3 формулируются задачи, поставленные в диссертационной работе.
Вторая глава посвящена проблеме верификации результатов ГМГД моделирования и их соответствия данным наблюдений. В разделе 2.1 дается краткий обзор литературных данных о сравнении результатов ГМГД с наблюдениями. В предыдущих работах точность глобальных МГД моделей обсуждается либо со стороны качественного соответствия симулируемых и наблюдаемых крупномасштабных структур магнитосферы, либо используя сравнение рядов данных вдоль траектории отдельных спутников.
Представленные в этих работах результаты указывают, что глобальные МГД модели способны воспроизводить основные структурные элементы и некоторые физические процессы в магнитосфере. Однако сравнение результатов моделирования с наблюдениями вдоль траекторий отдельных спутников дает весьма неоднозначные количественные результаты, что, в некотором смысле, ожидаемо для моделирования сложной динамической системы. Верификация моделей, прежде всего, требует аккуратного и обоснованного выбора параметров и метрик для получения простых разделе 2. количественных оценок качества моделирования. В предлагается новый метод верификации глобальных численных моделей с помощью известных эмпирических данных о ключевых параметрах магнитосферы, позволяющий дать количественную оценку качества результатов моделирования и сравнивать между собой разные модели.
Результаты верификации одной из глобальных МГД моделей магнитосферы GUMICS-4 изложены в разделе 2.3. В этом разделе приводятся результаты сравнения ключевых характеристик симулированной магнитосферы в условиях стационарно заданных параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля, обеспечивающих стационарные решения в магнитосфере, с известными эмпирическими соотношениями: для положения магнитопаузы, величины магнитного поля в долях, давления в плазменном слое хвоста, положения и формы нейтрального слоя хвоста и величины ионосферного потенциала. Для этого используется результаты стационарных симуляций с широким диапазоном входных параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля. В разделе 2. сформулированы основные результаты второй главы. Показано, что удовлетворительно воспроизводится крупномасштабное состояние модельной магнитосферы, однако, по крайней мере в стационарных симуляциях, наблюдается ~25% дефицит магнитного потока в хвосте и подавленная конвекция в ионосфере, что может быть связано с низкой интенсивностью магнитного пересоединения в модели. С учетом других литературных сведений по моделированию магнитосферы с использованием GUMICS-4 и других ГМГД моделей, сделан общий вывод о возможности применения глобальных МГД моделей к исследованию задач, касающихся крупномасштабной динамики магнитосферы.
Третья глава касается исследования источников ионосферной конвекции с использованием результатов ГМГД моделирования. Внимание сфокусировано на “ночном источнике”, ассоциируемом с усилением магнитного пересоединения в хвосте магнитосферы. Взаимосвязь конвекции плазмы в ионосфере и хвосте магнитосферы на данный момент слабо изучена как в количественном, так и в качественном смысле. В разделе 3. приводится краткий обзор литературных данных, описывающий положение дел в этой области исследования, и обосновывается актуальность решаемой задачи. Раздел 3.2 касается методологии расчета по данным численного МГД моделирования глобальных параметров магнитосферы используемых в исследовании: определения положения трехмерной магнитопаузы, определение разности потенциалов в ионосфере, расчет магнитного потока хвоста и электрического потенциала поперек хвоста в плазменном слое, расчет циркуляции электрического поля в контурах, ограничивающих доли хвоста. В разделе 3.3 представлены результаты исследования ночного источника ионосферного потенциала с помощью данных ГМГД моделирования. Для того чтобы изолировать эффекты, связанные с различиями в численной реализации разных ГМГД моделей (численные схемы, пространственно-временное разрешение, системы координат, форма записи уравнений и др.), в подразделе 3.3.1 приводится анализ результатов симуляций, выполненных с помощью четырех различных ГМГД моделей с идентичными входными параметрами солнечного ветра и ММП. Для этого используются искусственно заданные вариации входных параметров с резким ступенчатым изменением величин для получения вариаций глобальных параметров магнитосферы наиболее простого вида. Для всех использованных моделей характерно примерно одинаковое относительное увеличение ионосферного потенциала (20-30%) в периоды взрывной фазы суббури. В подразделе 3.3.2 рассмотрены результаты симуляции события марта 2008г. (с 09 до 16 часов UT) с данными спутниковых измерений в качестве входных параметров. Для этого события наблюдалась сильная геомагнитная активность, что также воспроизводится и в результатах моделирования (по данным симуляции можно выделить четыре периода активизации пересоединения в хвосте). По данным симуляции реального события, относительный вклад ночного источника в ионосферный потенциал в периоды суббуревой активности также составляет 20-30%.
Подраздел 3.3.3 касается исследования по данным ГМГД основных элементов взрывной фазы суббури наблюдаемых в ионосфере. Для этого используются результаты симуляции с неоднородной моделью проводимости ионосферы, зависящей от освещенности и потока высыпающихся из магнитосферы частиц. В этой симуляции воспроизводятся основные характерные элементы взрывной фазы суббури:
усиление конвекции в ночном овале, образование токового клина суббури и Раздел 3. замыкающего его западного электроджета. посвящен обсуждению результатов исследования источников ионосферного потенциала и их сравнению с известными литературными данными по этой теме. В этом разделе сформулированы основные результаты третьей главы.
В качестве наиболее важных, можно выделить следующие результаты:
1) процесс магнитного пересоединения в хвосте магнитосферы вносит значительный вклад в величину и распределение ионосферного потенциала.
При этом относительный вклад ночного источника в величину ионосферного потенциала для всех моделей составляет 20-30%. Такое же относительное увеличение ионосферного потенциала (~25%) было получено в недавней работе [Sandholt et al., AnnGeo, 2012] по данным наблюдений спутников DMSP, в которой авторы исследовали серию суббурь, вызванную солнечной вспышкой CME 30 мая 2005 г.
2) для ночного источника характерна большая скорость передачи сигнала в ионосферу (t 5 минут) и малый коэффициент передачи (10-20%), что соответствует индукционной природе электрических полей в плазменном слое во время активизации пересоединения в хвосте.
3) в МГД симуляциях воспроизводятся некоторые основные характерные элементы взрывной фазы суббури, включая усиление конвекции в ночном овале, образование токового клина суббури и замыкающего его западного электроджета.
Четвертая глава посвящена проверке и калибровке полуэмпирического метода оценки магнитного потока хвоста по одновременным измерениям на двух спутниках в солнечном ветре и в хвосте магнитосферы [Shukhtina et al., 2009] (метод Sh’09), используя результаты ГМГД симуляций. Краткий обзор по теме исследования, алгоритм расчета магнитного потока методом Sh’09 и постановка задачи приведены в разделе 4.1. Метод Sh’09 позволяет рассчитывать магнитный поток хвоста, являющийся глобальным параметром (интегральной характеристикой), с учетом внутренней динамики хвоста по точечным спутниковым измерениям.
При разработке метода использован ряд упрощений, которые ставят вопрос о точностиь этого метода. На сегодняшний день использование ГМГД моделирования представляется единственной возможностью независимой проверки точности метода Sh’09. Раздел 4.2 посвящен исследованию метода Sh’09, используя результаты ГМГД моделирования. В разделе 4.2. показано принципиальное преимущество метода Sh’09 в сравнении с предшествующим методом оценки потока на примере симуляции события марта 2008г. Благодаря учету внутренней динамики магнитосферы, метод Sh’09 позволяет более точно определять текущий поперечный размер хвоста, который может довольно сильно отличаться от среднего эмпирического значения, и потому точнее оценивать величину магнитного потока. В разделе 4.2.2 приводится анализ точности расчета потока (и причин его отклонения от номинальной величины) в различных областях поперечного сечения хвоста X=-15 Re для различных условий в солнечном ветре (величины и направления Bz ММП, динамического давления солнечного ветра и чисел Маха-Альвена). Область применимости метода разделе 4.2. исследуется в с использованием распределений коэффициентов линейной регрессии в поперечных сечениях хвоста на разных расстояниях X, полученных при сравнении оценок потока в разных точках наблюдения методом Sh’09 с номинальным потоком в этом сечении.
Анализ показал, что метод Sh’09 имеет хорошую точность, когда спутник находится в области с малой величиной плазменного параметра (доли хвоста) и применим на расстояниях X-10 Re. В разделе 4.3 приводится обсуждение результатов, и делаются основные заключения о работоспособности метода В целом, метод имеет Sh’09. Sh’ удовлетворительную точность как для квазистационарных, так и для возмущенных условий солнечного ветра для широкого диапазона параметров СВ/ММП при условии что хвостовой спутник находится в долях (плазменный параметр 0.1).
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Положения, выносимые на защиту 1) Разработан и реализован метод верификации численных моделей магнитосферы, позволяющий получать количественные оценки соответствия результатов моделирования данным наземных и спутниковых наблюдений.
Метод может быть использован для верификации и сравнения различных глобальных моделей магнитосферы.
2) Применение разработанного метода верификации к модели GUMICS-4 показало удовлетворительное соответствие крупномасштабной структуры модельной магнитосферы эмпирическим данным. ГМГД модели могут быть использованы для исследования крупномасштабной структуры и глобальной динамики магнитосферной системы.
3) Показано, что наряду с пересоединением на магнитопаузе, магнитное пересоединение в хвосте магнитосферы является независимым источником электрического потенциала в ионосфере, который меняет распределение ионосферной конвекции и увеличивает ее интенсивность (в среднем на 20-30%) в периоды взрывной фазы суббури.
4) Проведена проверка, калибровка и определены границы применимости метода расчета магнитного потока хвоста, основанного на одновременных спутниковых измерениях в хвосте магнитосферы и в солнечном ветре. Показано, что метод имеет удовлетворительную точность оценки магнитного потока в среднем хвосте (-10 X -25 Re) при расположении хвостового спутника “в долях” (плазменный параметр 0.1) как для квазистационарных, так и для возмущенных условий в солнечном ветре.
По теме диссертации опубликовано 4 работы в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК:
1) M. A. Shukhtina, E. I. Gordeev, and V. A. Sergeev (2009), Time-varying magnetotail magnetic flux calculation: a test of the method. Ann. Geophys., 27, 1583–1591, 2009.
2) Gordeev, E. I., V. A. Sergeev, T. I. Pulkkinen, and M. Palmroth (2011), Contribution of magnetotail reconnection to the cross-polar cap electric potential drop, J. Geophys. Res., 116, A08219, doi:10.1029/2011JA016609.
3) Snekvik, K., E. Tanskanen, N. Ostgaard, L. Juusola, K. Laundal, E. I. Gordeev, and A. L. Borg (2012), Changes in the magnetotail configuration before near Earth reconnection, J. Geophys. Res., 117, A02219, doi:10.1029/2011JA017040.
4) Gordeev, E., G. Facsk, V. Sergeev, I. Honkonen, M. Palmroth, P. Janhunen, and S. Milan (2013), Verification of the GUMICS-4 global MHD code using empirical relationships, J. Geophys. Res. Space Physics, 118, 3138–3146, doi:10.1002/jgra.50359.
Другие публикации по теме диссертации:
1) Gordeev E., V. Sergeev (2009), Magnetotail magnetic flux calculation using global MHD simulations. Physics of Auroral Phenomena, Proc. XXXII Annual Seminar, Apatity, pp. 17 - 20, 2009.