Низкочастотные магнитные поля в переходной области за головной ударной волной кометы Галлея Масленицын, Сергей Федорович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Научный интерес к кометам и актуальность их исследования обусловлены представляемой возможностью изучения происхождения и процессов формирования Солнечной системы, поскольку кометы в большей степени сохранили вещество, из которого образовались планеты. Отсутствие собственного магнитного поля у комет делает привлекательным исследование их и как модель для изучения взаимодействия магнитоактивной плазмы солнечного ветра (СВ) с атмосферами планет со слабым магнитным полем и без него.

Плазменная структура комы и "хвоста" комет является естественным и уникальным индикатором физических условий в межпланетной плазме и на Солнце. Успешное использование комет в качестве космических зондов требует понимания плазменных и волновых процессов, возникающих при взаимодействии плазмы солнечного ветра с кометной плазмой. Для этого необходимы прямые измерения электромагнитных полей и компонент плазмы в непосредственной близости от кометы с помощью космических аппаратов. Такие исследования не могут быть заменены наземными наблюдениями.

Экспериментальное обнаружение и прямое исследование низкочастотных магнитных полей в атмосферах активных комет на расстояниях от Солнца около 1 а.е. стало возможным в результате проведения плазменных и волновых экспериментов на борту космических аппаратов (КА) при пролетах комет Джакобини-Циннера (сентябрь 1985 г.; "ICE"), Гал-лея (март 1986 г.; "Вега-1", "Suisei", "Вега-2", "Sakigake", "Giotto", "ICE") и Григга-Скьеллерупа (июль 1992 г.; "Giotto"). Интенсивные флуктуации магнитного поля, появление которых было связано с приближением кометы, имели частоты / ~ Ю^-2 Гц, т.е. порядка гирочастот тяжелых комет-ных ионов, в основном водной группы. Они представляют собой альвенов-ские волны, возбуждаемые ионно-циклотронной неустойчивостью пучка кометных ионов в потоке плазмы СВ, которые появляются в результате фотоионизации солнечной радиацией сублимирующих молекул с поверхности ядра кометы. Характерное время фотоионизации ~ 10^б с, поэтому

альвеновскне колебания начинали регистрироваться уже на расстоянии в несколько миллионов километров от ядра.

Пролеты КА в непосредственной близости от комет Джакобини-Циннера, Галлея и Григга-Скьеллерупа дали уникальный фактический материал, который невозможно получить наземными наблюдениями, для исследования волновых и плазменных процессов в окрестностях комет и стимулировали начало формирования общей физической картины взаимодействия их с СВ на расстояниях от Солнца около 1 а.е. Эти обстоятельства указывают на актуальность изучения низкочастотных магнитных полей в окрестностях комет — темы настоящей диссертации — и новизну содержащихся в ней результатов.

Целью работы является изучение низкочастотных магнитных полей в переходной области (кометошите) между головной ударной волной и кометопаузой на основе данных измерений магнитного поля на КА " Вега-1", "Вега-2" и "Giotto" при пролете кометы Галлея. При этом решались следующие основные задачи:

1. Проведение спектрального анализа НЧ-магнитного поля на разных участках траекторий КА "Вега-1", "Вега-2" и "Giotto" в кометошите кометы Галлея современными цифровыми методами: "быстрого" преобразования Фурье, модифицированных периодограмм и максимальной энтропии.

2. Исследование возможности применения спектрального анализа данных по измерению НЧ-магнитного поля на КА "Вега-1", "Вега-2" и "Giotto" в кометошите кометы Галлея для определения ионного состава кометной плазмы.

3. Поиск магнитогидродинамических разрывов в течении плазмы за головной ударной волной кометы Галлея на основе измеренных НЧ-магнитных полей;

4. Исследование уровня флуктуации магнитного поля и спектральной плотности энергии этих флуктуации;

5. Сравнение с результатами экспериментов, проведенных на КА "ICE" и "Giotto" при исследовании комет Джакобини-Циннера и Григга-Скьеллерупа.

Научная новизна. В диссертационной работе выполнен детальный анализ низкочастотных магнитных полей в кометошите кометы Галлея на основе прямых измерений, полученных на К А "Вега-1", "Вега-2" и "Giotto". Впервые показано существование крупномасштабного вращательного разрыва в течении плазмы СВ на плазменной границе во внешнем кометошите за головной ударной волной, исследованы его свойства и сделана оценка времени его жизни.

Тонкая структура спектров НЧ-магнитных полей в кометошите позволила определить ионный состав кометной плазмы. Показано, что метод спектрального анализа НЧ-магнитного поля может быть использован в качестве средства волновой диагностики при отказе работы аппаратуры для прямых плазменных измерений, как это произошло на КА "Giotto" во время сближения с кометой Григга-Скьеллерупа.

На защиту выносятся следующие положения:

6. Обосновано применение спектрального анализа НЧ-магнитных полей как волнового метода диагностики ионного состава кометной плазмы на основе прямых измерений полей на КА в окрестностях комет Галлея и Григга-Скьеллерупа.

7. По данным прямых измерений магнитного поля на борту К А "Giotto" определен ионный состав плазмы в окрестности кометы Григга-Скьеллерупа.

8. Рассчитана зависимость энергии МГД-турбулентности от расстояния до ядра в кометошите кометы Галлея в диапазоне частот 5-10~³ Гц < / < 3 Ю-² Гц.

9. Показано соответствие инерционного интервала в спектре турбулентности с законом Колмогорова-Обухова в кометошите кометы Галлея.

10. Оценен уровень флуктуации НЧ-магнитного поля и показана его стабилизация в кометошите кометы Галлея по данным КА "Вега-1" и "Вега-2".

11. Доказано присутствие крупномасштабного вращательного разрыва в течении плазмы СВ в районе внешней "странной" границы в кометошите кометы Галлея, определены его свойства, этапы эволюции и сделана оценка времени его жизни.

Научная и практическая значимость работы. Работа выполнена в рамках научных планов лаборатории НЧ-излучений и электромагнитной совместимости ИЗМИРАН в период 1993-1996 гг. Результаты ее внесли вклад в решение ряда фундаментальных и практических задач, а именно:

12. Формирование общей физической картины взаимодействия маг-нитоактивной плазмы СВ с кометной плазмой на расстояниях от Солнца около 1 а.е.

13. Применение спектрального анализа НЧ-магнитного поля как волнового метода диагностики ионного состава кометной плазмы.

Личный вклад автора. Автором обоснован выбор алгоритмов и составлены программы обработки первичных экспериментальных данных. Им выполнен детальный спектральный анализ УНЧ и НЧ-магнитных полей, измеренных на КА вблизи комет Галлея и Григга-Скьеллерупа, и дана физическая интерпретация результатов анализа.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на конференциях преподавателей ЯГПУ (1993-1996 гг.); на семинарах лаборатории НЧ-излучений и электромагнитной совместимости, а также лаборатории магнитных космических измерений в ИЗМИРАН; на международном семинаре " Малые тела Солнечной системы, физика Солнца и релятивистская астрофизика" в г.Киеве (ноябрь 1994 г.); на семинаре в ИКИ РАН; на семинаре в Институте метеорологии и геофизики в г.Кельне (март 1995 г.); на международном симпозиуме "Спутниковые исследования магнитосфер-ных и ионосферных процессов" (ИЗМИРАН, декабрь 1995 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ в отечественных и зарубежных изданиях.

Структура диссертации. Диссертация, набранная в издательской системе ВД^Х, состоит из введения, пяти глав основного текста и заключения. Общий объем — УЗ 9 сіРч из них: 40 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 4ЪЙ названий.