Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию влияния геофизических факторов на распределение магнитного и электрического полей и давления плазмы в магнитосфере Земли.
Актуальность темы. Пространственно-временные распределения магнитного и электрического полей и давления плазмы в околоземном пространстве опредатяют электромагнитную погоду в магнитосфере Земли. Эти распределения являются предметом многочисленных теоретических и экспериментальных исследований. Их пытаются конкретизировать с помощью спутниковых и радарных измерений, а также на основе комплексных наземных наблюдений. Временная динамика этих полей, токовых систем и давления плазмы взаимосвязаны между собой. В периоды магнитосферных суббурь и магнитных бурь электрическое поле и суммарные токи в магнитосферно-ионосферньк токовых системах меняются очень резко. За несколько минут разность потенциалов через полярную шапку может измениться от 10 до 100-150 киловольт, а интегральный ток в авроральном овале от 105 до 107 ампер. Одновременно резко меняется пространственное распределение заряженных частиц, захваченных геомагнитным полем. Всплеск полей и токов вызывает сбои в работе спутниковых систем, а также в работе трубопроводов и линий электропередач.
Характеристики полей и токов в околоземной среде связаны между собой, а также с параметрами солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП). К настоящему времени проведено большое количество исследований по связи характеристик электромагнитного поля магнитосферы и токов в ней с этими параметрами и с геофизическими явлениями (полярные сияния, высыпание частиц, радиационные пояса, ионосферные возмущения и т.п.). Основными количественными характеристиками, которыми оперируют исследователи, являются индексы геомагнитной активности, индексы солнечной активности и параметры межпланетной среды (скорость и плотность солнечного ветра, компоненты вектора ММП). Чаще всего, при таких исследованиях используется множественный корреляционный анализ, на основе которого выделяются наиболее значимые параметры межпланетной среды, позволяющие проводить моделирование магнитосферных полей и токов, а также строить гипотезы относительно механизмов их генерации.
Целью настоящей работы является проведение многофакторного анализа временного поведения важнейших магнитосферных параметров: электрического потенциала ионосферной конвекции, конфигурации и интенсивности магнитосферного
магнитного поля, дрейфовых траекторий частиц и плазменного давления во внутренней магнитосфере Земли. Такой метод позволяет изучить влияние отдельного фактора в тех случаях, когда остальные факторы мало меняются. В данной работе ставилась также задача построения изолиний электрического потенциала, которые определяют конвекцию плазмы в высокоширотной ионосфере и изучение зависимости этого потенциала от условий в солнечном ветре и от состояния геомагнитного поля. Одновременно решалась задача по определению зависимости пространственного положения центров конвективных вихрей в высокоширотной ионосфере от ситуации в межпланетной среде вблизи магнитосферы Земли и от геомагнитной активности. На защиту выносятся следующие положения:
-
Пространственно-временное распределение магнитосферного магнитного поля зависит от геофизической ситуации, которая наилучшим образом может характеризоваться индексами геомагнитной активности Dsl и Кр. Влияние вертикальной Bz компоненты межпланетного магнитного поля на это распределение, при заданных значениях Dst и Кр индексов, мало.
-
Усиление динамического давления плазмы солнечного ветра уменьшает размер области стабильного захвата заряженных частиц магнитосферным магнитным полем, а широта ионосферной проекции внешней границы этой области захвата, согласуется с широтой экваториальной границы овала полярных сияний.
-
Динамическое давление плазмы солнечного ветра является основным фактором, определяющим степень расщепления дрейфовых оболочек заряженных частиц, захваченных геомагнитным полем, а также величину давления и полного энергосодержания плазмы в области внутренней магнитосферы Земли.
-
Разность потенциалов через полярную шапку при ситуации в межпланетном магнитном поле Bz >0 пропорциональна величине динамического давления плазмы солнечного ветра вблизи магнитосферы Земли.
Научная новизна
Построена пространственно-временная картина силовых линий геомагнитного поля в магнитосфере, в периоды различных геофизических ситуаций, на основе использования современной базы экспериментальных данных. Установлено, что наиболее тесно изменение конфигурации магнитных силовых линий связано с временной динамикой Dst и Кр - индексов геомагнитной активности.
Установлено, что область стабильного захвата заряженных частиц геомагнитным полем уменьшается как при интенсификации геомагнитной бури, так и при усилении динамического давления плазмы солнечного ветра.
Исследовано расщепление дрейфовых оболочек заряженных частиц на основе модели магнитного поля Остапенко-Мальцева, описывающей его распределение в объеме внутренней магнитосферы. Установлено, что на это расщепление наиболее сильно влияет динамическое давление плазмы солнечного ветра.
Впервые, на основе геомагнитных данных, получено распределение давления плазмы во внутренней магнитосфере. Установлено, что само это давление, в первую очередь, связано с динамическим давлением плазмы солнечного ветра и с депрессией геомагнитного поля во время магнитной бури.
Установлено также, что полное энергосодержание плазмы во внутренней магнитосфере наиболее тесным образом связано с динамическим давлением плазмы солнечного ветра.
Научная и практическая значимость. Результаты проведенных исследований важны для понимания сложных взаимосвязанных процессов в системе солнечный ветер -магнитосфера - ионосфера. Именно многофакторный анализ, включающий такие параметры, как компоненты вектора ММП, скорость солнечного ветра, индексы геомагнитной активности и др., позволяет определить, что именно в наибольшей степени отвегственно за те или иные временные и пространственные изменения в этой системе. Полученные в результате данного исследования сведения будут способствовать развитию более содержательных и более точных количественных моделей магнитосферно-ионосферной системы. Найденные новые корреляционные связи позволят более точно проводить контроль электромагнитной погоды в околоземном пространстве с целью борьбы с её негативным воздействием на работу космических и наземных технических систем.
Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке задачи, выбирал и обрабатывал экспериментальный материал, разрабатывая компьютерные программы. Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах НИИФ СПбГУ и следующих Российских и международных конференциях: 1. XX Апатитский семинар «Физика авроральных явлений» февраль 1997 г., Апатиты.
2. Workshop «Space Radiation Environment Modelling: New Phenomena and Approaches»,
октябрь 1997 г., Москва.
-
XXI Апатитский семинар «Физика авроральных явлений», март 1998 г., Апатиты.
-
International Conference on Problems of Geocosmos, июнь-июль 1998 г., Санкт-Петербург.
-
XXII Апатитский семинар «Физика авроральных явлений», март 1999 г., Апатиты.
-
Chapman Conference on Space Weather, март 2000 г., Флорида, США.
-
5th International Conference on Substorms, май 2000 г., Санкт-Петербург.
-
International Conference on Problems of Geocosmos, май 2000 г., Санкт-Петербург.
-
XXIV Апатитский семинар «Физика авроральных явлений» февраль-март 2001 г., Апатиты.
10. XXVI Алагитский семинар «Физика авроральных явлений» февраль 2003 г., Апатиты.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 13 работ
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
Похожие диссертации на Многофакторный анализ магнитного поля, давления плазмы и электрического потенциала конвекции в магнитосфере
