Введение к работе
Актуальность проблемы.
С первых искусственных спутников Земли начались прямые исследования околоземной плазмы, позволившие в течение более чем тридцатилетнего периода изучить как глобальную структуру магнитосферы Земли, так и отдельные ее области. Космические аппараты <КД>, направляемые к ближайшим планетам Марс и Венера, также осуществляли определенную программу плазменных исследований как на трассах перелета, т.е. в межпланетной среде, так и в околопланетной плазме. Исследования дальних планет осуществляются преимущественно КА, пролетающими вблизи них.
Основным источником плазмы, заполняющей все межпланетное пространство и в значительной степени плазменные оболочки планет, является постоянно истекающий солнечный ветер, представляющий собой бєсстолкновительную плазму. В начале 70" годов была поствялена задача реализации на КА одного из важных диагностических методов изучения плазмы - исследование плазменных волн. Совместно с плазменными и магнитными эти исследования ставились с целью изучения процессов транспортировки энергии от Солнца в магнитосферу, учитывая, что плазма является важным компонентом, с помощью которого активные процессы на Солнце оказывают влияние на состояние планетных магнитосфер.
На первом этапе выполнения этой работы необходимо было принимать во внимание ограниченное число проведенных волновых экспериментов, что связано со значительными методическими и техническими трудностями их проведения. В первую очередь эти трудности связаны с тем. что как датчики, так и сам КА взаимодействуют с окружающей плазмой и искажают электромагнитные поля, существующие в невозмущенной плазме. Волновые эксперименты дают более надежные результаты, если либо сопровождаются другими экспериментами, и в первую очередь измерениями параметров окружающей плазмы, либо сами включают в себя такие измерения.
Таким образом, больное значение экспериментальных исследований энергетики плазменных волн в процессах, происходящих при взаимодействии солнечного ветра с магнитосферами Земли. Марса и плазменной оболочкой кометы Галлея. а также во внутримагнитосферных процессах - с фундаментальной и практической
2 точек зрения - и определяют актуальность ценной работы.
Основная цель работы заключалась в адаптации методов волновой диагностики к конкретным экспериментам, проводимым в рамках различных космических проектов, в создании бортовых научных приборов и соответствующих калибровочных стендов и систем тестирования.
Исследования, проводимые с помощью данной аппаратуры, были направлены на изучение: аэ.процессов диссипации энергии солнечного ветра па планетных и околокометных ударных волнах; 6^.роли плазменных волн в процессах, происходящих на границах и внутри характерных магнитосферннх образований; вэ. тонкой структуры плазменных границ и различных плазменных явлений; гз. крупномасштабной конвекции магнитосфернои пааэмы.
Для достижения указанной цели были проведены волновые эксперименты на спутниках "Космос-464" < 1972г.з, "Космос-721" с 1974г. э, "Интеркосмос-Ю" ' с 1975г.э, "Прогноз-в с 1980г.>. "Прогноз-10" с 19055 и автоматических межпланетных станциях САИС> "Вега -1. -2" С198ВГ.5, "Фобос -1. -2" С1988г.5.
Научная новизна работы и основные результаты.
Новизна представленных научных результатов обусловлена тем, что волновые эксперименты в рамках данной диссертационной работы проводились или впервые, или имели ряд характеристик существенно лучших, чем в других близких экспериментах. В процессе проведения этих экспериментов развивался и усовершенствовался качественно новый метод комбинированной волновой диагностики скВІР. В отличие от традиционного метола волновой диагностики, осуществляющего одновременные измерения компонент электрического и магнитного полей. КВД включает в себя также методы измерений флуктуации: плотности электрического тока» ионной и электронной компонент окружающей плазмы; методы идентификации и оптимизации информационно-измерительных цепей приборов и их адаптации к конкретным характеристикам информационных систем КЛ.
Значительное внимание в этих экспериментах уделялось УНЧ/КНЧ диапазону. по ряду причин с проанализированных в данной джг.рртапии"' мало исследованному в предиествуюдих экспериментах.
11а защиту выносятся следующие положения и результаты.
определяющие» новизну диссертационной работы- ..
1.Осуществление экспериментов с очень . высокой чувствительностью и низким уровнем помех, особенно в диапазона 0.1+20 Гц гПрогноэ-в, -10"з, реализованных благодаря разработке специальных датчиков СантеніР и измерительной аппаратуры для космических аппаратов с системой ориентации. использующей вращении вокруг оси. направленной на Солнце.
2.Разработка и отработка методики бортовой комбинированной волновой диагностики в диапазоне частот от постоянных полей до сотен килогерц. включающей одновременные измерения, кроме электрических и магнитных полей, флуктуации плотности токов в плазме и потоков ионной и электронной компонент плазмы <"Интеркосмос-10". "Прогноэ-в. -10". "Вега-1. -2"->. Создание соответствующих калибровочных стендов.
3.Открытие максимума спектральной плотности плазменных излучений в диапазоне нескольких герц в сверхкритических бесстолкновительных ударных волнах. возникающих при взаимодействии солнечного ветра с магнитосферами Земли С"Прогноз-8. -10"Э, Иарса с"Фобос-2"э и плазменной оболочкой кометы Голлея с"Вега-1, -2"). Определение вклада этих излучений в бесстолкновительную диссипацию энергии солнечного ветра. Исследование поляризационных и фазових характеристик излучений.
4 Отработка методики разделения временных и пространственных вариаций на одном космическом аппарате и нахождения длин КНЧ-полн из экспериментальных данных с "Прогноз-10 "э. Впервые проведенное с"Прогноз-8, -10'3 выделение низкочастотных квазимонохроматических колебаний электрического и магнитных полей, а также потока ионов в нижнегибридном диапазоне частот; исследование динамики этих колебаний в подножии, на фронте и за фронтом ударной волны; обнаружение, что колебания имеют вид волновкх пакетов. Определение дисперсионных кривых в подножиях ударных воин и отождествление моды волн КНЧ-диапазона. Получении экспрритнтпльинх результатов. свидетельствующих в пользу параметрической неустойчивости в подножии ударной волны.
5. Впервые проведение исследования <"Вега-1. -2"> спектральной плотности электрической kohiiohriith плазменных волн и
4 флуктуации плотности ионной компоненты плазми в диапазоне 0.1+1000 Га на околокометной ударной волне и на внутренних структурах плазменной оболочки кометы Галлея. Получение экспериментальных данных, свидетельствующих об обнаружении явления критической ионизационной скорости, играющего важную роль в относительно быстрых крупномасштабных вариациях околокометной плазмы. Получение оценки распределения легких пылевых частиц сю""+10""г5.
6. Впервые проведение измерений с"Фобос-2"> и оценка энергетики электрической компоненты плазменных излучений в диапазоне частот от единиц герц до десятков килогерц в области марсианской ударной волны. в переходной области. на плането^магнитов паузе и в магнитном хвосте Марса. Определение, что экспериментальные данные о плазменных волнах нижнегибридного диапазона находятся в соответствии с теоретическими оценками для вистлерной моды.
7.Обнаружение и исследование с'Интеркосмос-10*', "Прогноз-8, -10> ряда динамических эффектов. связанных с УНЧ/КНЧ электрическими полями в магнитосфере и ионосфере Земли. Определение. что: в главном ионосферном провале электрические поля с . напряженность» ~ s«io"2b/m приводят к увеличению эффективной массы ионов ионосферной плазмы до ~ 24 а. е. w. ; диссипация электрических нижнегибридных колебаний, спектральная плотность которых достигает ~ 10"*В/м Гц1'2 с частоты ~ 1 кГцЭ. оказывает малое влияние на структуру стенок провала; положение и динамика зоны наиболее интенсивных полей в зависимости от геомагнитной активности практически совпадаїат с аналогичными характеристиками аврорального овала; впервые с высоким временным раэреиением о 0.01 с^> определена структура электростатических скачков с амплитудами <5-КМР*10~гВ/м и исследована закономерность их распределения по интенсивности в полярной области при разных уровнях геомагнитной активности.
Достоверность_резуяьтатов_работн обеспечивается рядом" экспериментальных данных различных волновых приборов, установленных на пяти спутниках и четырех АМС; экспериментальные результаты. полученные в процессе проведения данной
5 диссертационной работы, сопоставимы при аналие; сравнение экспериментальных данных с модельными и теоретическими расчетами показывает их соответствие.
Научная и практическая ценность работы. Диссертационная работа непосредственно связана с тематикой, выполняемой по плану научных и исследовательских работ Института космических исследований РАН. Экспериментальное обнаружение ряда характерних плазменных излучений во внешних и внутренних областях планетных магнитосфер служит основой для нового направления экспериментов по исследованию процессов транспортировки и диссипации энергии в системе Солнцё-солнечный ветер-магнитосфера-ионосфера-атмосфера.
Результаты работы используются в теоретических и модельных исследованиях различных типов плазменной турбулентности, также могут быть использованы для уточнения моделей крупномасштабной магнитосферной конвекции и магнитосферных токовых систем; эти результаты могут применяться для прогноза геофизической обстановки, исследования процессов воздействия инфранизкочастотных электромагнитных колебания на биологические объекты. Разработанные методы и бортовая аппаратура могут применяться для: обеспечения электромагнитной совместимости бортовых систем, магнитной и электростатической чистота КА; экологического электромагнитного мониторинга околоземного и околопланетного космического пространства; электромагнитной разведки полезных ископаемых, включая и другие планеты; исследования биоритмов человека и т.д.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на;
-сессиях КОСПАР и международных симпозиумах по солнечно-земной, планетной и кометной физике-- Варна 1975г.; Боулдер 1976г.; Тбилиси 1976г.: Ашхабад 1979г.; Оттава 1982г.; Грац 1985г.; Гейдельберг 198Бг.; Балатонфврел 19й7г.; Брюссель 1987г. ; Париж 1989г.; Гаага 1990г.; Килларни 1992г.; Ауссой 1993г.; Сан Диего 1994г.
-международных приборостроительных и при участии ursi симпозиумах Фрунзе 1990г.; Суздаль 1991г.; Вроцлав 1992г.; Киото 1993г.: Пиза 1993г.
-симпозиумах стран-участниц программы "Интеркосмос": Калуга 1976г.; Варшава 197вг.; Цахкадзор 1980г.; Львов 1963г.
-всесоюзных семинарах по ОНЧ-излучениям= Апатиты 1960г.; Звенигород 1983г.
Рассматриваемые в ходе выполнения данной работы вопросы и результаты опубликованы в работах, но результатам разработки новых методов и аппаратуры получено 8 авторских свидетельств.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и цитируемой литературы. Обьем диссертации страниц, рисунков. таблиц, и наименований библиографии.
