Введение к работе
з .
Настоящая диссертация посвящена обобщению и развитию модели нестационарного магнитного пересоединения в сжимаемой плазме применительно к условиям на дневной магнитопаузе, в рамках которой проводится комплексное исследование линейных и нелинейных МГД-волн. На основе разработанной теории рассчитаны модельные спутниковые измерения и проведено их сравнение с экспериментальными данными, полученными со спутника ISEE 2 о пересечении дневной магнитопаузы.
Актуальность темы. По современным представлениям, взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли происходит в результате магнитного пересоединения на дневной магнитопаузе. Следствием этого процесса является приток энергии в магнитосферу, которая расходуется на магнитные бури, полярные сияния и другие виды геофизических возмущений.
Кроме того, в настоящее время полагают, что пересоединение является ответственным за такие явления, как солнечные вспышки, динамические процессы на секторных границах в солнечном ветре, отрыв кометных хвостов, дисруптивную неустойчивость в токамаках, поэтому магнитное пересоединение представляет большой интерес для многих приложений.
Один из наиболее фундаментальных вкладов в теорию магнитного пересоединения был сделан Петчеком, который разработал стационарную модель быстрого пересоединения в несжимаемой плазме. Эта модель стала основой для исследования и интерпретации экспериментальных данных в окрестности дневной магнитопаузы, в частности, были зарегистрированы предсказанные механизмом Петчека ускоренные потоки плазмы вдоль магнито-
4 паузы. Основные положения этой теории нашли также подтверждение в численных экспериментах.
АнатттТті,піРгупгл,туг чртпдііуін ттг, нягтгигтігргп иремени уда,ваЛОСЬ
решить задачу о пересоединении либо о стационарном варианте для сжимаемой плазмы, либо в нестационарном случае, но только для несжимаемой среды.
Учитывая, что процесс, пересоединения на магнитопаузе носит ярко выраженный импульсный характер с длительностью импульса порядка 1 мин., а космическую плазму с плотностью п — 1 — 10см-3 можно только с некоторой натяжкой считать несжимаемой средой, не вызывает сомнений актуальность решения задачи о нестационарном магнитном пересоединении в сжимаемой плазме, в которой бы все необходимые движущиеся МГД-волны и разрывы были приняты во внимание. Это позвслит получить более полное представление о реальной структуре магнитопаузы и о процессах, протекающих на ней.
В последнее время Хейном и Семеновым была построена общая теория нестационарного пересоединения в сжимаемой плазме, в которой было показано, что получить решение исследуемой проблемы в закопченной форме удается пока только для двумерного случая, используя сейсмический метод. Эта теория разработана авторами для простой начальной конфигурации токового слоя, в которой учитывается слабая асимметрия МГД-параметров и отсутствует течение плазмы до пересоединения.
В связи с этим, для того чтобы использовать теорию, построенную Хейном и Семеновым, для моделирования спутниковых измерений, актуальным становится ее обобщение для условий вблизи дневной магнитопаузы. Нестационарная модель в сжимаемой плазме позволит более естественным образом интерпретировать
5 экспериментальные данные в области дневной магнитопаузы в сравнении с традиционно используемой стационарной моделью пере соединения Петчека, что важно, поскольку процессы происходящие в этой области определяют взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли.
Целью настоящей работы является достижение лучшего понимания физических явлений, происходящих на дневной магвито-паузе, которые связаны с процессом магнитного пересоединения. Для этого необходимо было проделать следующее:
-
обобщить и развить теорию нестационарного пересоединения в сжимаемой плазме применительно к условиям в окрестности дневной магнитопаузы (для двумерного и трехмерного случая), то есть принять во внимание сильную асимметрию МГЛ-параметров в окрестности магнитопаузы и учесть обтекание солнечным ветром магнитосферы Земли. Провести б рамках этих моделей детальное исследование линейных и нелинейных МГД-волн, генерируемых в процессе магнитного пересоединения;
-
на основе разработанных моделей рассчитать возмущение токового слоя и вычислить МГД-параметры во всех областях между разрывами, а также в объемлющем пространстве. Это позволит моделировать экспериментальные данные вдоль выбранной траектории спутника при различных начальных конфигурациях токового слоя и при различных расположениях космического аппарата относительно пересоединившегося слоя:
3. в качестве логического завершения теоретической рабо
ты, провести интерпретацию экспериментальных данных, полу
ченных спутником ISEE 2 при пересечении дневной магнитопаузы
вблизи подсолнечной точки.
6 Научная новизна. В работе, предложен следующий шаг в раз-витии теории нестационарного пересоединения в сжимаемой плазме, а именно:
-
Проведено обобщение и развитие теории пересоединения и получено новое семейство решений задачи о нестационарном магнитном пересоединении в сжимаемой плазме в плоской геометрии.
-
Впервые аналитически расчитано поведение МГД-парамет-ров, в том числе термодинамических, во всем пространстве, проведено детальное параметрическое исследование полученных результатов.
-
Обнаружено появление интерференционных волн в задаче о пересоединении, в частности, головной и поверхностных волн.
-
Разработана новая простая эффективная модель магнитного пересоединения для трехмерного случая, позволяющая достаточно просто рассчитывать структуру слоя пересоединения и поведение МГД-параметров в окружающем пространстве.
-
Выполнено сравнение теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными со спутника ISEE 2 о пересечении дневной магнитопаузы. Показано хорошее соответствие предсказанных результатов с экспериментом.
Практическая ценность. Разработанные модели магнитного пересоединения и их численная реализация представляют существенный интерес для физики плазмы и для космической физики, в частности, для изучения процессов на дневной магнитопау-зе. Они могут быть использованы в качестве теоретической базы при интерпретации экспериментальных данных как уже имеющихся, так и поступающих вновь, например, со спутников проекта INTERBALL, о нестационарном пересоединении на дневной маг-
7 нитопаузс (FTE's), которое, как полагают, играет доминирующую роль во взаимодействии солнечного ветра и магнитосферы Земли.
На защиту выносятся:
-
Решение двумерной задачи о распространении МГЛ-волн в двухслойной среде при учете граничных условий, накладываемых процессом пересоединения. Обнаружено, что при пересоединении магнитных силовых линий происходит генерация различных типов волн: нелинейных волн большой амплитуды и линейных интерференционных волн малой амплитуды, в частности, головной и поверхностных волн.
-
Создание простой эффективной модели, позволяющей рассчитывать трехмерную структуру слоя пересоединения и возмущения МГД-параметров в объемлющем пространстве с учетом движения всех типов МГЛ-волн и разрывов и с конечной длиной линии пересоединения при условии пренебрежения поверхностными волнами.
-
Сопоставление разработанной теории с данными о пересоединении на дневной магнитопаузе, в результате которого показано, что импульсный режим позволяет более естественным образом интерпретировать экспериментальные данные в сравнении с традиционно используемой стационарной моделью пересоединения Петчека.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на 19 ежегодном семинаре "Физика авроральных явлений", Апатиты, 1-5 марта 1996 г., на Международной конференции "Problems of Geocosmos", Санкт-Петербург, Россия, 17 - 23 июня
s 1996 г., на 31 сессии COSPAR, Бирмингем, Великобритания, 14 - 21 июля 1996 г., а также на семинарах кафедры физики Земли НИИ Физики СПбГУ. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, грех глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации 170 страниц машинописного текста, включая 30 рисунков и список литературы из 90 наименований.
