Введение к работе
з
Диссертация посвящена исследованию гелиосферных плазменных токовых слоев - магнитозвуковых ударных волн (МЗУВ) и квазинейтральных токовых слоев (КТС) посредством лабораторного и численного моделирования Основные рассматриваемые в диссертации проблемы следующие
I) формирование МЗУВ и КТС, закономерности распространения, эволюция структуры магнитного и электрического полей,
П) перераспределение потоковой энергии МЗУВ нагрев и ускорение ионов и электронов,
III) нагрев и ускорение ионов в процессе эволюции КТС,
IY) техника эксперимента
Актуальность проблемы. Магнитозвуковые ударные волны и квазинейтральные токовые слои - это наиболее распространенные объекты в плазме гелиосферы Ударные волны генерируются при воздействии на замагниченную плазму магнитного или плазменного поршня, что происходит в короне и хромосфере Солнца, в процессе распространения потока плазмы солнечного ветра на орбиту Земли и при столкновении с магнитосферой Земли Основным структурным элементом, формируемым при обтекании магнитосферы Земли солнечным ветром, является плазменный геомагнитный токовый слой, включающий КТС Необходимость изучения названных плазменных образований связана с задачами определения характера и степени воздействия МЗУВ и КТС на ионосферу и магнитосферу Земли
Структура и пространственные характеристики фронта МЗУВ определяются в большой степени коллективным взаимодействием заряженных частиц с электростатическими и электромагнитными колебаниями, причиной которых является относительное движение ионов и электронов или неравновесность функций распределения частиц Плазменная турбулентность в значительной степени определяет диссипацию кинетической энергии МЗУВ и перераспреде-
4 ление ее между электронами и ионами, а внутри одной популяции - перераспределение энергии по спектру Изменение энергии частиц происходит и под воздействием макроскопических характеристик МЗУВ, в частности, скачка электростатического потенциала во фронте В направлении поперек фронта влияние потенциала проявляется в торможении налетающего потока ионов и отражении его части, вдоль фронта - в захвате частиц и их резонансном серфо-тронном (VpxB) ускорении
Квазинейтральный токовый слой является наиболее энергоемким из известных резервуаром магнитной энергии в плазме, способным накапливать ее продолжительное время Процесс же преобразования магнитной энергии в кинетическую энергию заряженных частиц происходит гораздо быстрее, в том числе и взрывным образом Существенная часть энергии магнитного поля при этом переходит к ионной компоненте плазмы
В процессе эволюции названных плазменных объектов в магнитосфере Земли рождаются геоэффективные всплески энергичных частиц, возбуждающие геомагнитные пульсации При изучении причин генерации всплесков и их прогноза определяющим становится выяснение механизмов перераспределения потоковой или магнитной энергии, запасенной в плазменных токовых слоях, в энергию ионов и электронов Проблема эта имеет комплексный характер и ее исследование проводится методами математического моделирования, наземными измерениями «вторичных» характеристик ионосферы и измерениями непосредственно в космическом пространстве Основой измерений на космических аппаратах (КА) были результаты работы с плазменными токовыми слоями в лабораторных установках Лабораторный эксперимент и к настоящему времени далеко не исчерпал своих возможностей как способ исследования космических явлений посредством модельного переноса свойств в рамках качественного моделирования Космические измерения обеспечивают при попадании КА в плазменный слой хорошее временное и пространственное разрешение, что дало возможность, в частности, исследовать спектры электромагнитных колебаний в плазменных токовых слоях Лабораторный эксперимент проводится в условиях
5 хорошей воспроизводимости параметров плазмы и обеспечивает, например, возможность точной пространственной привязки к элементам структуры плазменного слоя, что особенно важно при изучении КТС и регулярных ускорительных процессов «Совместные» эксперименты, взаимно обогащая и дополняя друг-друга, обеспечивают достоверное понимание сути плазменных процессов, протекающих в МЗУВ и КТС К настоящему времени уже накоплено достаточно много примеров такого плодотворного сотрудничества Результаты лабораторных экспериментов по изучению закономерностей отражения и дальнейшей релаксации части ионного потока во фронте МЗУВ в широком диапазоне чисел Маха-Альфвена инициировали поиск и регистрацию отраженных ионов в околоземной ударной волне при, докритических числах Маха Лабораторные данные о различиях в эффективности ускорения ионов в особых Х- и О-точках КТС помогают в интерпретации локальных измерений в КТС геомагнитного хвоста
Таким образом, определяющий вклад в генерацию высокоэнергичных геоэффективных заряженных частиц, вносимый МЗУВ и КТС, и реализованная возможность полезного совместного изучения свойств МЗУВ и КТС в лаборатории и гелиосферной плазме определяют актуальность темы диссертационной работы как с научной, так и с практической точек зрения
Цель работы - исследовать магаитозвуковые ударные волны и квазинейтральные токовые в бесстолкновительной плазме и сопровождающие их процессы нагрева и ускорения частиц в приложении к физике гелиосферной плазмы Для достижения поставленной цели решались следующие задачи
Нахождение параметров, определяющих нагрев ионов в МЗУВ
Определение роли отраженных ионов в диссипации энергии ударной волны Изучение экспериментальными методами и путем численного счета причин и закономерностей отражения ионов МЗУВ и характеристик рассеяния ионов во фронте МЗУВ
Исследование тонкой структуры электростатического потенциала во фронте МЗУВ и связанного с ним эффекта нагрева электронов и формирования перед магнитным подножием электронной волны
Экспериментально и методами численного счета исследовать обнаруженный серфотронный механизм ускорения ионов в МЗУВ и КТС в приложении к околоземной ударной волне и геомагнитному хвосту
Изучить процессы ускорения протонов в КТС на различных стадиях его эволюции с привязкой к пространственной структуре КТС
Сравнение свойств лабораторных КТС с характеристиками процессов энерговыделения в плазменном слое геомагнитного хвоста и в солнечных вспышках
Разработка устройств создания магнитных полей для генерации токовых слоев с заданным законом изменения амплитуды во времени и аппаратуры корпускулярной диагностики плазмы
Научная новизна работы состоит в том, что впервые в практике лабораторного эксперимента проведено комплексное сравнительное исследование закономерностей нагрева и ускорения ионов в МЗУВ и КТС Основная часть результатов, изложенных в диссертации, являются новыми, обеспечивающими крупный вклад в развитие существующих научных направлений
Для МЗУВ установлено, что отраженные ионы аккумулируют значительную долю энергии, диссипирующей в ударной волне Они обнаружены и в док-ритических режимах распространения ударной волны Определено влияние отраженных ионов на нагрев и рассеяние ионов Экспериментально впервые наблюдался эффект захвата протонов фронтом МЗУВ и их серфотронного ускорения Изучены закономерности серфотронного ускорения Обнаружена тонкая структура электростатического потенциала во фронте МЗУВ и изучены эффекты отражения и рассеяния ионов в области двух изомагнитных скачков потенциала Экспериментально обнаружен эффект импульсного неадиабатического нагрева электронов в области релаксации отраженного ионного пучка и после-
7 дующего формирования перед магнитным подножием квазистационарной электронной волны
Экспериментально подтверждена эффективность КТС как источника энергичных ионов, которые образуются в результате воздействия совокупности ускорительных механизмов Выделен эффект отражения ионов от находящегося в движении КТС Экспериментально обнаружены ионы, набирающие энергию вдоль тока в результате серфотронного ускорения Наблюдались протоны, ускоренные на скачке амбиполярного потенциала и во фронте тепловой волны, которые формируются на границе КТС и холодной плазмы Исследована пространственная структура эмиссии горячих ионов определена эффективность их ускорения в особых Х- и О-точках Впервые показано, что наибольшие энергии приобретают ионы, локализованные в магнитных островах Обнаружен мощный всплеск эмиссии ускоренных ионов при вынужденном разрушении КТС В результате сравнения эффективности энерговыделения в ионной компоненте в лабораторном квазинейтральном токовом слое и в КТС, образующемся в области солнечной вспышки, показано, что энерговыделение в КТС может обеспечить вспышечные мощность энерговыделения и темп ускорения ионов Продемонстрирована полезность совместного анализа лабораторных данных и измерений на КА в КТС геомагнитного хвоста
Научная и практическая ценность работы. Практическая ценность изучения плазменных токовых слоев, в которых возможно накопление экстремально большого количества энергии и дальнейшая ее диссипация с темпом, близким к максимальному из известных в природе, состоит в необходимости объяснения явлений в гелиосферной плазме Научное значение диссертационной работы определяется комплексным подходом к изучению процессов перераспределения магнитной и кинетической энергии в магнитозвуковых ударных волнах и квазинейтральных токовых слоях, нагреву и ускорению заряженных частиц Динамика ионов изучалась в обязательной связи с макроскопической и «тонкой» структурой МЗУВ и процессами перестройки топологии КТС
Результаты проведенных исследований МЗУВ в совокупности со спутниковыми данными дают возможность получить более полную картину физических процессов в МЗУВ и ее структуры Данные лабораторных экспериментов по энерговыделению в КТС дают методику изучения ионных всплесков в КТС геомагнитного хвоста и энерговыделения в солнечных вспышках
Несомненную научную ценность имеют данные по детализации процесса отражения во фронте до- и сверхкритических МЗУВ и выяснению механизмов релаксации отраженного пучка ионов, обнаружение эффекта обмена энергией между отраженными ионами и холодными электронами, первые наблюдения и детальное изучение серфотронного механизма ускорения ионов Существенное влияние на подход к изучению энерговыделения в КТС оказывают результаты изучения пространственной структуры энерговыделения в КТС с привязкой к особым Х- и О-точкам Интересен факт ускорения ионов на скачке амбиполяр-ного электростатического потенциала, формирующегося на границе КТС и холодной плазмы, обнаружение мощного всплеска эмиссии ионов при вынужденном разрушении токовой структуры КТС Энергия ионов при этом намного превышает вклад индукционного электрического поля,
Основная практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты использованы в приложениях к гелиосферной физике и электрофизическому приборостроению
Апробация полученных результатов. Материалы диссертационной работы были представлены и докладывались на Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах, 6 Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы, Международной рабочей группе по анализу данных года солнечного максимума, III Всесоюзной школе по космической физике, II Рабочем совещании по моделированию космических явлений в лабораторной плазме, семинаре «Проблемы космической электродинамики», Международной рабочей группе по пересоединению в космической плазме, Всесоюзной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, Рабочей
9 группе «Плазменная астрофизика» и др, семинарах ИСЗФ СО РАН, ИКИ РАН, ИОФ РАН, ИПФ РАН, НИИ ЯФ МГУ Всего по теме диссертации за период 1977-2007 годы опубликовано более 45 работ, основные результаты изложены в работах [1-25]
Личный вклад автора. При осуществлении экспериментов, проводимых как и все плазменные эксперименты коллективом научных сотрудников, автору принадлежит постановка задачи, определение методов и средств ее решения, подготовка, необходимая модернизация установки и диагностического оборудования, руководство экспериментом, обработка и интерпретация его результатов Работы без соавторов содержат изложение или индивидуального взгляда автора на суть физических процессов, или новых идей в создании приборов корпускулярной диагностики
Автор выражает глубокую признательность коллективу лаборатории Динамики космической плазмы ИСЗФ СО РАН, своим соавторам, Н А Кошилеву, Г Н Кичигину, А Т Алтынцеву, Н В Лебедеву, А А Шишко, А Е Индюкову, В И Коротееву и В П Борзенко результаты плодотворного сотрудничества с которыми наши отражение в диссертационной работе
Структура и объем диссертации. Всего в работе 256 страниц текста, включая 94 рисунка и 6 таблиц Список литературы содержит 277 наименований Общий объем диссертации 290 страниц
