Содержание к диссертации
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Введение: РОЛЬ РЕЗОНАНСНЫХ ЭФФЕКТОВ В ПРОЦЕССАХ ВОЗБУЖДЕНИЯ, РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ УНЧ ВОЛН В ОКОЛОЗЕМНОЙ ПЛАЗМЕ
I. РЕЗОНАНСНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЕ ПОЛЯ УНЧ ВОЛН И ГИДРОМАГНИТНЫЙ МОНИТОРИНГ ОКОЛОЗЕМНОЙ ПЛАЗМЫ
1.1. Резонансная трансформация МГД волн в неоднородной плазме
1.2. Численная модель магнитосферно-ионосферного альвеновского резонатора
1.3. Численно-аналитическая модель прохождения альвеновских волн через ионосферу к земной поверхности
. 1.4. Теоретические основы методов наземной гидромагнитной диагностики магнитосферной плазмы ("магнито-сейсмология")
? Градиентные методы
? Поляризационные методы
? Многокомпонентные (Е и В) методы
? Метод годографа
1.5. Экспериментальные исследования магнитосферных резонансных эффектов на средних широтах
? Спектральное оценивание данных градиентных измерений
? Градиентный метод
? Поляризационный H/D метод
? Модифицированный градиентный метод
? Метод годографа восстановления распределения резонансных частот
? Методы гидромагнитной спектроскопии
1.6. Мониторинг свойств магнитосферно-ионосферного альвеновского резонатора на низких широтах
? Экспериментальные исследования диссипативных свойств MAP
? Спектральные особенности МАР на низких широтах
? Сравнение экспериментальных данных с численной моделью MAP Выводы к гл.1.
И. ИОНОСФЕРНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ УНЧ ВОЛН
2.1. Возбуждение ионосферных мод при прохождении альвеновской волны через ионосферу и искажение наземной резонансной структуры
? Аналитические оценки возможных искажений структуры волны
? Численно-аналитическая модель приземной структуры поля УНЧ волн
? Влияние ионосферных искажений на методы гидромагнитной диагностики
? Экранировка магнитосферного сигнала ионосферой
2.2. Поверхностные ионосферные моды на приэкваториальных широтах
? Приближение тонкой ионосферы
? Теоретические представления о распространении МГД волн вдоль ионосферы 2.3.0 возможности распространения УНЧ сигналов в волноводе Земля-ионосфера
? Волновые явления, возбуждаемые при SSC
? Возможные механизмы Ml и PI Выводы к гл. II
III. УНЧ ВОЛНЫ В ОБЛАСТИ ПОГРАНИЧНЫХ СЛОЕВ МАГНИТОСФЕРЫ
3.1. МГД волновод/резонатор для РсЗ УНЧ волн в области каспа
? Волновод со ступенчатым профилем
? Сопоставление модели с результатами волновых наблюдений в каспе
3.2. Долгопериодные квазипериодические вариации Pdpy6 в области каспа - модуляция высокоширотной ионосферы альвеновскими волнами солнечного ветра
? Глобальная пространственная структура и распространение Pdpy6 пульсаций
? Наблюдения долгопериодных альвеновских волн в солнечном ветре
? Возможные физические механизмы Pdpy6 пульсаций
? Модель наземного отклика на "волну включения" ионосферных токов
3.3. Возможные каналы передачи волновой энергии из хвоста магнитосферы в полярную ионосферу
? Модель магнитозвукового гидромагнитного волновода в хвосте магнитосферы
? Излучение поверхностных альвеновских волн из МГД волновода с резкой неоднородностью
? Волновод со слабым скачком параметров Численный расчет коэффициентов трансформации
Выводы к гл. III
IV. ВОЛНОВЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ СТРУКТУРЫ В АВРОРАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ
4.1. Тонкая волновая структура интенсивных токовых систем
? Наблюдения распространения TCV и всплеска Pi 1 на сети MACCS
? Оценка продольных токов магнитных импульсов и авроральных активизаций
? Возможные механизмы генерации Pcl/Pil колебаний при импульсном возбуждении
? Механизм квази-периодических осцилляции аномального сопротивления
? Геофизические следствия
4.2. Затухание альвеновских колебаний в авроральной области
? Электродинамическая модель магнитосферно-ионосферного резонатора в области аврорального ускорения
? Затухание альвеновских колебаний в магнитосферном резонаторе с AAR
? Сравнение различных механизмов диссипации МАР на авроральных широтах
4.3. Альвеновский резонатор в авроральной верхней ионосфере
? Отражение альвеновских волн от плазменных слоев
? Приближение тонкого AAR слоя
? Спектральные свойства альвеновского резонатора
? Ионосферное затухание узких альвеновских структур
? Сопоставление с данными наблюдений
4.4. Модуляция ускорения авроральных частиц альвеновскими волнами
? Модуляция падения потенциала магнитосферными альвеновскими волнами
? Возбуждение аврорального резонатора
? Проникновение альвеновских волн к земной поверхности
? Возможные проявления нового механизма модуляции ускорения авроральных частиц
4.5. Энергетический бюджет ускорения авроральных частиц альвеновской волной
? Коэффициент поглощения альвеновских волн в AAR
? Сопоставление модели со спутниковыми наблюдениями Выводы к гл. IV
V. РЕЗОНАНСНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ УНЧ ВОЛН ЧАСТИЦАМИ КОЛЬЦЕВОГО ТОКА
5.1. Низкочастотные волны и дрейфовые неустойчивости в неоднородной плазме конечного давления
5.2. Дрейфово-анизотропная неустойчивость протонов кольцевого тока Наблюдения Рс5 колебаний во время магнитных бурь на спутнике GEOS-2
5.3. Дрейфововая альвеновская неустойчивость, модифицированная кривизной геомагнитного поля
Наблюдения Рс5 волн и частиц на геостационарном спутнике.
5.4. Дрейфово-зеркальная неустойчивость в кривом магнитном поле
Глобальные Рс5 колебания на геостационарной орбите
5.5. Долгопериодные иррегулярные колебания в активную фазу магнитной бури
? Магнитная буря 15.05.1997 и динамика электронного радиационного пояса и кольцевого тока
? Глобальная динамика РІЗ колебаний и высыпаний частиц во время главной фазы бури
? Мелко-масштабная долготная структура магнитных пульсаций и высыпающихся электронов
? Нерезонансная генерация МГД волн поперечным нестационарным током
? Возможные механизмы генерации РІЗ и Рс5 пульсаций и их роль в ускорении релятивистских электронов
5.6. Резонансное ускорение релятивистских электронов УНЧ возмущениями ("геосинхротрон")
Выводы к гл. V
VI. ВОЗМУЩЕНИЯ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И ИОНОСФЕРЫ АНТРОПОГЕННЫМИ, АТМОСФЕРНЫМИ И ЛИТОСФЕРНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ
6.1. Антропогенные и атмосферные источники
6.2. Сейсмо-электромагнитные и сейсмо-ионосферные возмущения Выводы к гл. VI
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
? публикации по теме диссертации
? общий список литературы
Приложения:
1 Параметры и модели околоземной среды
2 Сети магнитных станций
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Взаимодействие потока плазмы солнечного ветра с магнитосферой земли, определяющее состояние космической погоды в околоземном пространстве, имеет нестационарный и турбулентный характер. Благодаря наличию естественных МГД волноводов и резонаторов все динамические процессы в околоземной среде сопровождаются появлением электромагнитных волн ультра-низкочастотного (УНЧ) диапазона (покрывающим три порядка по частоте, от долей мГц до первых Гц). Для исследований плазменных процессов в ближнем космосе УНЧ волны имеют такое же значение, как сейсмические волны для изучения строения Земли - они позволяют проводить дистанционное зондирование и мониторинг областей, недоступных in-situ измерениям. Хотя лишь для небольшого числа из необычайного разнообразия периодических возмущений в околоземной плазме можно с уверенностью считать их физическую природу выясненной, тем не менее, существует принципиальная возможность использования регистрируемых на Земле УНЧ волн для гидромагнитной диагностики - определения параметров магнитосферной и ионосферной плазмы. По сравнению с волновыми процессами в других областях физики, волны в плазме обладают рядом специфических уникальных особенностей. Из этих особенностей принципиальное значение имеют резонансные эффекты -резонансное взаимодействие волн и частиц, резонансная трансформация волн, и формирование резонаторов и волноводов. Рассматривая земную магнитосферу как природную плазменную лабораторию, можно надеяться, что разработанные представления о процессах в этой среде могут быть перенесены на недоступные прямым измерениям Солнце и астрофизические объекты.
Цель работы состояла в детальном исследовании влияния резонансных эффектов в околоземной среде на возбуждение и распространение УНЧ волн, в частности:
разработка и апробация различных методов определения параметров магнитосферного резонатора по данным наземной регистрации УНЧ волн;
выяснение возможности распространения УНЧ сигналов вдоль ионосферы и в волноводе Земля-ионосфера;
выявление механизмов и особенностей волновых явлений в пограничных областях магнитосферы;
определение роли резонансного взаимодействия волна-частица в возбуждении УНЧ колебаний;
выяснение влияние особенностей области ускорения авроральных электронов на формирование на этих широтах специфических волновых явлений и на распространение магнитосферных альвеновских волн;
возможность выделения из всего многообразия природной магнитосферной активности аномальных возмущений антропогенной и сейсмической природы.
Основные защищаемые положения
Комплекс методов «магнито-сейсмологии» для наземного мониторинга распределения околоземной плазмы, основанный на физическом эффекте резонансной трансформации магнитосферной волновой энергии в локальные альвеновские колебания магнитных оболочек. Существование специфического класса поверхностных МГД волн, распространяющихся вдоль проводящего слоя ионосферы. Наличие волновых УНЧ явлений во внешней магнитосфере ( 10 RE), которые благодаря механизмам конверсии волновой энергии в направляемые альвеновские волны переносят информацию о динамике этих областей к земной поверхности. Наличие волнового механизма модуляции и ускорения электронов в верхней ионосфере на авроральных широтах.
Обоснование механизмов спонтанного возбуждения УНЧ колебаний в результате дрейфовых неустойчивостей неоднородных распределений энергичных частиц в околоземной среде.
Наличие разнообразных аномальных не-магнитосферных возмущений геомагнитного поля и ионосферной плазмы, вызванных антропогенной, метеорологической и сейсмической активностью.
Научная новизна работы состоит в том, что - построена наиболее полная теоретическая модель магнитосферно-ионосферного альвеновского резонатора;
- построена теоретическая модель искажения резонансной волновой структуры при прохождении через ионосферу к земной поверхности;
- разработан и апробирован ряд новых методов наземного мониторинга плотности магнитосферной плазмы;
- экспериментально обнаружена и теоретически смоделирована ранее неизвестная особенность геомагнитных РсЗ волн на низких широтах - аномальная зависимость собственного периода магнитосферного резонатора от широты и резкое усиление его диссипативных свойств;
- предсказано существование открытого МГД резонатора/волновода в области высокоширотного каспа;
- обнаружено явление модуляции высокоширотной ионосферы долгопериодными альвеновскими волнами солнечного ветра и построена численная модель наземного отклика;
- предсказано существование новых волновых процессов в авроральной области: альвеновский резонатор в верхней ионосфере и модуляция высыпания электронов альвеновскими волнами;
- количественно обоснован механизм активизации авроральных дуг альвеновскими волнами;
- построена исчерпывающая линейная теория возбуждения низкочастотных колебаний протонами кольцевого тока в результате кинетических дрейфовых неустойчивостей;
- обнаружены и интерпретированы новые природные эффекты возмущения геомагнитного поля и ионосферы антропогенными, метеорологическими и сейсмическими источниками.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. Особенностью работы является попытка синергетически объединить разработку адекватных теоретических моделей с их апробацией с помощью специализированного анализа данных наземных и спутниковых наблюдений, и далее - с постановкой новых нерешенных проблем. Поэтому все теоретические представления, развиваемые автором, получили непосредственное экспериментальное подтверждение, а обнаруженным новым природным явлениям была дана непротиворечивая интерпретация. Многие из результатов работы были опубликованы достаточно давно, некоторые - около 20 лет назад, и «прошли проверку временем»: несмотря на большое число новых работ, значительно расширивших прежние представления, основные результаты автора не опровергались, о чем свидетельствует большое число ссылок (более 300 по данным International Citation Index). Все результаты, представленные в диссертации, опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах с анонимным рецензированием.
Научная и практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты закладывают практические основы для наземных методов гидромагнитной диагностики магнитосферы, и позволяют говорить о создании «магнито-сейсмологии» околоземного пространства. Разработанные теоретические модели резонансной трансформации МГД колебаний и кинетических дрейфовых неустойчивостей являются новыми не только для космической геофизики, но и физики плазмы в целом. Разработанные представления о резонансном взаимодействии УНЧ волн с релятивистскими электронами, представляющими угрозу для надежного функционирования технологических систем в космосе, позволили ввести в космическую геофизику новый геомагнитный индекс - волновой УНЧ индекс, характеризующий уровень УНЧ турбулентности в околоземной среде и используемый для прогноза радиационной опасности для геостационарных спутников. Кроме того, УНЧ диапазон оказался наиболее перспективным для поиска электромагнитных шумов литосферного происхождения, связанных с процессами подготовки землетрясений.
Личный вклад. Характерной особенностью исследований, проводимых автором, является сочетание разработки новых теоретических представлений с их апробацией при обработке и анализе спутниковых и наземных данных. Для наземных исследований пульсаций при непосредственном участии автора был осуществлен ряд международных проектов, материалы которых использованы в работе. Автор участвовал в постановке работ, компьютерной обработке данных и их теоретической интерпретации. Все статьи, на которых основана диссертационная работа, были написаны лично автором, даже если он и не являлся первым соавтором.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, 6 глав, Заключения, 2 приложений, списка литературы (296 наименований) и списка публикаций автора в рецензируемых изданиях (ПО наименований). Работа содержит 241 страниц текста, 128 рисунков, 1 табл.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались в более чем 40 докладах, сделанных автором на отечественных и международных конференциях:
- генеральные ассамблеи Международного Геофизического и Геодезического Союза IUGG (Ванкувер 1991, Бермингем 1999, Саппоро 2003)
- ассамблеи Международной Ассоциации по Геомагнетизму и Аэрономии IAGA (Прага 1985; Упсала 1997, Тулуза 2005);
- конференции Американского Геофизического Союза AGU (Сан-Франциско 1991,1992);
- международные конференции по плазменной астрофизике, солнечно-земной физике и геокосмосу (Иркутск 1976, С-Петербург, 2004; 2006; Апатиты, 1998,2002);
- научные семинарах ИФЗ, НИИЯФ, ИКИ, ИСЗФ.
Из 134 работ, опубликованных автором в рецензируемых изданиях, непосредственно теме диссертации соответствует 110 работ.
Благодарности. Автору посчастливилось сотрудничать с блестящими физиками -Похотеловым О.А. и Федоровым Е.Н., от которых он многому научился и благодаря которым ему удалось что-то сделать в науке. Автор также признателен другим талантливым коллегам и прекрасным людям за годы совместной работы: Мазур Н.Г., Гохберг М.Б., Курчашов Ю.П., Шалимов С.Л., Козырева О.В., Чугунова О.М., Ягова Н.В., Сурков В.В.
Введение: Роль резонансных эффектов в процессах генерации, распространения и поглощения УНЧ волн в околоземной плазме
В этом разделе сформулирована цель работы, обоснована постановка решаемых задач, дан краткий обзор современного состояния исследований вариаций геомагнитного поля в УНЧ диапазоне, и кратко изложено место работ, составляющих содержание диссертации. Детальные ссылки на работы автора даны в соответствующих разделах диссертации.
Магнитогидродинамические (МГД) волны, пронизывающие все околоземное космическое пространство, доносят до земной поверхности информацию о свойствах окружающей Землю плазмы и динамических процессах в ней. Эти волны регистрируются спутниковыми и наземными магнитометрами в виде ультранизкочастотных (УНЧ, или Ultra-Low-Frequency, по УНЧ волны западной терминологии) пульсаций геомагнитного поля в частотном диапазоне 1мГц-1 Гц. Геомагнитные пульсации были, по существу, первыми электромагнитными волнами, зарегистрированными при помощи примитивного магнитометра человечеством. Энергетически УНЧ волны являются самым мощным волновым электромагнитным процессом в околоземном пространстве, как видно из сопоставления плотности потока спектральной энергии наиболее мощных космических излучений (рис. В1).
Исследование волновых явлений в околоземной плазме опирается на математический аппарат и теоретические подходы, разработанные в физике плазмы и магнитной гидродинамике. Однако нельзя сказать, что осмическая геофизика занимается только приложением физических предсталений, выработанных в общей физике плазмы. Ряд принципиально новых физических идей, получивших затем широкое развитие, пришел в физику плазмы из космической геофизики: пересоединение силовых линий и аннигиляция магнитных полей, бесстолкновительные ударные волны, и др. Сюда же следует добавить и рассматриваемые ниже волны Альвена, отмеченного за их открытие Нобелевской премией. Конверсия МГД волн в области альвеновского резонанса, впервые предложенная для интерпретации структуры УНЧ волн в магнитосфере Земли, ныне широко используется в работах по управляемому термоядерному синтезу для радиочастотного нагрева плазмы [Chen and Hasegawa, 1974; Тимофеев, 1979] и для объяснения нагрева солнечной короны [Grossmann and Smith, 1988].
