Микропульсации: физика явления и экспериментальные данные, использование для оперативного контроля за состоянием магнитосферы Потапов, Александр Сергеевич

Введение к работе

Предметом диссертации является теоретическое!! эксперпмен-
халыше исследование ряда гипов микропульсаций (геомагнитных
пульсаций). Полученнте при этом результатід исаользопаны для
разработки методов наземной диагностики и создания системы опе
ративного контроля околоземной плазми. '

Актуальность проблемы. Практически псе физические процессы взаимодействий солнечного ветра с магнитосферой сопровождаются генерацией волн в диапазоне геомагнитных -пульсаций (0,001 ... 5 Гц). К тому же во многих процессах микропульсации играют самостоятельную роль, например, они заметно 'влияют на процессы высыпания авроральиых частиц по время суббурь, имеют значение для ускорения магнитосферных частиц, служат важным, если но решающим, элементом квазивязкого взаимодействии солнечного ветра с геомагнитным полем на магнитопаузе, играют большую роль в диссипации частиц-средних анергий, накапливающихся в области кольцевого тока после магнитных бурь.

Независимо от того, являются ли полны элементом' динамики магьитосферы, или же они выступают п роли "побочного продукта" явления, геомагнитные пульсации, служащие отражением атих волн на поверхности Земли, цесу.т информацию.о всех деталях физических процессов, о структуре и параметрах областей, где эти процессы протекают. Остается расшифровать.заложенную в них информацию.

Все это обусловливает .научную и практическую важность исследования геомагнитных пульсаций. С одноЧ стороны, изучение роли низкочастотных полц в процессах солнечно-магнитосферного взаимодействия, а также при накоплении и диссипации энергии п магнитоеф'.-ро по время .возмущений позволяет более детально исследовать эти процессы.

С другой стороны, анализ механизмов генерации и распространения поли даст возможность разработать методы наземной диагностики параметров околоземной плазмы по данным наблюдения геомагнитных пульсаций. Комплексное использование этих методов, особенно п совокупности с другими наземными способами получения информации об околоземной среде, позволяет создать систему

оперативного контроля за состоянием магнитосферы и окружающего ее солнечного ветра, имеющую неоценимое значение для целого ряда задач. Среди ни*, можно выделить такие, как обеспечение радиационного прогноза для космической навигации, мониторинг воз мущенности геомагнитного поля с целью выработки оперативных сообщений о неблагоприятных воздействиях на человека и электронную аппаратуру в полярных районах.

Цель работы состоит в исследовании физической природы Наиболее перспективных в информационном отношении типов геомагнитных пульсаций, разработке на этой основе методов наземной диагностики и создания системы алгоритмов для оперативного контроля за состоянием магнитосферы.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

1. Разработка теоретических аспектов гипотезы о внемлгнито-сферной генерации дневных устойчивых геомагнитных пульсаций.

2. Анализ экспериментальных свидетельств внемагнитосферно-го происхождения пульсаций РсЗ-4.

Зц Теоретическое рассмотрение (с целью получения практических оценок) возбуждения и распространения йолїі в плазменных мапшгосферных волноводах и анализ наблюдательного материала.

4. Выяснение роли геомагнитных пульсаций d процессах нако-цлеши'и диссипации энергии в кольцевом токе во время магнитных бурь.

б. Разработка комплекса методов наземной диагностики различных физических процессов в околоземном пространстве на основе выявленных закономерностей связи геомагнитных пульсаций с Параметрами плазмы магнитосферы и солнечного ветра.

б. Создание самосогласованной системы алгоритмов для оперативного контроля состояния Геомагнитного поля.

Как правило, при решении перечисленных задач использовался метод последовательного анализа, заключавшийся в том, что сначала рассматривались теоретические аспекты генерации и распространения определенного типа пульсаций, затек; е свете полученных физических представлений, анализировались дакзые наблгсде-

ний того же типа колєбапий, результаты сопоставления теории и эксперимента использовались для разработки методов диагностики определенных плазменных параметров, наконец, разработанные методы применялись при составлении алгоритмов оперативного контроля.

Научная новизна. В работе впервые были получены следующие новые результаты:

1. Разработана теория возбуждения геомагнитных пульсаций
типа РсЗ-4 перед фронтом околоземной ударной волны за счет ци
клотронной неустойчивости потока отраженных протонов.

2. Проанализирована эволюция волнового пакета при его движении через область генерации до пересечения с ударным фронтом.

3. Прослежена зависимость амплитуды пульсаций РсЗ 4 от скорости солнечного ветра в цикле солнечной активности. Показано, что корреляция между днумя параметрами максимальна на фазе спада.

4 На основе аналогии с задачей о падении электромагнитной волны на слой диэлектрика проанализирована проблема возбуждения альпеноиских резоцансов геомагнитных силовых линий под действием проникающих извне магпитозпукоиых волн. Сделана оценка оптимального значения азимутального волнового числа.

Г). Показано, что положение высокоширотного максимума амплитуды пульсаций РсЗ и его зависимость от периода определяются характером распределения плазмы за пределами плазмосферы. Высокоширотный максимум исчезает при ослаблении магнитной ноз-мущешюгти до крайне низких значений.

G. Выполнена экспериментальная оценка резонансной частоты и добротности среднещиротных альпеноиских резонаторов и зависимости этих параметров от широты и'местного времени.

7. Получены удобные для практического применения формулы для времени группового запаздывания альпеноиских и магнитозпу-ковых волн в плазменных волноводах различного профиля.

8. Предложена интерпретация диспергированных сигналов диапазона геомагнитных пульсаций, наблюдающихся в полярных шапках..

9. Показано, что пространственное распределение и режим вы
сокоширотных пульсаций Рс1-2 определяется распределением и со
ставом плазмы в дневной высокоширотной магнитосфере.

10. Получены выражения инкрементов нарастания (в результате взаимодействия с быстрыми частицами) моды на запертых протонах и циклотронной неустойчивости быстрых магнитоэиуковых волн в продольно неоднородном геомагнитном поле.

11. Сделаны оценки баунс-эффектов при генерации жемчужин.

12. На основе численного эксперимента проанализирована динамика пакета альвеновских волн, движущегося по плазмопаузе.

13. Построен феноменологическая модель Д_а{-вариации, где входными параметрами являются амплитуды геомагнитных пульсаций.

14. Показано, что наиболее оптимальной формой зависимости источника q образования кольцевого тока от межпланетного электрического поля Е является q ~ vE, а не q ~ Е, как в модели Расселла-Бартона-МакФерр л ..

15. Разработаны методы наземной диагностики скорости солнечного ветра, интенсивности кольцевого тока, расстояния до импульсного источника гидромагнитных волн в хвосте магнитосферы. Намечены пути разработки методой диагностики характерара пре-деления плазмы за пределами плазмосферы, структуры межпланетных ударных волн.

16. Разработаны принципы построения, конструкция первичного преобразователя, общая структура, алгоритмы в рамках работы по созданию системы оперативного контроля состояния магнитосферы но данным о пульсациях.

Научная и практическая ценность работы. Научная цен
ность работы заключается в разработке теории внемагвитосфер
ной генерации геомагнитных пульсаций РсЗ-4. Полученные прг
этом результаты существенно дополняют картину солнечно-мапш
тосфернрго взаимодействия, включал в нее такой важный элемент
как волновой канал передачи энергии солнечного ветра в магнито
сферу Земли. .

Существенное значение для понимания проблемы геомагнитны;

бурь имеет выполненный в работе феноменологический анализ l'>_sr вариации. Он прояснил роль пульсаций в процессах образования и диссипации кольцевого тока, позволил уточнить форму зависимости источника кольцевого тока от межпланетного электрического поля.

Научную и методическую ценность имеет разработка методов учета продольной неоднородности геомагнитного поля при рассмотрении вопросов генерации и распространения пульсаций, численное моделирование эволюции "жемчужин" на плазмопаузс, пыпод удобных для практического использовании формул для групповой скорости в плазменных волноводах.

Практическая ценность работы заключается в разработке целого комплекса методов наземной диагностики параметров околоземной среды на основе наблюдений геомагнитных пульсаций с привлечением дополнительной геофизической информации. Важно, что разработанные методы были опробованы в составе системы оперативного контроля за состоянием магнитосферы, также описанной в работе.

Сформулированные в работе научные выводы получили признание как отечественных, так и зарубежных исследователей, широко цитировались о статьях по геомагнетизму, различных авторов, были использованы в монографиях и обзорах: Гульельми А.В. "МГЛ-полны в околоземной плазме"; Михайловский А.Б. "Неустойчивости плазмы в магнитных ловушках"; Лихтер Я.И., Гульель-ми А.В., Ерухимов Л.М., Максимова Г.А. "Волновая диагностика приземной плазмы"; Гульельми А.В. "Геомагнитные пульсации впемагнитосферного происхождения"; Yun.jto К. "Generation and propagation mechanisms of low-latitude magnetic pulsations — A review"; Vero ,1. "Experimental aspects of low-latitude pulsations — A review" и ДР-

Достоверность и обоснованность полученных d работе результатов определяется сопоставлением теоретических выводов с наблюдательными данными, использованием больших массивов данных при статистической обработке материала, повторяемостью результатов на материалах разных станций, сравнение¹' с выводами других авторов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Разработана теория генерации геомагнитных пульсаций типа РсЗ-4 перед фронтом околоземной ударной волны вследствие циклотронной неустойчивости потока отраженных от фронта про тонов. Получены аналитические и численные оценки инкремента неустойчивости и несущей Частоты нарастающих колебаний в зависимости от параметров солнечного ветра; выполнен анализ эволюции спектра возбуждаемых волн в окрестности ударного фронте,.

2. Выявлены особенности распределения поля дневных геомагнитных пульсаций РсЗ-4 внутри магнитосферы:

а) оптимально значение азимутального числа — т ~ 2-4, оцен
ка выполнена на основе аналогии с задачей о наклонном падении
электромагнитной волны на слой изотропного диэлектрика;

б) форма высокоширотной части меридионального профиля РсЗ
определяется как периодом колебаний, так и распределением фоно
вой плазмы за пределами дневной плазмопаузы (эксперименталь
ный результат);

в) получена экспериментальная оценка значений резонансных
частот и добротности альвеновских резонаторов по трем средне-
широтным станциям, выявлен суточный ход добротности.

3. Проанализированы эффекты продольной и поперечной неод
нородности плазмы и геомагнитного поля в поведении разных мод
колебаний в магнитосфере:

а) получены оценки инкремента нарастания моды на запертых
ионах и быстрой магнитозвуковой моды в присутствии быстрых ча
стиц в продольно неоднородном геомагнитном поле;

б) показано, что учет влияния продольной неоднородности (ба-
унс-эффектов) на генерацию альвеновских волн (жемчужин) при
водит к модификации выражения для анизотропии, когда баунс-
частота много меньше гирочастоты прогонов, и дает возбуждение
дополнительных гармоник, когда эти частоты сравнимы;

в) определены условия, при которых возможно нарастание па
кетов жемчужин На плазмопаузе.

4 Предложена физическая интерпретация формы и морфологических-особенностей различных сигналов в диапазоне геомг.^нит-

ных пульсаций Pcl-3 (0,05 ... 2 Гц), наблюдающихся в высокоширотных областях.

5. Построена феноменологическая модель Djj-вариации, позволившая выявить роль геомагнитных пульсаций во время магниш-сферной бури и уточнить форму зависимости источника кольцевого тока от межпланетного электрического поля.

6. Разработаны методы наземной оценки скорости солнечного ветра, интенсивности кольцевого тока, расстояния до места локализации импульсных процессов в хвосте магнитосферы; намечены пути наземного слежения за состоянием плазмы в дневной магнитосфере и за структурой межпланетных ударных волн.

7. Разработана система оперативного контроля за состоянием магнитосферы по данным о пульсациях.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладыались на следующих международных и отечественных научных конференциях: Генеральные Ассамблеи МАГА в Киото, 1973, Грсюбле, 1975, Канберре, 1979, Москве, 1986, Вене, 1991 и Буэнос-Айресе, 1993; Международные симпозиумы КАПГ по солнечно-земной физике в Москве, 1974, Ашхабаде, 1979, Самарканде, 19S9; Всесоюзная конференция по плазменной асторофизике, Иркутск, 1970; Симпозиум по физике геомагнитосферы, 1977; П-ая Зимняя школа-семинар по физике магнитосферной плазмы, Тихани (Венгрия), 1978; Всесоюзная конференция "Прогнозирование состояния магнитосферы', Иркутск, 1980; Всесоюзное совещание по итогам выполнения программы МИМ, Ашхабад, 1981; Всесоюзный семинар "Перспективы исследования геомагнитных пульсаций", Иркутск, 1984.

По теме диссертации опубликованы 52 научные работы. Основные 35 из них приведены в автореферате.

Личный вкла,,. Автор принимал участие в разработке наблюдательных программ комплексных геофизических экспериментов, проводившихся п авроральных областях в рамках кампании "Международные исследования магнитосферы" в 1976, 1979 и 1982-1983 гг., осуществлял методическое и научное руководство наблюдениями геомагнитных пульсаций во время экспедици-. на Камчатке, в Якутии и в Монголии (принимал непосредственное участие в

некоторых нз этих экспедиций), а также непрерывными измерениями пульсаций в обе. Монды и Узур, участвовал в разработке и изготовлении измерительной и калибровочной аппаратуры, которой оснащались временные и постоянные пункты наблюдений.

D теоретических работах автор, как правило, формулировал основные научные идеи и осуществлял решение проблемных задач, поставленных п диссертации. Им же в основном выполнялись конкретные вычисления. Он является равноправным соавтором всех основных выводов и положений, сформулированных в совместных научных публикациях. В цикле экспериментальных работ автору принадлежит постановка задачи, составление программы измерений, научное руководство организацией наблюдений, контроль за метрологическим обеспечением, разработка методик и паритетное участие в обработке и анализе материала.

Общая структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Объем основного текста составляет 188 страниц, 51 рисунок, 11 таблиц, библиография — 213 наименований на 28 страницах. Общий объем — 263 страницы.