Введение к работе
Низкочастотная волновая диагностика является одним из наиболее мощных средств исследования плазменных оболочек Земли и других небесных тел. В ИЗМИРАН начало низкочастотных волновых исследований на спутниках, в которых принял активное участие автор диссертации, относится к 1970 г. В первых экспериментах был определен круг возможных измерений, но с их развитием сформировался широкий спектр задач, в которых низкочастотные волновые процессы имеют первостепенное значение. К таким задачам относятся магннто-сферно-ионосферные связи, включающие проблемы взаимодействия волна-частица; наблюдения Земли из космоса, которые используют низкочастотные волны для регистрации сейсмо- и метеоэффектов и техногенных процессов; проблемы связи - применение НЧ-ретрансляторов для увеличения дальности распространения СДВ-волн; наконец планетарная физика - изучение плазменных оболочек небесных тел. Несмотря на то, что упомянутые задачи относятся к разным разделам геофизики, их объединяет фундаментальная проблема генерации и распространения низкочастотных волн. В свете новых задач повысились требования к точности амплитудных, пространственных и временных измерений. Потребовалась разработка новых, более совершенных методов диагностики свойств среды и регистрации НЧ-электромагнитных полей в условиях космоса.
Настоящая диссертация относится к двум разделам геофизики: физике магнитосферы Земли и околокометного пространства. Она посвящена изучению процессов генерации и распространения низкочастотных волн в условиях собственного магнитного поля Земли и индуцированного магнитного поля кометы Галлея на базе новых методов исследования магнитосферной плазмы Земли, активной волновой диагностики и измерений волновых процессов-в окрестности кометы.
Значение работы определяется необходимостью решения актуальных фундаментальных и прикладных задач, связанных со структурой плазменных и магнитных образований около различных космических тел, со взаимодействием солнечного ветра ССВ) с собственными и индуцированными полями этих тел, с эффектами влияния солнечной активности и магнитных бурь на плазму и волновые процессы в ней.
Одной из основных задач современной физики магнитосферы является изучение свойств плазмы во всем ее объеме в комплексе с
распределением электромагнитных и электростатических волн. Волновые процессы не вносят решающего вклада в энергетику магнитосферы Сих вклад по разным оценкам колеблется в пределах от нескольких процентов- до нескольких десятков процентов от общей энергиймагни-тосферыЗ. Однако ОНЧ-волны могут стимулировать плазменные процессы н переносить энергию из одной области в другую. Магнитосфера как глобальная среда благоприятствует возбуждению длнннопериодных колебаний, но наряду с ними большое значение пмеют быстропротека-Ю'лие процессы, длительность которых составляет доли секунды. Изучение таких процессов возможно путем широкополосной регистрации НЧ-волновых явлений на спутниках. Как показали многолетние наблюдения, НЧ-волны регистрируются во всех областях магнитосферы, но наибольшую интенсивность они имеют вблизи плазмопаузы и в авро-ральноц области, т.е. в зонах высыпания энергичных частиц, которые проектируются вдоль геомагнитных силовых линий в главный ионосферный провал и высокоширотную ионосферу. Благодаря этому наблюдения на низкоорбитальных спутниках позволяют контролировать процессы в дальней магнитосфере. Одно из необходимых условий углубленного изучения волновых процессов - накопление сведений об их свойствах путем регистрации естественных излучений (свистящих атмосфериков, хоров, шипений и т.д.). Дальнейший шаг в исследовании этих процессов связан с использованием методов активной волновой диагностики, которая, в свою очередь, ставит дополнительные вопросы взаимодействия источников энергии с плазмой.
Особый интерес представляет волновые явления в области индуцированных электромагнитных полей, где НЧ-золновые процессы коррелируют с ыагнитогидродинамическими. Такие процессы имеют место как на границе магнитосферы, так и вблизи небесных тел, не обладающих собственным магнитным полем. Уникальный эксперимент БЕГА дал возможность наблюдать эти процессы in situ и сравнить их с процессами в земной магнитосфере.
Результаты поэтапного решения этих задач, полученные автором в серии космических экспериментов, составляют содержание настоящей диссертации.
. Цель» работы являются экспериментальные исследования низкочастотных волновых процессов' в магнитосфере Земли и в окрестности кометы Галлея. Для решения этой задачи были разработаны и созданы соответствующие НЧ-бортоЕые приборы, установленные на ИСЗ: "Кос-
мое-381" (1970г.), "Интеркосмос-13" (1975г.), "Интеркосмос-14" С 1975г.), "Интеркосмос-18" (1978г ), "Интеркосмос-19" (1979 г.), "Ореол-3" (1981г.), "Космос-1809" (1986г.), "Интеркосмос-24" (1989г.) и на КА "ВЕГА-1" и "ВЕГА-2" (1986г.). Разработана методика волновой диагностики околокометной и околоземной плазм в пассивных (с использованием естественных НЧ-излучений), а также в активных (с использованием бортовых источников) космических экспериментах.
Научная новизна и основные результаты. В диссертации развито новое научное направление, а именно: электро- и магнитометрия в условиях космических экспериментов для исследования физических параметров плазменных оболочек небесных тел на основе прямых измерений НЧ-электромагннтных полей с использование» современных радиофизических методов регистрации и анализа данных.
В результате этих исследований впервые определена тонкая структура спектров НЧ-волн в окрестности кометы Галлея, впервые приведено одновременно полученное с двух ИСЗ пространственное паспределение волновых полей различного типа НЧ-излучений в земной магнитосфере, впервые реализованы систематические определения эффективной массы ионов активными волновыми методами. В процессе подготовки космических экспериментов были решены приоритетные методические и технические вопросы, такие как разработка и создание высокочувствительной аппаратуры для измерения электрической и магнитной компонент поля, которая по своим.характеристикам была на уровне, а в некоторых экспериментах выше уровня зарубежных аналогов; создание испытательньк стендов к разработка методик тестирования; детальное исследование вопросов электромагнитной совместимости в условиях комплексных космических экспериментов. Полученные с помощью телеметрии данные представлены в' аналоговой или цифровой формах, обработка которых выполнена современными цифровым» методами (быстрое преобразование Фурье, метод модифицированных периодограмм, метод максимальной энтропии и др.).
На защиту выносятся следующие положения:
-
Методика измерений'электрических и магнитных полей в маг-нитоактивной плазме.
-
Проведение серии экспериментов на ИСЗ и получение следующих результатов:
а) условия распространения и временные задержки при
канализированном и неканализировашюм распространении НЧ-волн;
б) основные фазы развития шумовой бури;
вЭ связь НЧ-шумов с квазистатическими электрическими полями.
-
Активная НЧ-волновая диагностика, включающая в себя систематическое определение частоты нижнего гибридного резонанса ыагнитосферной плазмы и эффективной массы ионов.
-
Тонкая структура спектров электрических и магнитных полей в окрестности кометы Галлея и их свойства, а именно:
а) связь максимумов спектров УНЧ-волн со шкалой масс
основных кометарных ионов; ионно-циклотронный характер возбуждае
мых волн;
б) модуляция интенсивности волн (8-75 Гц) и механизм ее
возникновения;
5. Волновые свойства плазменных границ в кометошиссе кометы
Галлея.
Научная и практическая ценность работы. Работа выполнена в рамках научных планов лаборатории НЧ-излучений и электромагнитной совместимости ИЗМИРАН в период 1970-1995 г.г. Результаты ее внесли вклад в решение ряда фундаментальных и практических задач, а именно:
-
Динамика спектров ОНЧ-сигналов и шумов является составной частью системы гелиогеофизического мониторинга, позволяющей прогнозировать магнито-ионосферные возмущения.
-
Результаты анализа работы приемных и излучающих антенн в условиях космооа используются при разработке спутниковых систем дальней связи в ОНЧ-диапазоне. В этих же работах применяются предложенные автором методы контроля импеданса антенны.
-
Результаты анализа электромагнитной совместимости прибо-" ров на КА внесли свой вклад в становление и развитие нового научно-технического направления - электромагнитной совместимости высокочувствительных приборов и аппаратов в наземных условиях.
-
Результаты работ используются в ИКИ РАН, ИПФ РАН, ИФЗ РАН, ПГИ КФ РАН, ИКИР ДВО РАН, ИПГ Госкомгидромета, НПО им. Лавочкина, ОКБ МЭИ, Ростовском Государственном и Ярославском педагогическом университетах, а также в ряде организаций ближнего (КБ" "Южное" г.Днепропетровск; ФМИ г.Львов, Украина) и дальнего зару-бегья СЦентр космических исследований, Варшава) для анализа и ий-
~ I -
терпретации волновых измерений, при разработке электрических и магнитных даг.иков и комплексов волновой аппаратуры.:
6. Методика измерения электрических и магнитных полей в НЧ-диапазоне используется в настоящее время при подготовке перспективных космических проектов: Универсальная геофизическая орбитальная лаборатория СУНИГОЛ), "Солнечный зонд" и "Единство".
Личный вклад автора. В задачу автора входила не только разработка методики низкочастотных измерений, но и ее реализация, т.е. создание высокочувствительной и стабильной аппаратуры, работоспособной в условиях космического эксперимента. На начальной стадии НЧ-волновых исследований, в 1970 г., на ИСЗ "Космос-381" [16] и Интеркосмос-14" [101 автор впервые принимал участие как ответственный исполнитель НЧ~эксперимента.
В развитие НЧ-экспериментов по техническому заданию, составленному Я. И. Лихтером совместно с автором, коллективом специалистов ОКБ МЭИ был создан комплекс АНЧ-2МЕ, в котором каналы для измерения электрической и магнитной компонент поля согласованы как по чувствительности, так и по амплитудно-частотным характеристикам [13,25]. Изготовление, установка и испытания комплекса на макете ИСЗ осуществлялись под руководством автора. Этот комплекс, будучи изготовленным из отечественных радиоэлементов, явился базовым для низкочастотных волновых исследований в околоземной плазме, проводившихся в нашей стране в период с 1978 по 1993 г.г. на четырех спутниках Сна каждом из них он надежно функционировал более 5 лет).
С начала 80-х годов автор в качестве одного из ответственных исполнителей участвовал в подготовке эксперимента "ВЕГА" для исследования НЧ-электрического поля вблизи кометы Галлея и во всех испытаниях прибора "Анализатор плазменных волн - высокочастотный" ("АПВ-В"), разработанного Европейским Космическим Агенствоы СНордвейк, Голландия). В составе оперативной группы управления он контролировал работу "АПВ-В" во время пролета КА кометы. Значительная часть публикаций по интерпретации результатов измерений с помощью этого прибора выполнена с участием автора [26-28,30-37, 39,41,46] и включена в диссертаций.
Под руководством автора выполнена обработка данныхмагнитометров С"МИША") на КА "ВЕГА" современными цифровыми методами для исследования тонкой структуры спектров магнитного поля. Результа-
„ ты этих работ, выполненных совыестно с коллегами из лаборатории магнитных космических мсследовалия ИЗМИРАН, с их согласия, включены в диссертацию f32,381. D нее включены также результати совместной работы с Институтом метеорологии и геофизики (г.Кельн, Германия) по анализу данньа магнитометров на КА "Джотто" при про-пзтах комет Галлея и Грига-Скъеллерупа.
Автор был ответственным исполнителем работ по активным плаз-иеиным экспериментам. Так, на спутнике "Интеркосмос-?.4" С"Активний") под ого руководством іюализована серия экспериментов с прибором для возбуждения плазмы (ПВП), который представляет собой электрический генератор, нагруженный на дипольную антенну 142-44). Этот прибор функционировал в полном соответствии с задачами проекта. Прибор ПВП создан в ОКБ МЭИ по техническому задании автора.
Автор являлся также соисполнителем солнокого эксперимента на спутнике "АПЭКС" (активный плазменный эксперимент) 145]
По теме диссертации опубликовано 46 работ в отечественных и зарубежных изданиях.
Апробация работы. Материалы диссертации докладыг-ались на 1-ofl конференции ИЗМИРАН, П(.священной Дню Радио (г.Москва, 1959 г.); на I-IX Всесоюзных семинарах по ОНЧ-излучениям (1974-1992 г.г.); на Международных Симпозиумах по физике ионосферы, магнитосферы и солнечного ветра (г. Калуга, 1975 г , Цахкадзор, 1981 г.), на XX Пленарном заседании КОСПАР (Варна, 1974 г ); на Международном симпозиуме по подобию и происхождению комет (Брюссель, 1987 г.); на Международных совещаниях по проекту "Активный" (Москва. 1989 г.; Абингдон, Англия, 1991 г.); на XXI Международном Вроцлавском симпозиуме по электромагнитной совместимости (Вроцлав, Польша, 1992 г )
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения. Общий объем -327 стр . из них рисунков И К> таблиц список литературы из іоо названий.