Введение к работе
Предметом диссертации является исследование откликов магнитосферы на импульсные воздействия различной природы (включение и выключение источников солнечного ионизирующего излучения, набегание на магнитосферу межпланетных ударных волн, взрывные процессы в хвосте магнитосферы), проявляющихся в геомагнитных пульсациях.
Актуальность проблемы
Научный и практический интерес исследования геомагнитных пульсаций — естественных сверхнизкочастотных (f є Ю-3 ^-2 Гц) излучений определяется тем, что они, как и любой другой тип волн, содержат информацию об источниках и среде распространения. На этой основе сформировалось и развивается направление исследований, получившее название «гндромапштная диагностика».
Успех развития средств диагностики и прогноза состояния околоземной среды н попыток реализовать систему мониторинга магнитосферы, зависит от уровня понимания н исследованности свойств регистрируемых излучений, физической природы основных управляющих процессов н параметров, характеризующих и контролирующих их развитие.
Вместе с тем практическое применение пульсаций для целей диагностики тормозится недостатком информации об их пространственных закономерностях, локализации источников, связи с различными проявлениями солнечной активности и, как следствие, отсутствием адекватных физических моделей формирования спектров наблюдаемых разновидностей пульсаций.
Поэтому анализ реальной физической картины, связывающей воедино источники возбуждения и соответствующие им магнитосфериые отклики в геомагнитных пульсациях, представляет собой актуальную задачу не только с точки зрения физики геомагнитных пульсаций, но и для развития методов диагностики и краткосрочного прогнозирования магнитосферных возмущений.
По характеру временного поведения наблюдаемые колебания целесообразно подразделить на два больших класса. К одному следует отнести колебания, порождаемые различными неустопчнвостямн плазмы в солнечном ветре и магнитосфере. Другой класс составляют нестационарные колебания с детерминированным поведением во времени, которые возбуждаются под действием внешних импульсов. Под внешними импульсами мы понимаем любые воздействия, резко выводящие мапштосферную плазму из состояния равновесия: резкие возрастания н падения потоков электромагнитного ионизирующего излучения, межпланетные ударные волны, взрывные процессы в хвосте магнитосферы.
При нестационарных явлениях удается установить состояние системы до и после воздействия, определить зависимость отклика как функцию параметров и характера импульсов, выводящих систему из равновесия, выделить главные факторы, определяющие поведение
системы в новом состоянии, исследовать характер переходных процессов, накопить статистику того или иного воздействия. Именно сведения о возбуждении н распространении колебаний вследствие таких процессов необходимы как для экспериментального подтверждения любой гипотезы о механизме генерации пульсаций, так и при решении прикладных задач.
Цель работы. Последовательно и на одной методологической основе исследовать природу геомагнитных пульсаций, возбуждение которых стимулировано импульсными воздействиям» на ионосферу и магнитосферу различными видами солнечных излучений, а также импульсными процессами внутри магнитосферы.
В соответствии с целью работы Оылн поставлены следующие задачи:
-
Выявление новых типов, анализ и интерпретация свойств геомагнитных пульсаций, сопровождающих солнечные вспышки л затмения, внезапные начала магнитных бурь и суббури.
-
Исследование пространственно-временных закономерностей колебаний и на этой основе определение масштабов и локализации источников и их дрейфов.
-
Анализ переходных процессов при взаимодействии межпланетных ударных волн с магнитосферой.
-
Исследование факторов в солнечном ветре и магнитосфере, определяющих режим и параметры пульсаций.
-
Разработка процедур для диагностики солнечного ветра и магнитосферы по наземным наблюдениям пульсаций.
Достижение поставленной цели стало возможным только с привлечением данных, полученных на широкой сети наземных пунктов и, в том числе, на специально организованных меридиональных сетях станций, наблюдения на которых выполнялись в рамках координированных международных проектов.
Решение перечисленных задач требует кооперации наземных и спутниковых наблюдений. Поэтому в диссертации широко использованы результаты спутниковых измерений рентгеновского излучения, параметров солнечного ветра и магнитосферы, как заимствованные из литературных источников, так п полученные при систематической обработке данных спутников серии «Прогноз», проводимых в ИИНХ при участии автора.
Исследование природы и практическое применение наземных наблюдений пульсаций сильно зависят от степени упорядоченности эмпирических знаний о процессах, приводящих к наблюдаемой мозаике колебаний. Поэтому воспользуемся системным подходом, заключающимся в единообразии описания причинно-следственных связей явлений, вызываемых разными причинами, пытаясь проследить всю цепь взаимосвязей. Суть системного подхода заключается в следующем.
1. Рассматривается магнитосферно-ноносферлый отклик в частот-
ном диапазоне 0.001-2 Ги па импульсное воздействие различной природы: рентгеновское и гамма-излучение солнечных вспышек, межпланетные ударные волны, суббуревые взрывы.
-
Наземный отклик последовательно анализируется в четко определенных частотных диапазонах — высокочастотном (0.1-2 Гп), сред-нечастотном (0.02-0.1 Гн) и низкочастотном (0.02-0.001 Гц).
-
Последовательность описания представляется в виде
а) морфологического портрета излучений;
б) блок-схем взаимосвязи элементов системы, определяющих отк
лик на выходе системы;
в) физической модели.
Системный анализ и построение моделей требуют однозначного описания предметной области, что неизбежно приводит к вопросам классификации разнообразия геомагнитных пульсаций. Принятая в 1973 г. международная классификация, страдает существенными недостатками, поскольку в ней не нашли отражения специфические виды излучений, особенно в высокочастотном диапазоне. Эти недостатки в своем большинстве устранены в классификациях по виду динамических спектров. Однако, н эти классификации не в полной мере отражают наблюдения, на что в работе обращается внимание и предлагаются дополнения в классификацию к соответствующим видам пульсаций.
Научная новизна. Приведенные в диссертации результаты развивают известные и вскрывают новые, неизвестные ран ее закономерности возбуждения и распространения геомагнитных пульсаций. Получены следующие оригинальные результаты.
-
Исследована морфология и выявлены закономерности дневных иррегулярных пульсаций, причиной возбуждения которых является спорадическая ионизация ионосферы жестким рентгеновским излучением солнечных вспышек. Обнаружено, что спектр пульсаций простирается от 0.003 до 2 Гц. В спектре выделено три вида колебаний, различающихся по морфологическим свойствам и имеющих различные механизмы генерации. Для обозначения типов предложена аббревиатура Pl-3sfe. Впервые выявлен геомагнитный эффект вспышечных всплесков у-нзлученпя.
-
Показано, что резкое падение ионизации ионосферы во время полных солнечных затмении создает экранирующий эффект, заключающийся в изменении поляризационных параметров колебаний.
-
Обнаружен солптоноподобиый тип волновых пакетов, заполняющих предварительный импульс внезапного начала магнитной бури. Показано, что пакет является структурой быстрой магннтозвуковой волны (БМЗ) сжатия, которая генерируется при взаимодействии межпланетной ударной волны (МУВ) с магнитосферой.
-
Исследована природа нестацнонарностн спектра гидромагннт-ных излучений типа Pel, стимулированных распространением БМЗ волны н деформацией магнитосферы, вызванной набеганием МУВ.
-
Выявлено два вида переходных процесса и пульсациях РсЗ при взаимодействии МУВ с магнитосферой.
-
В высоких широтах обнаружен новый вид длшшонернодных пульсаций (Т-500 с), возбуждение которых связано с внезапным началом магнитной бури.
-
Установлена асимметрия относительно полуденного меридиана отклика в пульсациях Psc3-5 на резкое сжатие магнитосферы.
-
Обобщены пространственно-временные закономерности иррегулярных пульсаций, инициированных импульсными процессами в хвосте магнитосферы. Определены масштабы ионосферной проекции источника Pi 1В и обнаружен его широтный и долготный дрейфы. Выделен новый тип пульсаций PCld.
9. Впервые обнаружено четкое соответствие типов суббуревых
пульсации типам радноотраженпй, и на этой основе предложен метод
радиолокационного исследования пульсаций.
-
Выявлены новые типы излучении, особенностью которых является высокая пространственная локализация.
-
Обнаружен эффект усиления регулярных пульсаций РсЗ, связанный с суббуревыми активизациями.
12. Предложен ряд новых эмпирических алгоритмов для диагнос
тики структурных образовании в магнитосфере.
Научная и практическая ценность работы определяется тем, что ее результаты носят как фундаментальный (в основном), так и прикладной характер. Они могут быть использованы для разработки механизмов солнечно-магннтосферно-ноносферных взаимодействий, механизмов мапштосферных суббурь и диагностики околоземной плазмы.
Ряд фундаментальных результатов, таких как подобие свойств дневных и ночных иррегулярных пульсаций; возбуждающихся в результате разных по природе первичных источников свидетельствует в пользу общности ионосферного механизма генерации Plsfe и Pi IB, Pi2 и P2sfe-. Новые экспериментальные факты дополняют существующие феноменологические модели генерации пульсаций и вызывают необходимость пересмотра известных в настоящее время теоретических представлений об их природе. Обнаруженные закономерности расширяют существующие представления о роли геомагнитных пульсации в механизме солнечно-мапштосферных взаимодействий. Результаты сформулированные в диссертации получили признание, так как впоследствии цитировались в работах других авторов. Результаты по взаимосвязи между параметрами солнечного ветра и характеристиками пульсаций РсЗ (Гульельми А.В., Потапов А.С, Большакова О.В , Троицкая В.А., Takahashi К, Vero J. и др.), локализация источников и дрейфы Pi (Сергеев В.А., Распопов О.М., Kangas I, Baumyohan W, Bosinger T и др.), всплески Pi на предварительной фазе суббурн (Сергеев В.А.), пульсации Psfe(Давыдов В.М., А. Д'Коста, Сорокин В.М., Клейменова Н.Г.), КУГТбс (Муллаяров В.А., Мальцева О.Ф). Ряд результатов использован в монографиях и обзорах: 1) Лихтер Я.И., Гульельми
Л.В., Ерухпмов Л.М. и др. -«Волновая диагностика приземном плазмы», 2) Гульельмн А.В. «Геомагнитныепульсации внемагнптосферного происхождения», 3) Пудовкин М.И., Распопов О.В., Клейменова II.Г. «Возмущения электромагнитного поля Земли», А) Пономарев Е.Л «Механизмы магннтосферных суббурь»; 5) Мальцев Ю.П. «Возмущения в магннтосферно-ноносферной системе» и др.
Многие результаты работы вошли в отчеты по госбюджетным и хоздоговорным работам, выполненным на кафедре физики и электротехники ИИНХ.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов определяется использованием стандартизованной, проверенной аппаратуры, привлечением больших массивов наземных и спутниковых данных, сопоставлением данных наблюдений с теоретическими расчетами, повторяемостью результатов на разных фазах солнечного цикла и подтвержлаемостью в исследованиях других авторов.
Основные положения диссертации, составляющие предмет защиты сводятся к обоснованию общей концепции: несмотря на различие природы импульсного воздействия, реакция магнитосферы проявляется в возбуждении геомагнитных пульсаций в широком диапазоне частот, во многом имеющих сходные закономерности и механизмы возбуждения и сводятся к следующим.
1. Вспышечные импульсы гамма- и жесткого рентгеновского из
лучения классов >М4 (\v>10'4 Вт/м2), вызывая резкое возрастание
ионизации в ионосфере, являются первичным источником широкопо
лосного всплеска геомагнитных пульсаций Psfe в частотном диапазоне
2-0.003 Гц с выраженными спектральными максимумами на частотах,
-0.15 Гц (Plsfe), 0.011 ru(P2sfe), 0.003 Гц (Psfe), у-всплескн генери
руют импульсы ионосферного тока длительностью ~2 минут.
Морфологические свойства пульсаций в выделенных частотных диапазонах показывают, что для возбуждения МГД волн в мапштос-ферном резонаторе достаточно резкого изменения проводимости его нижней стенкн.
2. При набегании на магнитосферу межпланетных ударных волн
генерируются пульсации в частотном диапазоне от 2 до 0.002 Гц
шумового и регулярного типов: а) солитоноподобый волновой пакет,
который является колебательной структурой быстрой магннтозвуковон
волны, возникающей при взаимодействии и распространяющейся в
хвост магнитосферы, б) пульсации (КУПбс) и ОНЧ-нзлученпя с резким
нарастанием частоты, вызванном изменением условий циклотронного
резонанса при смешении мапштопаузы, в) резонансные длннноперн-
однные пульсации Psc3-5, свойства которых асимметричны относитель
но полуденного меридиана, что связывается с асимметрией сжатия; г)
длпннопернодные пульсации с Т-500 с в высоких широтах, отражающие
модуляцию токовой системы SSC.
3. Обнаружение неизвестных явлений, сопровождающих взрывные
процессы в хвосте магнитосферы:
а) локализованных всплесков Pi 1-2 и вспышек сияний на пред
варительной фазе суббури,
б) высокочастотных регулярных пульсации в средних широтах на
взрывной фазе,
в) усиление активности РсЗ в утреннем секторе,
г) соответствие типов суббуревых пульсаций типам радиолокаци
онных отражений,
д) северо-западного дрейфа Pi 1В,
е) пространственно локализованных регулярных пульсаций, рас
пространяющихся в магнитосферных волноводах.
4. Создание эмпирических алгоритмов для диагностики следующих объектов по наблюдениям пульсаций:
скорости солнечного ветра;
высокоскоростных потоков солнечного ветра;
центра западной электрострун;
южного края авроральных радноотражений;
координат суббуревого взрыва.
Апробация и публикации. Основные Результаты работы прошли публичную апробацию в виде статей (50), в том числе за рубежом (4) и докладывались на Всесоюзных и международных конференциях, в том числе на международных симпозиумах по солнечно-земной физике (Белград, Югославия 1966, Сан-Пауло, Бразилия, 1974, Мельбурн, Австралия, 1980), на Генеральной ассамблее МАГА Вена, Австрия, 1990 г., на 16 сессии КОСПАР: Варна, Болгария, 1975, на 7 региональной консультации по солнечной физике, Братислава, Чехословакия, 1976, на конференциях КАП Г социалистических стран (Тбилиси, 1976, Ашхабад 1978, Москва 1979, Самарканд, 1989), на симпозиуме по физике геомагннтосферы, (Иркутск, 1977), на международной конференции по проекту «Геомагнитный меридиан», (Ленинград, 1976), на 7 школе-семинаре по ОНЧ-нзлучениям, Якутск, 1985, на международном симпозиуме «Полярные геомагнитные явления», (Суздаль, 1988), 12 межведомственном семинаре по распространению километровых волн, (Красноярск, 1986), Всесоюзной конференции по плазменной астрофизике, (Иркутск, 1976), на всесоюзном совещании по итогам проекта МИМ, (Ашхабад, 1981), на ежегодном семинаре «Волновые явления в магнитосфере», (геофизическая обсерватория Борок), 2 всесоюзном совещании по итогам МИМ, (Ленинград, 1984), на всесоюзной конференции -«Физические основы прогнозирования геомагнитных возмущений», (Ленинград, 1984), Всесоюзном совещании «Перспективы исследования геомагнитных пульсаций», (Иркутск, 1984).
Личный вклад. Автор принимал участие в организации и проведении геофизических экспериментов в авроральнон зоне в зимние месяцы 1968-69, 1972-73, 1976 и 1982-83 годов, а также в экспедициях по изучению геомагнитных вариаций на трассе БАМ в 1978-80 годы, наблюдению эффектов полных солнечных затмений в 1972 г. на
Камчатке и в 1981 г. на территории Иркутской области, а также в создании обсерваторий Узур п Подклменная Тунгуска, проведении регулярных наблюдении на обсерваториях Узур и Монды. Большая часть работы, связанная с выбором экспериментального материала, разработка методик, обработка данных и анализ результатов выполнены автором самостоятельно. Автор также является равноправным соавтором всех основных выводов и положений, сформулированных в совместных научных публикациях, результаты которых обобщены в диссертации. Часть результатов получена совместно с Рах.матулиным Р.Л., Луковннковой В.И., Ступнным В.В., Молдавановым Л.В., руководителем диссертационных работ которых был автор.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем основного текста 262 страницы, 86 рисунков, 11 таблиц. Библиография 222 наименований, 14 страниц, общий объем 365 страниц.