Введение к работе
''/'.' . I. .
I.I Актуальность работы.
Естественные электромагнитные излучения (э/м) широкого диапазона частот заполняют полость магнитосферы и наблюдаются почти повсеместно в магнитосфере и на поверхности Земли. Электромагнитные колебания в ультранизкочастотном (УНЧ) диапазоне периодов от нескольких миллигерц до сотен миллигерц играют важную роль в динамике плазмы магнитосферы и ионосферы. Измерение полей з/м колебаний в диапазоне УНЧ дают возможность контролировать параметры солнечного ветра и магнитосферы. Другими стимулами изучения колебания геомагнитного поля является их. использование для измерения глубинной электропроводности Земли, проблемы связанные с повышением надежности и точности магнитной съемки и т.д.
Многие особенности пространственно-временного поведения геомагнитных пульсаций можно понять и количественно описать на основе представления о магнитосфере Земли как о гидромагнитном резонаторе. Спектральные характеристики и закономерности пространственных распределений колебаний геомагнитного поля в значительной мере определяются параметрами этого резонатора.
Характерные особенности гидромагнитного резонатора связаны, в первую очередь, с альвеновскими резонансами силовых линий (СЛ) геомагнитного поля. Гидромагнитные вслны, распространяясь вглубь магнитосферы, возбуждают колебания СЛ, амплитуда которых резко возрастает при совпадении частоты сигнала с резонансной частотой СЛ. Существование альвеновских резонансов СЛ является одним из основных факторов в формировании пространственной структуры поля геомагнитных пульсаций.
Полученные в последнее деятилетие новые экспериментальные данные, связанные с развитием методов наземных и спутниковых наблюдений, привели к необходимости разработки теории, дающей не только качественное объяснение экспериментальных данных, но и позволяющей количественно описывать поля пульсаций. Решение проблемы построения количественной теории альвеновских резонансных колебаний является необходимым условием эффективного использования геомагнитных колебаний для изучения Земли и околоземной космической среда.
і
1.2 Цель и задачи исследования.
Разработка теории резонансных альвеновских колебаний СЛ. Создание физико-математических моделей процессов распространения геомагнитных колебаний в магнитосфере и ионосфере Земли. Построение количественных моделей пространственных распределений пульсаций на земной поверхности и МТЗ в окрестности резонансных СЛ.
Традиционно теория альвеновских резонансов силовых линий строилась на примере предельно упрощенных моделей, не учитывающих многие существенные геофизические факторы. При анализе результатов наблюдений необходим учет эффектов кривизны геомагнитного поля, неоднородности распределения концентрации плазмы в магнитосфере, педерсеновской и холловской проводимостей ионосферы.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:
разработать метод исследования в/м полей в неоднородных резко анизотропных средах при учете резонансов СЛ;
найти спектры колебаний магнитосферного резонатора;
выявить основные закономерности пространственной структуры поля в окрестности резонансных магнитных оболочек;
исследовать взаимодействие мелкомасштабных альвеновских. колебаний о ионосферой и разработать эффективные методы расчета прохождения пучков гидромагнктных волн с малыми горизонтальными масштабами через ионосферу.
изучить влияние альвеновских резонансных колебаний на результаты МТЗ.
1.3 Новизна исследования.
В работе впервые были получены следующие результаты: 1. Изучены резонансные свойства магнитосферного резонатора с учетом основных геофизических факторов.
-
Получека спектральные представления произвольных колебаний в простейших гидромагнитных резонаторах. Используя полученные спектральные разложения решена задача о вынужденных колебаниях резонатора.
-
Разработан метод определения частот альвеновских резонансных колебаний СЛ геомагнитного поля Земли с учетом кривизны СЛ, неоднородного распределения концентрации плазмы магнитосферы, холловской и педерсеновской проводимостей ионосферы.
-
Предложен метод изучения пространственной структуры ПОЛЯ в окрестности резонансных магнитных оболочек. Получены выражения для электрического и магнитного полей пульсаций при выполнении условий альвеновского резонанса. На основе полученных выражений предсказана ассиметрия в меридиональном распределении резонансных колебаний. Получены выражения для коэффициентов возбуждения аль-веновских резонансных колебаний БМЗ-волнами.
-
Изучены спектры колебаний для неидеальной МГД. Аналитически изучен переход от неидеальной МГД к идеальной. Показано, что дискретный спектр'колебаний не конденсируется при уменьшении сопротивления плазмы на непрерывный спектр альвеновских колебаний идеальной МГД.
-
Найдены параметры резонансных колебаний в различных геофизических условиях о учетом конечности толщины проводящей области ионосферы и быстрого изменения альвеноеской скорости в F-области. Предсказано резкое возрастание декремента затухания на низких широтах начиная с 1*1,5.
II. Прохождение альвеновских резонансных колебаний через ионосферу и пространственная структура геомагнитных пульсаций.
1. Используя разработанную теорию цроховдения через ионосфе
ру гидромагнитных волн, горизонтальные масштабы которых сравнимы
или меньше толщины Е-слоя ионосферы, получены выражения для рас
пределений полей пульсаций на поверхности Земли и над ионосферой.
2. Предсказана ассиметрия в меридиональном распределении
амплитуд полей резонансных пульсаций. Обнаружено, что скачок фазы
при прохождении резонансной области не превышает 80-120.
3. Изучено поведение поверхностного импеданса в резонансной
области. Обнаружено, что отноиение горизонтальных компонент
электрического и магнитного поля отличается от импеданса Тихоно-
ва-Каньяра. На кривых зависимости кажущегося сопротивления от
периода появляются дополнительные экстремумы, связанные с альве-
новскими резонансами.
1.4. Защищаемые положения.
В диссертации исследована роль альвеновских резонансов силовых линий геомагнитного поля и влияние ионосферы на распространение низкочастотных МГД-волн. В этой проблеме можно выделить три направления: 1) построение теории альвеновских резонансов силовых
линий геомагнитного поля, учитывающей существенные геофизические факторы; 2) разработка методов численного исследования электромагнитного поля в области альвеновских резонансов; 3) влияние ионосферы на пространственную структуру поля резонансных колебаний.
По этим направлениям исследований были получены следующие результаты, которые выносятся на защиту.
1.Найдены спектры колебаний простейших гидромагнигных резонаторов. Введено понятие об обобщенных собственных колебаниях и получены разложения по ним произвольных свободных колебаний плазмы.
-
Альвеновский спектр колебаний находится из решения серии одномерных краевых задач типа Штурма-Лиувилля. Каждая из задач определяется только геометрическими характеристиками фиксированной силовой линии геомагнитного поля и распределением плазмы вдоль нее;
-
Аналитическое представление и особенности пространственной структуры электромагнитного поля в окрестности резонансной магнитной оболочки.
-
Частоты собственных колебаний резистивной МГД не стремятся к непрерывному спектру идеальной МГД при увеличении проводимости о.
-
Декременты затухания резко возрастают с уменьшением широты при 1 <. 2.
-
Кривизны геомагнитного поля Земли приводит к а) асимметрии распределения амплитуды северной компонента (Н-ксмпоненты) поля пульсаций относительно резонансной магнитной оболочки; б) изменешпо фазы Н-компоненты магнитного поля примерно на 80-120при прохоадении резонансной магнитной оболочки в северном направлении ; в) положения максимумов величин магнитного и электрического полей не совпадают и смещены примерно на 20-60 км относительно резонансной магнитной оболочки.
1. Отношения горизонтальных компонент электрического и маг-нитого поля в резонансной области отличаются от поверхностного импеданса Тихонова-Каньяра. На кривых зависимостей кажущегося сопротивления от периода появляются дополнительные экстремумы, связанные с особенностями резонансного распределения падающего поля.
8. Способ оценки концентрации тязкелых ионов в магнитосфере по одновременным измерениям пульсаций и свистящих атмосфериков.
1.5 Значение полученных результатов.
Научная и практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы:
- при построении моделей пространственно-временных распреде
лений полей геомагнитных пульсаций;
- при разработке новых мегов диагностики магнитосферы и
увеличения достоверности измерения параметров плазмы магнитосфе
ры;
- для повышения надежности магнитотеллурического зондирова
ния земной коры;
при построении физических моделей ионосферно-магнитосферных связей;
- при интерпретации наземных и спутниковых наблюдений гео
магнитных вариаций
Результаты работы используются в ИЗМИРАНе, ИПГ, ИФЗ, и могут быть использованы, в ЛГИ, СИБИЗМИРе, НИРФИ, НШШФ МГУ, ВНИИГЕОФйЗ и др. организацуиях.'
1.6 Апробация -работы.
Основные положения диссертации обсуждались на Международном симпозиуме по теории электромагнитных волн (Тбилиси, 1971г.), симпозиуме по физике геомагнитосферы (Иркутск, 1977г.), Международном симпозиуме по КАПГ по солнечно-земной физике (Ашхабад, 1979), IV Генеральной ассамблее IAGA/IAMAR (Эдинбург,1981 ), Международном симпозиуме по Терыосферной и ионосферной динамике (Англия,1989), всесоюзных семинарах "Волновые явления в магнитосфере" (обе. Борок, 1985 и 1987 гг.), школе передового спита "Состояние и перспективы развития нефтяной и глубинной электроразведки:" (Москва,1991 ), Международной Геофизической конференцій по разведочной геофизике (SEG/Москва, 1992), конгрессе COSPAR (Вашингтон, 1992), а также на семинарах ИФЗ; НИИЯФ МГУ, МФТИ.
1.7 Публикации.
По теме диссертации опубликовано 31 научная работа, в том числе два авторских свидетельства на изобретения.
1.8 Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объем 319 страниц машинописного текста включая 63 страницы иллюстраций. Список использованной литературы насчитывает 209 наименований.