Влияние кольцевого тока на тепловой режим плазмосферы и ионосферы земли Горбачев, Олег Анатольевич

Введение к работе

Актуальность проблемы.Диссертация посвящана дальнейшему разами» проблемы ионосферно-плазмосферных взаимодействий. В ней предпринята попытка обьяснить имепциеся экспериментальные данниэ по измерениям повышенных значений плазменных температур в области внешней плазмосферы и ншмежвщей ионосферы.

Как в спокойные, так и в возмущенные периоды геомагнитной активности плазмосфера подшргаэтся воздействию магяятосфоргого кольцевого тока, образующегося при азимутальном дрейфе энергичных частиц солнечного происхождения. Кромо того, одновременно о повышенными значениями тешератур в области внешней шшзмосфери зафиксирована значительная волновая активность в низкочастотном диапазоне (и < ш_ь{, где ы_ь{ - гнрочастота протона). Эта факта, a ?нх#э известная теория генерации горячими анизотропными протонами кольцевого тока низкочастотных волн альфвоновского типа, позйэлявт прадполежать наличие взаимосвязи между присутствием в магнитосфере кольцавего тока, с одной стороны, и существованием "горячей зоны" в плазмосфера, с другой,

В связи с вышэизловенным становится актуальной задача соадз-. ния математической модели, оиисыващей состояние внешней плазмосферы с учетом происходящих в ней активных волновых процессов. Общая схема такой модели должна включать в себя анализ дисперсионных характеристик среды с целью отбора подходящих волновых.' иод, выбор механизма взаимодействия зелн с частицами и голзченяа системы гидродинамических уравнений,описывавших макроскопический параметры плазмы с учетом наличия в ней взаимодействия типі) "волна-частица'¹ .Применение подобной модели к реальной физической системе -плазмосфера позволит получить пространствашю-времетгкш распределения основных параметров плазмы (концентрации,темпвра-тур, тепловых потоков), с учетом взаимодействия плазмосфери я кольцевого тока, а также определить вязштаэ этого взаимодействия па няне лежащую ионосферу.

Все перечисленное шло определяет выбор основных задач диссертации, их многоплановый характер и актуальность. Ш5УО32!9_У2ЛЯвтся:

1. Исследовать шшяшш ногиитосфарного кольцепого тока не

,,.:„.:..::z.i i.\:,.v<-^^:::: Г[,:.^-, уч;і.:.^4-,11 l.;u ;;.^

.t» ,.

;.-..; ^ u'jzi ігрзі-iLi чьстоЛ ур:.!..:^:^ йі^яшиг; к переноса тек^оьок

,.j-_t,hb щ:л рілчач;) 'іьлішіх поїсіюз v. іи-.л&іг;щ б епслецу ;:здгли-РГ-^-і- ураі.:::::і^ уггвиСіЕИі: іирспосс тоїи.оііоги пагона. s.. П.і:;гросна сог^асонандид і;од&.пь шдоиівріїо--їілаиюаі<зрзш г:гсі:ї.юАййоіьііЦ с учзтеа ьариыглй -іьплокіії ксггсисз. На еб ослюк ц;.икя.з аселгдовекио ьлілшія нзстационарности теїигаьиг пош;оі v.l ирооїриио'хзоаііз-ьійьіоіііша распродолония осношшх п&раііїтрм

С Ни ссиэво рорулмитав, юдучьшал в пп.1 и Z прсвэдаж ч-^іь^сз нослодоп&кіс» еличішл коліл;&;«ого і ока ии ігроатрьцеїВіш-^э-ир^ызгаш Еііріїьциіі кож.'.ентрац;и, їошшратур а їош:ош:і иото-i;zi; Шїй2!сі длл двуг рааапчша гэсфш-шчасшк ситуаций! '- СпскойиЕ кольцовой тої;, соответствуй:^ кпзкоЕ геомагігста*

^,л;'" У і і .^:<.i^3'tOJJKt;jienj«. 1« .

.'-" ;' .::} . J. :. і. -ї" -"'г'⁰.ЧІ-НМ1Г аиачипив и,

удаленности плазмопаузн от Земли.

$вучная я практическая ценность работа состоит прекда всего а тогі.ІЧто проведенные в ней исследования являются следующим этагщ:.,в решении проблемы ионосферно-плазмосфэрных взаимодействий, учитывающим влияние магнитосферного кольцевого тока на. тепловой режим системы "ионосфера-плазмосфера". Полученные при этом результаты позволяют объяснить серию вксгориментов по измерениям плазменных температур в плазмосферэ и ионосфере, проведенных в течение нескольких последних лет. Кроме того, используемый в работе метод, позволяющий определить влияние процессов тяпа взаимодействия "волна-частица" на макроскопические характеристики плазмы является достаточно оашим и может быть использован при исследовании других геофизических ситуаций, з которых определенную роль играют волновые ефївктн.

В последнее время при изучения околоземного космического ^ пространства все чаще используются активные эксперименты, пря которых происходит искусственное воздействие на плазму;-В частности, одним из таких воздействий является выброс из космического аппарата тяжелых ионов, стимулирующих развитие различного, рода неустойчивйстей в плазме. Очевидно, что о помощью созданного в работе аппарате можно рассчитать влияние данного воздействия на макроскопические параметры плазмы - концентрацию, температуры и т.д.

Практическую ценность представляет также набор алгоритмов а программ, с'помощью которых представленная в диссертации модель реализуется на ЭВМ типа "Эльбрус".

Личное_пш-Ш- Получение .системы гадроданамнческих уравне-; яий, в которых учтены эффекты взаимодействия "волнв-частица",' выбор численного алгоритма для реализации на ЭВМ уравнений, описывающих тепловой рвким системы "коносфвра-шгаэмосфвра", в также есє расчеты выполнены автором самостоятельно, он таккэ является равноправным соавтором всех основных выводов и голояе-ний работы, сформулированных в научных публикациях, перечисленных в конце автореферата.

Ш_ВДШ выносятся следупдиа пологения: 1. Система гидродинамических уравнений, учитывающих взаимодействие плазмоофэры и кольцевого тона.

,r* Ttrvmvfln,.

----—'» т»оіГЛЙІГІш

концентрации, л _r _,. _

^:''::оіюс\йрп-іхлз:-::о^-}^,^^г яр;: у;:лг гс^двГсптал ни nw ,„.

опорного кольцевого тока.

, ,._{: :}— ^""«iiii.Tj.Tu. даэдп'зыгл'.л.'Я в гпссертацглі, спуС-

Ащї!ЗШШ2-ЕіИУ.!.її! а

::сосоЕпішх сэкипарах ііп нспэа^рг'ому кхолірдагапіа и ги„,_ш> 19йб г., Заонлгорсдэ 1S0O г, Казани І973 v., кміі-о^нігли колодах ученых Ш7, спишарех ИШИРАІІ, ІШГ& прп ІЯ'У, АГУ.

Сїї.;їйІії5..У_!ЗЗь9М_рьОйііі. гсс;прттшя состоит ко пеодєкея, трях глав, аакжчешя я двух приложений ооппм оОьк.гам 141 страница, віданая 28 расулкеяі. Бпйлпогрсіил шигочаот 11В па;гг,:а-новааяй.

КРАТКОЕ ОДіЖІАШЕ ГАПОТЬ*

02_50Ш?"МІ оирэдолон иродмзт исслодршшіі і: круг ьоігросоя, па рэемшо которых нглрзпл'Ліп работа. Кратко опясиваотея структура ц содар-яжи дассортшетп.

ПЛЬ-0_Г^ЗІШ посвялона тоорэттгчоскому исоладовашія гаапмо-дсйсгБші мапштосфэрного кольцевого тока и плазмооїора. В ого осново логат мвтод, помодяпдиїі учитывать еолновш вфіекти, про-ксісдяззю ео ваосашй шшзшефоро, в уравкоіпшх пероноса ыасси, ташулъса и шшргга чооткц. В 1.1 россмптртпзаэтсп динамика „ "лпшяпого тскв к плазмосфэры. Ifa осново большого

— -""Tn.nnrinro

„_п„_япт, г^ЛОСЬ _{І!и U}p._)OVM,,

""""W TfiKB. ІШ вши wu.

—./-т.птіани ОЦЧПті puonra^^u «

по долготе и радиальному расстоянию в зависимости от уровня возмущенности магнитосферы.

В 1.2 рассмотрено взаимодействие "волна-частица" меаду электронами и ионами плазмосфэры и ионно-цивлотронными (ИЦ) волнами. Кратко представлена их линейная теория применительно к условиям внешней шгазмосфэри, проведены оценки резонансних скоростей частиц, взаимодействующих с Щ-волнами как левой (А-волна) так и правой (ШЗ-волна) поляризации и на основе этого сделен выбор механизма взаимодействия электронов и ионов плазмооферн о А- ц БМЗ-волнами.Для электронов это квазилинейнов взаимодействие на черенковском резонапе, а для ионов -индуцированное рассеяние на оиениях А- и ШЗ-волн. Здесь же получены коаффициентн диффузии для обоих процессов, проведано их. упрощеше для условий плазмооферн и проанализирована модель спектра Щ-волн. Параграф 1.3 - основной в главе 1. Он посвящен теоретическому исследованию влияния взаимодействия "волна-частица" на макроско-пичекие параметры плазмы в области взвимодейстшя кольцевого тока и внешней плазмооферн. На основе метода моментов получены добавки к правым частям уравнений гидродинамики в 13-ти момент-ном приближении, обусловленные взаимодействием "волна-частица". Анализируется величина этих добавок относительно соответствувдх столкновителышх слагаемых и характер их поведения в зависимости от параметров плазмосферы, геомагнитного поля и уровня возмущенности магнитосферы.

В 1.4 сделана оценки величин температуры плазмы на экваторе и втекавшего в ионосферу теплового потока, обусловленных взаимодействием кольцевого тока и плазмосферы. Считая, что баланс энергии тепловых частиц определяется из условия равенства ваточника нагрева, обусловленного взаимодействием "волна-частица", н шноса теша из области взаимодействия тепловым потоком вдоль геомагнитного поля, получено упрощенное уравнение теплогореносз. На его основе проведены численные раочети температур ионоэ и электронов в экваториальной области плазмосферы. При атом выяснился следущий факт.

Согласно результатам, полученным в параграфе 1.3, источник нагрева ионной компоненты" пропорционален квадрату отношения плотности энергии волн к плотности энергии магнитного поля, а

"— 'і

J\ZlL:Z ГіЗі.';.!аі\і;'.»ІЇВСЛ'С> П.~ЛЛ ДМ HOKGB ПО СріШиотіі» ^ ₁ ...

аы^-ииыси с ,„;//й, p:,;;) ...... ! :~:~- "^m" ^uu пкщїои ьсышя "ir.i.tnop^i'i'pi гц.оигпазї'

ш бзоецэдойствин, р&зраЗотанньн в лабораторій физики иокосфзр-кой шіаз?іл 1ШПФ кра ИГУ. В ной, б соогьатсшш с результатами перша гльеы, шродалан блок расчета теплового рзхама ионосферы і> ШіііЗіЛСфорц. В систему модашрувда уравнений введеш урашіо-ния пор&носа теплових потоков электронов и ионов, в результате чаго удалось вияснить влішш ностацаонарности тепловых потоков ре просїранственко-вромзншв распределения концентрации и тэмш-ратур шшзш.

В 2.1 система гидродинамических уравнений, описанная в 1.3 приводится к шду, удобному для численного интегрирования в системе "аоносфэро-гшзкасфора". Здесь to дан краткий анализ влияния нестационарности тепловых потоков электронов и ионов на простраастБошіо-вроманнае распределения основных параметров пяззла. Особенности численного интегрирования системы уравнении S2.I, связанные с добавлением в стандартную систему уравнений айрзыоса 'тепловых потоков, излоашш в 52.2. Тут гз приводятся начальшо париш три иоделк и обосновываются начальные л граничили условия. В 2.3 представлены результати расчетов, вшюлнен-iiuz на основе системы уравнений 2.1, для вевозмущенной плазмо-

,„_mwam,_ri__TtTlftMaHJJ._JX раитродв-

_- —,,„„₀ /ФвипйргкОЯ CHCXUHU х^шыы*. _wr__ КИИ TblUlOZM jiuivhuu;. .._

основе полной системы уравнений и температурой Т^* , являющейся решением стандартного уравнения теплопроводности, проявляется наиболее заметно в периода восхода и захода Солнца, когда эффекта нестационарности теплового потока электронов оказывавт ощутимое влияние на поведение температури. При этом утром Т_в > Т** , а вечером Т_в < Т*. Аналогичные соотношения справедливы и для теплового потока.

1. Нестационарность теплового потока приводит к более быстрому нагрову ц охлаждению электронов соответственно в утренние и вечерние часы по сравнению со стандартной моделью.

2. С ростом высоты и номера L - оболочки различие мевду Т_а и Т"* усиливаются. Для рассмотренных в диссертации условий они достигают 25* по температуре и 65» по потоку тепла.

3. Характер поведения различий ионных температур Т_{ и Т"* в плаамосфере отличается от соответствующих величин для электронов: в течение всдго дремени суток Т, > Tj*. На высотах внесшей ионосферы соотношение ыеаду T_t и Т* тише же, как и для электронных температур, одайко величина различий ниш.

б. Заметные различия в высотных распределениях концентраций N_e и N*⁴ , рассчитываемых соответственно на основе полной и стандартной систем уравнений, наоггдаатоя тол^жі на больших Ь -оболочках (L ? б) в утренние и вечерние часы на плазмосфарных высотах. Они растут с увеличением высоты и отражают характер поведения различий в влектронной температуре: в восходяий период N_e > N*, а в заходний период Ы_в < N^*. Максимальное отличие составляет для расмотренных в диссертации условий « 6 на Ь *» Б в утронние часы.

Следует отметить, что полученные в расчетах различия в. значениях параметров плазмы, описываемых на основе полной системы уравнений и в рамках стандартного подхода, представляет собой только минимальные значения в области плазмосфора о L > 3. Это связано о тем, что в данной главе согласованно учитывается только один источник нагрева плазмы - сверхтешювыв электроны. Для L > 3 существенный вклад в нагрев дают источники энергии кагнитосфэрного происхождения, например pasorpes плазмы пря взаимодействии кольцевого тока с плазмосферой. Вызванное шит нагревом повышение плазменных температур способствует увеличению

"'і¹—"r-

. - .>..... , " — "^K,i-»n»« iu;^u:..ju-

а.-сц'ашюіі оїдачу дсзиолішшоі к;эдэ.гл шиищ^ш^ , .

ьош^гдайсгый 4 акторки, у'Н; iulu'^-'UI каисшэнио х&рш^'ирл iicuj-.-иш.ч осиоших гтраыйтроа ш;.з!,;и ьа счэт дасктвциа. анйрпь:

ЕОКЮ-ІШіаіОїрС/іи^іі ЕОЛН, ГЬНЗрИруйМид. КОЛЬЦаБіП.І такой. Поэтому и

Тї-ііії/іО—і'Лйео в гвдродішашічискні уравнениях модыш, сц^с;:-ь-.;..;.х шрлюс LiBccu, і^лульпи, и вшрищ часттщ, учти- ваагсй, :<[o.:.'j tibUNuciiirt^ui стсдкяоезкцЗ', npouoccu взыиа- дзСстблй "і.одци-чазтдца", охшсолше в глевіі і.

В 3.1 кслоганн осоЗйнаостії числэнкого кодэгароданш: :>г,а„;и-аїьра, обуояоьлэшшэ присутствии в ней вн&рпг-дшх частиц кальцзього тока, для двух геофшстесша ситуаций: Ї. с-тащюнарныа кольцевой ток, соога-зтсгвуедпл низкому уровне гоомйшитшй шдашиоси;

2. диалуцзгес/Л кольцьюй ток, юзншсьщий а фаза досотвнавлоилн геоііигалтной бури.

Результат расчетов пространственно-вроыэнних распределение ::г:а;отроъ пдагхы для етні двух ситуаций прадстаалони н обсугдэ-l.- n 3.2. Одось sie просодано их сраьншшэ с соотвотстБущаи кодо^цуцзвнши вбллт.шь:.и, рассчитанными в главе 2.

„,,«, „ пйшена задача, свкзвннал с влияшму

""'-.Днепр Di3CUpi!.lJUJ;utui« ... .

- -"»мі пяяпйЛВ ТШОО'Ш

-__„,„_ч,_п -«чпиктеш расиродо.-»,,^..,.

Спокойны^ кольцевой ток.

1 .Спокойный кольцевой ток, соответстврпяій геомагнитно-спокойням периодам, способон нагреть плазмосферу до тенпоратур, превнша*)-щих невозмущенннэ значения в 2 раза дном ив 3 раза ночью. Абсолютные значения температури плазмы- на экваторе составляет " 8500 К для электронов и ~ 10ОО0 К для ионов. На внеотах внешней коносфэрт (h *> 1000 км) Т₉« 4500 К п Т_{« 5500 К. 2.Температура ионов всегда вше электронной в плазмосфорэ а внешней ионосфере. На низких внеотах (h < 500 гал) T_n > Т₍. 3.Суточный ход электронной температуры при учете взаимодействия "волна-частица" характеризуется отсутствием резких колебаний при переходе от дач к ночи, характерных для новозчущенного случая. і.Потоки тонлп могут достигать величин ~ 3 Ю¹⁰ов см'^го~¹ для ОЛвКТрОНОВ И ~ 4 10^е3 8В см~^гс^-1 для ионов, что более чем в 10 раз превышает невозмущенные значения потоков в дневное время и почти в БО раз - в ночное.

б.Значительно меняется р.тсотний профиль электронной концентрации: происходит перекачка частиц из максимума области Р_? на нісотн внешней ионосферы, за счет увеличения диффузии и изменения констант рэакций образования и гибели ионов 0⁺ и Н⁺, и значительно увеличивается концентрация частиц на плазмосферном учест-ко силовой линии из-за возрастания икали высот плазмы. Возмущенный кольцевой ток. ,

1 .Пространственно-временные распределения параметров плвзш, полученные "в режиме возмущенного кольцевого тока, характеризуй;-ся резко выраженной, нестационарностью. В точение 10-ти часового нагрева температура плазмы достигает зяоченийгна вкватсре 9500 К для электронов и ~15000 К для ионов; на высоте h» 1000 км - '" Є500 К для электронов И " 9000 К для ИОНОВ. ПрЯ этом только экваториальная температура электронов внходат па установившийся (стационарный) уровень.

2.11а ионосферннх'*^<віісотах награв плазма начинается с задержкой относительно момента "вкллченкя'' кольцевого тока. Эта задергша определяется высотой и скоростью стока эперпга вдоль силовой линии. Ни высоте h я І0О0 юл она составляет для электронов ~ 10 минут, для ионов-- ~ 1 чвса. з.После прекращения воздействия возмущенного кольцэвого тока на

.,.._, _;і ,--_.._._.„„„,„„, дилчянпз чгро» і - *, «,~ -._:.-- ":^,".:^:

іокп на кзігдоигращпз плазмі сводится к досятатроцентнсму отглокегпт концентрации от do давозыуцешшга уровня п достаточно

'-;''.; -:,<,'-г'і '.і/;*"* """Г" "ияяшсйош.

оксг^рнмоЕталышмл даиаыти ми „—_Ґ__: ;-.

плазмосферэ и лонос$оро покосшваот их качественное согласие на Еисотах внешней нсносфзра. Гассчнтанаые величини те.улоратури шіаама на аісваторо заняхеш по сравнению с соотвэтствушдап экспериментальными данными. Эхо заставляй сделать вывод о нодоствточно полном учете факторов, опре делящих влияние кольца-soro *roita на тепловой рэкам плазмосферы и иопосфори.