Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Результаты исследований распределения давления в магнитосферной плазме
1.1. Теоретические основы выбора давления плазмы в качестве одного из основных параметров, определяющих динамику магнитосферы
1.2. Экспериментальные наблюдения распределения давления в магнитосфере: Обзор результатов высокоапогейных спутников
1.3. Результаты исследований распределения давления плазмы в проекте ИНТЕРБОЛ
1.4. Результаты наблюдений профиля давления по данным низколетящих спутников
1.5. Выводы и обсуждение к Главе 1 25
31 Глава 2. Генерация крупномасштабных продольных токов и поля утро-вечер азимутальными градиентами давления горячей магнитосферной плазмы 36
2.1. Крупномасштабные продольные токи в магнитосфере Земли и высыпание частиц 36
2.2. Крупномасштабные электрические поля в магнитосфере Земли 44
2.3. Топология ближних областей плазменного слоя 48
2.4. Крупномасштабные магнитосферно-ионосферные взаимодействия и природа поля утро-вечер 52
2.5. Азимутальные градиенты давления плазмы, необходимые для поддержания продольных токов 64
2.6. Топология магнитного поля и генерация продольных токов зоны 1 70
2.7. Выводы и обсуждение к Главе 2
Глава 3.
Радиальный профиль давления, конфигурация высокоширотных токов и величина Dst вариации
Формирование радиального профиля давления
Топология магнитосферных токовых систем и баланс давления на магнитопаузе
Распределение поперечного тока в магнитной силовой трубке и локализация токов в высокоширотной магнитосфере
Распределение давления во внутренней магнитосфере и направление кольцевого тока
Магнитное поле вблизи Земли, создаваемое внутримагнитосферным кольцевым током 81 85
3.6. Выводы и обсуждение к Главе 3
Глава 4.
Неэквипотснциальность магнитных силовых линий высокоширотной магнитосферы и формирование пучковых и оболочечных структур в функциях распределения частиц 103
Результаты наблюдений неэквипотенциальности магнитных силовых линий 103
Величины продольных токов на авроральных силовых линиях и ускорение высыпающихся авроральных электронов 106
Механизмы продольного ускорения частиц 111
Особенности ускорения двойными слоями в условиях магнитосферы Земли 122
Оболочечные и пучковые структуры в функциях распределения частиц 126
Локализация области ускорения на авроральных силовых линиях и причина линейной зависимости продольного тока от продольного падения потенциала 131
Выводы и обсуждение к Главе 4 1
Глава 5.
Поперечное ускорение ионов ионосферного происхождения, возникновение «коников» и заполнение геомагнитосферы ионами ионосферного происхождения
Заполнение магнитосферы ионами ионосферного происхождения и результаты наблюдений функций распределения типа «коников»
Механизм поперечного ускорение ионов при столкновении с двумерными движущимися нсоднородностями (двумерный фермиевскии механизм)
Эффективность ускорения тяжелых ионов
Сравнение действия двумерного фермиевского механизма с другими механизмами и данными экспериментальных наблюдений
Выводы и обсуждение к Главе 136
Глава 6. Механизм «горячего расслоения» крупномасштабных продольных токов и формирования спокойных дуг и полос полярного сияния: теоретический анализ и данные наблюдений 150
6.1. Высыпания типа перевернутого V и теория горячего расслоения 151
6.2. Влияние самосогласованной проводимости ионосферы на расслоение продольных токов 155
6.3. Проверка предсказаний теории горячего расслоения на базе данных наблюдений спутника Иитеркосмос-Болгария-1300 160
6.4. Проверка предсказаний теории горячего расслоения на базе данных наблюдений спутника Ареол-3 6.5. Выводы и обсуждение к Главе 169 173
Глава 7. Распределение температуры электронов в хвосте магнитосферы Земли и возникновение динамического хаоса при движении частиц в неоднородных электрическом и магнитном полях
7.1. Несохранение адиабатических инвариантов при движении частиц плазменного слоя 174
7.2. Распределение температуры электронов поперек аврорального овала 175
7.3. Флуктуации потоков электронов вдоль траектории полета спутника Иптеркосмос-Болгария-1300 178
7.4. Появление динамического хаоса при движении частицы в однородном магнитном поле и неоднородном электрическом поле 182
7.5. Выводы и обсуждение к Главе 7 185
Глава 8. Турбулентность плазменного слоя: Данные наблюдений и результаты моделирования квазиравновесного плазменного слоя 187
8.1. Результаты наблюдений турбулентности электрического поля и вихревых структур в магиитосферной плазме 188
8.2. Результаты наблюдений флуктуации скорости плазмы в магнитосфере Земли 192
8.3. Спектры магнитосферной турбулентности и процессы их формирования 195
8.4. Магиитосферная турбулентность и самоорганизованная критичность 206
8.5. Магиитосферная турбулентность и проблема кризиса конвекции 209
8.6. Модель турбулентного токового слоя 211
8.7. Двумерная модель плазменного слоя в хвостовом приближении и суббуревая динамика плазменного слоя 217
8.8. Квазитрехмерная модель турбулентного плазменного слоя 221
8.9. Сравнение предсказаний теории с данными экспериментальных наблюдений 223
8.10. Выводы и обсуждение к Главе 8 229
Глава 9. Бифуркация плазменного слоя при северной ориентации межпланетного магнитного поля и возникновение тета авроры 230
9.1. Дуги в полярной шапке и явление тета-авроры 230
9.2. Картина конвекции при северном ММП и бифуркация плазменного слоя 233
9.3. Моделирование динамики плазменного слоя при северной ориентации ММП 236
9.4. Выводы и обсуждение к Главе 9 238
Глава 10. Взрывная фаза магнитосферной суббури 240
10.1. Основные особенности магнитосферных процессов во время взрывной фазы суббури 240
10.2. Аргализ данных экспериментальных наблюдений асимметрии расслоения плазмы во время подготовительной фазы суббури 245
10.3. Устойчивость распределения плазмы внутри магнитосферы 247
10.4. Развитие возмущений после достижения порога неустойчивости 252
10.5. Выводы и обсуждение к Главе 10 255
Заключение 257
Литература 2
Введение к работе
Полученный за последние годы экспериментальный материал привел к перестройке многих основных представлений в физике магнитосферы. Все большее внимание уделяется проблемам формирования и устойчивости распределения горячей плазмы в магнитосфере Земли. Получены новые данные, подтверждающие неэквипотенциаьность магнитных силовых линий на авроральных широтах. Экспериментально доказано существования высокого уровня турбулентности на авроральных силовых линиях. Статистические исследования вариаций различных плазменных параметров, включая индексы геомагнитной активности и авроральные свечения продемонстрировали скалярную инвариантоность наблюдаемых величин, что может также рассматриваться в качестве подтверждения турбулентного характера высокоширотных течений плазмы. Накопившийся экспериментальный материал потребовал самосогласованного анализа и перестройки ряда общепринятых понятий. Настоящая работа посвящена такому анализу, что обуславливает ее актуальность.
Магнитосфера Земли представляет собой гигантскую космическую лабораторию, в которой удается проводить наблюдения, не внося существенных возмущений в измеряемые параметры, что часто не удается сделать в лабораторных условиях. Использование методов физики плазмы, первоначально развивавшихся в основном в рамках проблемы термоядерных исследований, позволяет существенно продвинуться в понимании особенностей взаимодействия плазмы солнечного ветра с геомагнитным полем и внутримагнитосферных процессов. Можно отметить также, что магнитосферные исследования позволили внести существенный вклад в общую теорию плазмы. Так, например, решение проблемы ускорения авроральных электронов двойными слоями привело к изменениям самого определения плазмы, в которое ранее входила квазинейтральность (почти точное совпадение числа электронов и ионов на масштабах превышающих дебаевский радиус). Современные учебники и учебные пособия (см., например, Кадомцев [1988], Антонова [1985]) содержат определение плазмы с учетом возможности нарушения квазинейтральности.
Практическая значимость работы связана с решениями прикладных задач при освоении околоземного космического пространства. На первый план выходят задачи предсказания «космической погоды» и изучения «космического климата». Увеличение потоков энергичных частиц и плазмы во время магнитных бурь и суббурь вызывают электризацию, радиационные повреждения и выход из строя спутников. Научные предсказания погоды на Земле, как известно, начались с изобретения приборов для измерения давления - барометров. Возможность понимания процессов, связанных с космической погодой, видимо, сильно ограничена отсутствием регулярных надежных измерений давления плазмы в магнитосфере. Данный аспект проблемы связывает тематику работы с непосредственными практическими применениями.
Долгое время остается нерешенной проблема формирования полярных сияний -одного из наиболее впечатляющих явлений на Планете. Высыпания частиц, вызывающих полярные сияния, приводят к ионосферным возмущениям. Поэтому изучение полярных сияний является составной частью решения проблемы устойчивой радиосвязи. Наиболее мощные сияния возникают во время магнитных бурь и суббурь. Генерируемые во время магнитных бурь электрические поля приводят к развитию мощных токов в протяженных телеграфных линиях и линиях электропередач, к разрушениям трансформаторов, коррозии трубопроводов и т.д. К проблемам, в первую очередь решаемым при описании любой плазменной системы, относится проблема магнитостатического равновесия. Долгое время решение проблемы магнитостатического равновесия встречалась со значительными трудностями, так как проводились измерения потоков частиц в ограниченных энергетических диапазонах и с плохим угловым разрешением. В то же время было известно, что токи в магнитосферной плазме поддерживаются за счет существования градиентов плазменного давления. Течение плазмы в магнитосфере долгое время считалось ламинарным, несмотря на многочисленные данные экспериментальных наблюдений, демонстрирующих турбулентный характер течений в областях с большими значениями плазменного параметра. Часто предполагалась также эквипотенциальность магнитных силовых линий, хотя результаты наблюдений процессов ускорения частиц, вызывающих дискретные формы полярных сияний свидетельствовали об неэквипотеициалыгости магнитных силовых линий.
Сформулированные задачи и трудности, возникшие при сравнении предсказаний развитых теорий с данными экспериментальных наблюдений, послужили основой для проведения исследований распределения плазмы в магнитосфере, поддержания поперечных и продольных токов градиентами давления плазмы, устойчивости распределения давления, вклада различных токовых систем в магнитосферное магнитное поле. Долгое время считалось, что крупномасштабная магнитосферыая конвекция поддерживается в результате проникновения в магнитосферу электрического поля солнечного ветра. В работе суммированы аргументы, в пользу точки зрения о возникновении крупномасштабной магнитосферной конвекции за счет источника внутри магнитосферы. Последний процесс связан с генерацией мощных продольных токов, поддержание которых во многих случаях требует продольного ускорения частиц. Ускоренные электроны вызывают появление дискретных форм полярного сияния. Магиитосферная ловушка постоянно пополняется ускоренными ионами ионосферного происхождения. Ионосферный кислород в магнитоактивные периоды составляет до 50% ионной популяции. Изучение процессов ускорения конов, формирования ионных пучков и коников (функций распределения ионов с максимумом под углом к магнитному полю) также является актуальной задачей физики магнитосферы. Вопрос о замагниченности движения частиц в плазменном слое неоднократно обсуждался в связи с природой магнитных возмущений. Одна из глав работы посвящена анализу данной проблемы. Многочисленные данные по измерениям низкочастотных электрических полей на авроральных широтах указывали на их турбулентный характер. Вопросы турбулизации течений в магнитосферной плазме стали особенно актуальными при проведении измерений в хвосте магнитосферы Земли с хорошим пространственным и временным разрешением. Был продемонстрирован турбулентный характер флуктуации скорости плазмы и магнитного поля. Необходимо было понять, почему турбулентные флуктуации не разрушают такую крупномасштабную плазменную структуру как плазменный слой при южной ориентации межпланетного магнитного поля (ММП) и почему при северной ориентации ММП наблюдается бифуркаций плазменного слоя, и заполнение плазмой плазменного слоя долей хвоста. Возникли проблемы с традиционным объяснением начала взрывной фазы суббури за счет возникновения пересоединения в хвосте магнитосферы. Было экспериментально доказано, что взрывная фаза магнитосферной суббури начинается на квазидиполышх магнитных силовых линиях глубоко внутри магнитосферы с уярчения ближайшей к экватору дуги полярного сияния и только после этого возникает диполизация магнитных силовых линиях, а в хвосте магнитосферы развивается процесс формирования плазмоида. Автор работы предложил ряд ответов на поставленные вопросы. Основные теоретические предсказания нашли экспериментальное подтверждение.
Цель диссертации состоит в разработке методов теоретического описания процессов в магнитосфере Земли без введения параметров, которые не могли бы быть измерены экспериментально, и сравнении теоретических предсказаний с данными экспериментальных наблюдений.
Задачи диссертации можно сформулировать следующим образом:
1. Проведение анализа результатов измерений давления плазмы в магнитосфере Земли, используя данные как высокоапогейных, так и низколетящих спутников. Сравнение методик различных измерений.
2. Проведение анализа топологии магнитного поля в магнитосфере Земли при использовании предположения о справедливости условия магнитостатического равновесия. Выявление роли азимутальных градиентов давления горячей магнитосферной плазмы в поддержании внутримагнитосферных продольных токов.
3. Проведение анализа конфигурации поперечных токов в магнитосфере Земли. Изучение влияния распределения давления плазмы в магнитосфере на величину Dst-вариации магнитного поля во время магнитных бурь.
4. Проведение анализа процессов, приводящих к неэквипотенциальности магнитных силовых линий в высокоширотной магнитосфере и ускорению электронов, вызывающих появление дискретных дуг полярного сияния.
5. Проведение анализа процессов ускорения: ионов перпендикулярно магнитным силовым линиям и формирования функций распределения ионов с максимумом под углом к магнитной силовой линии («коников»),
6. Проведение анализа расщепления полос вытекающего из ионосферы продольного тока на мультиплетные структуры типа перевернутого V в предположении о выполнении условия магнитостатического равновесия. Определение зависимости числа образующихся структур от измеряемых на эксперименте параметров (ширины полосы и амплитуды вытекающего продольного тока, температуры горячих магнитосферных ионов и ионосферной проводимости). Сравнение теоретических предсказаний с данными экспериментальных наблюдений.
7. Проведение анализа распределения температуры электронов поперек плазменного слоя и зависимости флуктуации потоков авроральных электронов от флуктуации электростатического потенциала.
8. Проведение анализа свойств турбулентности плазменного слоя. Создание модели плазменного слоя со средиемасштабной турбулентностью.
9. Проведение анализа бифуркации плазменного слоя и возникновения тета-авроры при северной ориентации межпланетного магнитного поля (ММП).
10. Проведение анализа асимметрии расслоения плазмы во время предварительной фазы магнитосферной суббури. Разработка теории взрывной фазы суббури.
Научная новизна работы состоит в разработке новых подходов к решению актуальных проблем физики магнитосферы, проведении теоретических исследований, позволивших создавать адекватную картину описываемых процессов. В ходе исследований удалось предсказать значения ряда магнитосферных параметров, которые позже были экспериментально измерены. Практическая ценность работы заключается в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы в ходе решения задач предсказания космической погоды. Полученные результаты использованы в ходе учебного процесса на Кафедре космических лучей и физики Космоса физического факультета МГУ, где автором работы с 1982 г. читается спецкурс "Физика плазмы космического пространства".
Можно выделить следующие основные результаты, выносимые на защиту: 1. Проведен анализ данных экспериментальных наблюдений распределения давления в магнитосфере Земли, включая данные высокоапогейных и низколетящих спутников. Получены профили давления вдоль траекторий полета спутников И нтер бол/Хвостовой зонд и Ареол-З (проект Аркад). Показано, что в большинстве случаев наблюдается рост давления с уменьшением геоцентрического расстояния, хотя в некоторых случаях могут наблюдаться области плато в давлении. Развита теория генерации квазистационарных крупномасштабных продольных токов в высокоширотной магнитосфере градиентами давления горячей магнитосферной плазмы вдоль изоповерхностей равного объема магнитных силовых трубок. Показано, что основная часть крупномасштабных продольных токов зоны 1 локализована во внутримагнитосферных областях. Исследована топология магнитосферы в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям. Показано, что градиенты давления вдоль изоповерхностей равного объема магнитных силовых трубок возникают в силу асимметрии магнитосферы. Рассмотренный механизм генерации продольных токов не связан с введением параметров, которые не могли бы быть экспериментально измерены, и получил прямое экспериментальное подтверждение в ходе анализа распределения давления и магнитного поля в высокоширотной магнитосфере.
2. Исследована топология высокоширотных токов в магнитосфере. Показано, что наряду с традиционными токовыми системами, включающими кольцевой ток западного направления, токи хвоста, токи магнитопаузы и продольные токи, может развиваться высокоширотная квазикольцевая токовая система, являющаяся высокоширотным продолжением кольцевого тока, поперечные токи в дневной части которой лежат вне экваториальной плоскости. Данная токовая система названа токами разрезного кольца. Проведен анализ процессов заполнения плазмой внутренних областей магнитосферы и формирования профиля давления, поддерживающего кольцевой ток и его высокоширотное продолжение. Объяснена экспериментально полученная зависимость максимума Dst-вариации во время магнитной бури от положения аврорального электроджета.
3. Развита теория продольного ускорения электронов и ионов на авроральных силовых линиях в спокойных дискретных формах полярных сияний, позволившая объяснить формирование оболочечных и пучковых структур в функциях распределения частиц, зависимость вытекающего из ионосферы продольного тока от продольного падения потенциала. В ходе анализа процессов ускорения предсказано положение области ускорения на авроральных силовых линиях, величина плотности плазмы в области ускорения и существование локализованных областей ускорения.
4. Развита теория формирования функций распределения типа «коников» (с максимумом под углом к силовой линии) на авроральных силовых линиях. Предложенный механизм дал возможность объяснить наблюдаемое на эксперименте преимущественное ускорение тяжелых ионов и возможность ускорения ионов водорода и кислорода до одной и той же скорости. Получено аналитическое решение, хорошо описывающее спектры ускоренных частиц.
5. Развита теория формирования мультиплетных структур типа перевернутого V (спокойных дуг и полос полярного сияния), связывающая число структур, на которые распадается полоса вытекающего из ионосферы продольного тока, с амплитудой продольного тока, шириной полосы, ионосферной проводимостью и температурой магнитосферных ионов. Показано, что предсказания теории хорошо описывают данные наблюдений среднемасштабных (с масштабами 50-200 км в меридиональном направлении) авроральных структур на спутниках Интеркосмос-Болгария-1300 и Ареол-З.
6. Проведен анализ данных экспериментальных наблюдений на авроральных силовых линиях и в хвосте магнитосферы Земли, свидетельствующих о турбулентном характере течения плазмы. Показано, что температуры электронов и ионов слабо зависят от координаты поперек аврорального овала, а флуктуации электронных потоков могут быть описаны в рамках предположения о справедливосі И больцмановской зависимости. Показано, что взаимодействие электронов с неоднородными электрическими полями объясняет результаты экспериментальных наблюдений. Построена модель плазменного слоя со среднемасштабной турбулентностью, давшая возможность объяснить утоныпение время взрывной фазы, а также предсказать величину коэффициента квазидиффузии поперек плазменного слоя. Показано, что данные наблюдений на различных спутниках дают величину коэффициента квазидиффузии, совпадающую с теоретическими предсказаниями, включая зависимость данного параметра от фазы суббури. Развита теория заполнения долей хвоста плазмой плазменного слоя. 7. На базе данных спутника Ареол-3 показано, что ближайшая к экватору структура типа перевернутого V во время подготовительной фазы суббури в ночные часы является наиболее мощной структурой. Проведен анализ устойчивости азимутального распределения магнитосферной плазмы при наличии продольного падения потенциала. Построена модель развития процессов во время взрывной фазы магнитосферной суббури, включающая генерацию локальных электростатических полей, проникновение холодной плазмы ионосферного происхождения в область продольного ускорения и формирование узкого листа продольного тока. Показано, что предсказания теории нашли ряд экспериментальных подтверждений.
Достоверность результатов подтверждена автором экспериментально и обусловлена использованием современных теоретических методов описания плазменных систем, данных спутниковых и наземных наблюдений, хорошим согласием численных расчетов с экспериментальными данными.
В работе содержатся теоретические результаты, полученные автором без соавторов, либо в соавторстве со студентами, аспирантами и молодыми сотрудниками, у которых автор являлся научным руководителем. В обзорной части работы, Главах 4 и б описаны результаты, часть которых получена автором совместно с покойным проф. Борисом Аркадьевичем Тверским, светлая память о котором всегда являлась вдохновляющим примером и стимулом к работе. Содержащиеся в работе экспериментальные результаты получены, в основном, при обработке и анализе данных приборов, созданных советскими и российскими учеными в рамках международных космических проектов (ИЫТЕРБОЛ, Интеркосмос-Болгария-1300, АРКАД). Изложены также результаты других авторов, позволившие существенно продвинуться в понимании изучаемых явлений.
Результаты работы докладывались на многочисленных конференциях и семинарах у нас в стране и за рубежом (170 докладов), включая ассамблеи IAGA, сессии COSPAR, Чепменовские конференции. Автор работы являлся приглашенным докладчиком на 5 международных конференциях, возглавлял секцию D3.8/PSW2 на COSPAR-2002, Хьюстон, Техас, США.
Результаты опубликованы в 115 статьях, включая 80 работ в рецензируемых журналах и 5 обзоров. Основные работы цитируются в тексте диссертации.
Работа состоит из введения, 10 глав, заключения и списка литературы. В диссертации принята следующая нумерация формул: первая цифра соответствует номеру главы, вторая - номеру раздела в главе, третья - номеру формулы в разделе. Аналогично нумеруются рисунки. Библиография составлена в алфавитном порядке, причем вначале помещены работы, написанные на русском, а затем на английском языках.
Настоящая диссертация выполнена в Институте ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова. Часть результатов получена в ходе реализации проекта ИНТЕРБОЛ в Институте Космических Исследований РАН. Работа в процессе выполнения поддерживалась грантами РФФИ, ИНТАС и программой Университеты России.
