Введение к работе
Исследование космического пространства - одна из наиболее бурно разивающихся областей знания. Решение ряда практически важных задач, таких как повышение надежности радиосвязи, изучение космической погоды, обеспечение радиационной безопасности и др. невозможно без фундаментального исследования физических процессом в околоземном космическом пространстве. При этом необходимо учитывать влияние магнитного поля солнечного ветра на структуру магнитосферы, конвекцию плазмы и динамику токовых систем.
Солнечный ветер непрерывно взаимодействует с магнитосферой планеты. Магнитное поле солнечного ветра, пересоединяясь с магнитс-сферным магнитным полем, в значительной мере определяет его структуру. Для быстро вращающейся планеты, обладающей сильным магнитным полем, вращение оказывает существенное влияние па формирование магнитосферы и взаимодействие с солнечным ветром. Исследованию этих процессов посвящена настоящая работа.
Новые возможности для изучения взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой открываются благодаря доступности огромного экспериментального материала через сеть Интернет. Наряду с разработкой теоретических моделей в диссертации проведены систематизация и анализ теоретических исследований, имеющихся в литературе, и экспериментальных данных, полученных на космических аппаратах и спутниках и на наземных обсерваториях. Проведено сопоставление полученных теоретических результатов и модельных расчетов с имеющимися экспериментальными данными, подтверждающее их достоверность.
Актуальность рассматриваемых в диссертации вопросов определяется тем, что важнейшие прикладные задачи неосуществимы без фундаментальных исследований физических процессов в системе солнечный ветер-магнитосфера-ионосфера-планета. Связующим звеном в этой системе является магнитное поле, вдоль силовых линий которого происходит обмен заряженными частицами и передача энергии на большие расстояния.
Актуальность затронутых проблем связана также с тем, что для понимания магнитосферных и ионосферных процессов, для анализа огромного потока информации, полученной в настоящее время на многочисленных космических аппаратах и искусственных спутниках Земли, необходимо знать конфигурацию силовых линий магпитосферного моля, соответствук)тую межпланетному магнитному полю (ММП) и момент наблюдения. В частности, возросшие требования к улучшению прогноза "космической погоды" для решения практических :!адач делают актуальными рассматриваемые ь диссертации вопросы.
И связи с полетами космических аппаратов Pioneer К), 11, Voyager 1, 2, Ulysses, Galileo и Cassini к Юпитеру становятся особенно актуальными авали-j структуры магнитосферы этой планеты и исследование влияния на пес магнитного поля солнечного ветра. Особенности юпи-териапской магнитосферы определяют своеобразие ее обтекания солнечным ветром и взаимодействия с межпланетным магнитным нолем.
Цель диссертации состоит в определении роли межпланетного магнитного поля и формировании магнитосферы плашчы, обладающей сильным собственным магнитным полем. Среди плане г земной группы самое сильное магіїитиос поле у Земли, среди плапет-гигаитов -- у Юпитера.
Задачи диссертации можно сформулировать іїледующим образом.
1. Определить структуру токового стоя дневной магиитопаузы Земли с зависимости от направления магнитного поля солнечного ветра.
2. Рассчитать для различных ориентации ММП распределения магнитных и электрических нолей и кониекции в магнитосферах Земли и Юпитера.
3. Смоделировать процессы, происходящие в магнитосфере Земли при резком повороте ММП к северу, в частости, преобразование высокоширотных трехмерных токовых систем.
4. Сформулировать условия усиления магнитного поля вблизи магиитопаузы быстро вращающейся планеты.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые теоретически выявлен ряд эффектов, определяемых величиной и направлением ММП:
- для земной магнитосферы для наименее исследованного случая северного ММП показано, что дневная магнитопауза представляет собой двойной токовый слой; пересоедипение происходит в нейтральных точках магнитного поля, расположенных в окрестностях касіюв. вследствие чего возникает обращение конвекции, образующей вихри иа открытых силовых линиях полярных шапок, а граница между открытыми и замкнутыми силовыми линиями является эквипотенциалью;
- при близком к радиальному направлении ММП пересосдинения на линии и в нейтральной точке существуют в земной магнитосфере одновременно.
Впервые построена модель магнитосферы Юпитера, учитывающая влияние ММП.
Эти новые теоретические представления дали возможность впервые объяснить следующие явления:
- возмущения низкоширотной Н-компоненты магнитного поля на Зем ле, направленные к северу ночью и к югу днем, возникающие после резкого поворота ММП к северу, сопровождающего прохождение межпланетной ударной волны;
- появление антикоротационных потоков плазмы в экваториальной предполуденной магнитосфере Юпитера при южном ММП.
Разработанный подход позволил теоретически обосновать необходимость возникновения NBZOKOB вблизи земных каспов при северном ММП и возможность усиления магнитного поля у магнитопаузы быстро вращающейся планеты.
Результаты исследований имеют практическое значение: они позволяют анализировать спутниковые и наземные данные, а также наблюдения, проведенные на космических аппаратах вблизи Юпитера. В частности, непосредственную практическую ценность представляет обнаружение маркера (уменьшение 5г-компоненты магнитного поля), позволяющего в ряде случаев идентифицировать дневную магнитопау-зу Земли при северном ММП. Теоретическое обоснование необходимости возникновения NBZ-токов при северном ММП дает возможность прогнозирования возмущений в полярной земной ионосфере. Рассчитаны магнитные возмущения на экваторе Земли, которые следует ожидать после столкновения магнитосферы с корональним выбросом массы, несущим северное магнитное поле. Практическое применение проведенных исследований, в частности, состоит во вкладе автора в создание 3-х государственных стандартов [1-3]. Достоверность результатов диссертации подтверждается их хорошим согласием с имеющимися экспериментальными данными и обусловлена использованием современных аналитических методов и расчетных моделей.
Личный к л ад автора и получение научных результатов, изложенных и диссертации, и взаимоотношение с соавюрами. Главные розуль-таты дисеер їнции получены автором лично и опубликованы без соав-торон и десяти статьях в рецензируемых ведущих научных журналах (три и журнале "Геомагнетизм и Аэрономия" [4-6], четыре it журнале "Journal of Geophisical Research " [7-10, одна в журнале "Journal of Atmospheric and Solarerrestrial Physics" [11], одна в журнале Astrophysics and Space Science" [12], одна в журнале "International Journal of Geomagnetism and Acronomy" [13]) и в монографии E. С, Беленькой: "Влияние межпланетного магнитного поля на формирование магнитосферы", Итоги науки и техники. Исследование космического пространства, Т. 33а, Москва, ВИНИТИ, 235 с, 2002 [14]. В работах по теме диссертации, выполненных с соавторами (И.И. Алексеевым, В.В. Ка-легаепым, Ю.Г. Лютовым, СЮ. Бобронниковым [15-30]), вес соавторы внесли равный научный вклад. E.G. Беленькой в этих работах принадлежит носіановка тех задач, которые вошли в основные положения диссертации, получение аналитических рошений, отраженных в диссертации, проведение численных расчетов, приведенных в диссертации.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научных семинарах в НИИЯФ МГУ, ПГИ, ИФЗ, ИКИ, ГАИШ, на международном симпозиуме по солнечно-земной физике (Сочи, СССР, 1984). на V Генеральной ассамблее IAGA (Прага, Чехословакия, 1985), на международном симпозиуме "Полярные геомагнитные явления 1 (Суздаль, СССР, 198G), на VI Генеральной ассамблее IAGA (Эксетер, Великобритания, 1989), на XXVIII ассамблее COSPAR (Гааіа. Нидерланды. 1990), на XX Генеральной ассамблее IUGG (Вена, Австрия, 1991), на Чепмеповской конференции по микро- и среднемасштабным явлениям в космической плазме (Гаваи, США, 1992), на Всемирном космическом конгрессе (Вашингтон, США, 1992), на Чепмеповской конференций по физике магнитопаузы (Сан-Диего, США, 1994), на VIII международном симпозиуме по солиечио-земной физике (Сендай, Япония, 1994), на Чепмеповской конференции по магнитным бурям (Пасадена, США, 1996), на III международной конференции по суббурям (ICS-3, Версаль, Франция, 199G), на I Альфвечонскои конференции Европейского.
Геофизического союза по низко-высотпым исследованиям процессов на дневной границе магнитосферы (Кируна, Швеция, 1996), на XXXI научной ассамблее COSPAR (Бирмингем, Англия, 199G), на VIII научной ассамблее IAGA (Уппсала, Швеция, 1997), на рабочей группе "Координированные исследования взаимодействия солнечный истер - магнитосфера - ионосфера. Интерболл" (Кошице, Словакия, 1998), на Международной конференции по проблемам Геокосмоса (Санкт-Петербург, Россия, 1998), на ХХШ и XXVII Генеральных ассамблеях Европейского Геофизического союза (Ницца, Франция, 1998, 2002), на конференции "Магнитосферы внешних планет" (Париж, Франция, 1999), на Европейской конференции по гигантским планетам: "Юпитер после Галилео и Кассини" (Лиссабон, Португалия, 2002), на международном симпозиуме "Авроральные явления и солнечно-земные связи", посвященном памяти профессора Ю. И. Гальперина (Москва, Россия, 2003).
На защиту выносятся следующие результаты, полученные в работах, составляющих основу диссертации:
I. Показано, что дневная магнигопауза представляет собой двойной
токовый слой. Носителями токов намагничивания являются ионы магнитослоя и магнитосферы. При северном направлении межпланетного магнитного поля азимутальные токи в слоях антипарал-лельны друг другу и на магнитопаузе уменьшается Bz-компонента, а следовательно, и величина модуля полного магнитного поля.
II. Установлено, что в ответ на изменение направления магнитного поля солнечного ветра возникают различные типы пересоединения межпланетного и магнктосферкого полей: двумерное пересоединения на квазинейтральной линии при южном ММП и трехмерное пересоединения в двух нейтральных точках магнитного поля, рас положенных в магнитосфере вблизи северного и южного касповпри северном ММП; при направлении ММП близком к радиальному два типа пересоединения существуют в магнитосфере одно временно.
ІП. Показано, что в то время как при южном ММП в обеих полярных шапках экстремумы потенциала электрического поля локализованы на утренней и вечерней границе области открытых силовых линий, пересекаемой антисолнечной конвекцией, при северном ММП на открытых силовых линиях в ионосфере конвекция образует ви хри, не пересекающие границу между открытыми и замкнутыми силовыми линиями, вблизи проекции касна возникает обращение конвекции, там же локализованы экстремумы электрического потенциала к сильные распределенные продольные NBZ-токи. Для направления ММП близкого к радиальному ионосферная конвекция на открытых силовых линиях имеет структуру, отражающую свойства двумерного и трехмерного псресосдипсний, существующих одновременно: наряду с вихревой формой и обращением конвекции только часть границы между открытыми и замкнутыми силовыми линиями является эквипотенциалью.
IV. Показано, что при внезапном повороте магнитного поля солнечного ветра от горизонтального направления к северу, сопровождающем прохождение межпланетной ударной волны, возникает переходная трехмерная токовая система. Оценено характерное время ее существования, определяемое временем формирования конвекции, соответствующей северному ММП, на открытых силовых линиях двух полярных шапок. Магнитное поле переходной токовой системы па низких широтах на поверхности Земли направлено к югу в полдень и к северу в полночь.
V. Построена модель магнитосферы Юпитера, позволившая впервые исследовать влияние магнитного поля солнечного ветра. Для разных ориентации ММП получено распределение потенциалов электрических полей, созданных вращением Юпитера и МГД- генератором солнечного ветра. Показано, что при южном ММП в экваториальной юпитерианской магнитосфере возникает суперпозицияковращения (в сердцевине магнитосферы) и антисолнечной конвекции (на флангах и в хвосте). Вечером направления этих движений совпадают, утром — противоположны. В результате в утреннем секторе внешней магнитосферы образуются антикоротационные потоки. Такие потоки наблюдались в предполуденные часы при южном ММП при входе космического аппарата Ulysses в эк ваториальную юпитерианскую магнитосферу. При северном ММП антикорогационные потоки отсутствуют, преобладает ков ращение а за квазинейтральной линией в хвосте происходит движение в антисолнечном направлении. Эти результаты хорошо согласуются с данными космических аппаратов Pioneer 10 и Voyagers, полученными при северном ММП. VI. Предложен механизм усиления межпланетного магнитного поля вблизи магнитопаузы быстро вращающейся планеты. Показано, что для планеты, обладающей сильным магнитным полем, для которой вращение передается до магнитопаузы, возможно усиление ММП но столько раз, во сколько азимутальная скорость вращения у магнитопаузы превышает альвеновскую скорость в невозмущенном потоке обтекающей замагничеиной плазмы. В Солнечной системе этот механизм актуален только для Юпитера.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объем диссертации - 318 страниц. В работе приведен 71 рисунок и 3 таблицы. Список литературы содержит 345 наименований.
