Введение к работе
Актуальность проблемы
Под коллективными явлениями в современной физике плазмы понимаются нелинейные процессы, связанные с наличием колебаний или ИПЛОВ конечной амплитуды, взаимодействие которых с частицами существенно влияет на макроскопические свойства плазмы. Особое место этих явлений обусловлено тем, что нелинейные процессы, эволюция систем, находящихся вдали от равновесия, выражают главные свойства как космической, так и лабораторной плазмы, и, возможно, составляют фундаментальные свойства природы вообще.
Плазма околоземного космического пространства - магнитосферы и ионосферы - предоставляет в распоряжение исследователя практически все многообразие плазменных процессов. Поэтому изучение магнитосферы и ионосферы важно как для решения чисто геофизических задач, так и для анализа проблем, выходящих за рамки собственно геофизики, :ак с точки зрения фундаментальной, так и прикладной науки. Разработанные для околоземной ллазмы методы исследования и полученные результаты могут ока-ьатюя полезными при изучении лабораторной плазмы в термоядерных установках, солнечной плазмы и других астрофизических объектов.
Выяснение физической природы явлений в зоне полярных сияний невозможно без изучения процессов в соответствующих областях магнитосферы и механизмов электродинамической связи меаду ионосферой и магнитосферой. Важная роль в осуществлении такой связи принадлежит, в частности, кинетическим альфвенов-ским волнам. Благодаря развитию в последние годы техники экс-
неримента, в том числе наземных, ракетных и, в особенности, спутниковых наблюдений, появились указания на существенно нелинейных характер возбуждаемых колебаний. 'Гакшл образом, воз-никает необходимость в изучении ряда коллективных явлений в наиболее активних и динамичных областях магнитосферы и ионосферы Земли. Плазма високоширотної! магнитосферы и ионосферы, особенно во время развития крупных возмущении, таких как маг-шітосферіше бури и суббури, существенно неоднородна и представляет собой систему, находящуюся ?'Лали от положения равновесия. Это обстоятельство позволяет построить теорию регулярных нелинейных структур в высокоширотной магнитосфере и ионосфере Земли. Такая теория дает возможность интерпретировать данные спутниковых наблюдений и понять физический механизм ряда авроральных явлений.
Цолыо работы является: изучение одного класса коллективных явленні! - нелинейных вихревых структур - в высокоширотной магнитосфере и ионосфере Земли. В этой связи в диссертации строится теорій вихревых структур в неоднородной плазме с характерный! геофизическими параметрами. В качестве переходного процесса рассмотрен ряд нових дрейфових неустокчквостей в иагнитосферноії плазме.
Научная новизна работы
1. В работе построена теория, оиисыаайцая нелинейные дрейфово-альфвеновские вихри в магнитосфернои и ионосферной плазме и процесс их возбуждения. При учете нелинейности и дисперсні, альфвеновские волны могут самоорганизовался в ди~ цольннз вихревае трубки, локализованные в направлении поперек магнитного поля экспоненциально. Рассмотрение неоднородности наряду с учетом дисперсна альфзеновских вихрей приводит к об-
_ 5 -
нарушении новых интересных особенностей распространения вихрей в термодинамически неравновесной системе, какой является неоднородная плазма. Ранее была теоретически показана возможность существования в неоднородной диспергирующей среде линейных волн отрицательной энергии, т. е. волн, амплитуда которых растет при наличии диссипации, для нелинейных альфве-новскях волн в плазме малого давления это явление обнаружено в настоящей диссертации. Локализация вихрей в виде мелкомасштабных трубок делает их, в отличие от линейных волн, нечувствительными к стабилизирующему воздействию шкра магнитного поля. Следовательно, в неоднородной плазме возможны долгожи-вущив дрейфово-альфвеновские вихревые структуры. Отрицательность энергии вихрей означает, что их образование выгодно энергетически. Такая самоорганизация неоднородной плазми в тонкие вихревые нити была названа конденсацией. 3 диссертационной работе впервые для альфвеновских вихрей в плазме конечного давления те /гп; і fl < і / те і - масса электрона и иона, /2> - отношение давления частиц плазмы к давлению магнитного поля/ найдено гладкое решение, в котором! все физические величины непрерывны. Кроме этого, в работе построены решения для дрейфово-альфвеновехях вихрей и в плазме малого даьления !Ь * meinn; ,
2. На основании этой теория дана интерпретация ряда представленных в работе спутниковых наблюдений. Измерения, проведенные на спутнике "Интеркосмос - Болгария - 1300", свидетельствуют в пользу формирования дуг полярных сияний кинетическими альфвеновскими волнами. В диссертации учтены факторы, позволяющие адекватно интерпретировать наблюдавшиеся на спутнике интенсивные электромагнитные скачки и связанные с ними
_ 6 -
потеки частиц и ШЧ. - ОНИ излучения в терминах дипольних альфвеновских вихрей: а/ ввиду конечности амплитуда волн рассмотрены нелинейные явления; б/ разработана двумерная модель для цилиндрической геометрии возмущений; в/ вихревые структуры рассмотрены не только в магнитосферной плазме конечного давления, но и в холодной неоднородной авроральной плазме; г/ найдены три типа решений: вихревые цепочки, уединеннее ди-польные вихрг и уединенные монопольные /осесимметричные/ вихревые трубки, соответствующие наблюдаемым структурам.
3. Обнаружены новые дрейфовые неустойчивости магнитосферной плазьш. В диссертации, исходя из общего подхода, использующего кинетическое уравнение Власова, найдены: дрейфовая неустойчивость гвдроліагнитного типа с ненулевой частотой распространения и довольно большим инкрементом, а также ряд кинетических дрейфовых неустойчивостей в анизотропной, энергетически однокомпонентной плазме с конечным значением Д и температури электронов, превышающай ионную температуру. Описанные неустойчивости не были ранее извастны в физике шшзмы.
Практическая ценность работы. Разработанная теория вихревых структур позволяет при интерпретации данных спутниковых наблюдений объяснить электромагнитные возмущения большой амплитуды и некоторые связанные с ними авроральные явления. Результаты, получешше в диссертации, дополняют картину известных к настоящему времени неустойчивостей магнитосферной плазмы. Ряд выводов работы монет быть использовали, помимо геофйЁНЧисдих приложений, при исследовании лабораторной плазма с шшй> щаезиженмя управляемого термоядерного синтеза.
Ащао^аДЕЕЯ -работы. Результаты, полученные в диссертации, дїишшЕіЕііїса ва международной рабочей школе по плазменной
„ 7 _
астрофизике Варенна - Лблстумани в Сухуми /1986 г./; бют представлены на XIX Генеральной ассамблее Международного союза геологии и геофизики в Ванкувере /Канада, 1987 г./, па конференции МАГЛ в Великобритании /1989 г./; а такжо докладывались на научных семинарах Института физики Земли имони 0. SO. Шмипта АН СССР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Общий объем 150 страниц, в том числа 27 рисунков. Библиография включает 225 наименований.
