Геомагнитные пульсации, связанные с возбуждением околоземных волноводов тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

lia пралаж рупспиоч Ш Б00.888.87

МЩАНЛ1ЮЙ ЛкдрсЛ Ввгашевяч

ГЕОИЛПШПЩЕ ПУЛЬСАЦИЯ, СВЯЗАЙ&Е О

воавУкдашЕМ ОКОЛОЗЕЯФЯ вшвюведов

01.03.03 - Гшо^язш а фшка еонечно! свстда

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации ва соксяаккв учексй отсжзяя ксодщата §йзиэто~»!ГЕ®»атгг№с«ка наук

ИРКУТСК - 1996

faûœta вняшшена я Иркутской государственной акшкшицеской академии •

Научный руководитель: доктор фкзжоыатеыаткчесяшс мауя,

профессор Иаргоыов В. Л.

Сфщиадыше оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Полов Г.В. кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Эолитухшш И.А.

Ведущая организация: Илсхктут носисфизнчесюя пссдадоаа-

ний и аэрономии СО PAU

Защита диссертации состоится » 0(э " 1Q90 г. в'Vi часов на вассдании диссертационного совета Д 003. £4. 01 в в Кяаиауте сшвечво-вемной $иакнм ( ООДШ, Иркутск-33, уд. Лершзытоза, 126)

С диссертацией чожно ознакомиться в библиотеке ИСЗ* 00 PAJJ. Автореферат разослан " & Jo-XUSq " 1996 г.

Учений секретарь дксс«ртациоцисго

совета при ИС34 СО РАН л

кандидат физико-математических наук /Ш* А. И. Галкин

Околоземная плазма являзтея средой, в которой распространяются электромагнитные излучения с частотой от далей Гц до >Сотен кГц. Геомагнитные пульсации, представлшгащте электромагнитные волш инфразвукового диапазона, занимают диапазон ог 10"3 до 2 Гц. Источником1 геомагнитных: пульсаций могут быть различные яеустойчявостй магнитос^ерной плазмы, внутримагни-тосферные резшанси, а тггае некоторые в ну т рииопосфе рныйг процессы • Особый интерес представляет1 изучение' реакции магнитосферы на различные импульсные' явления,, такие как- мвгнитосферные суббури, солнечные вспышки-,. внезапные, начала магнитных: бурь и 'Т.п. Низкочастотные зшссннг, вовнякэющие кате отклик магнитосферы ка такие непродолжительные па; времени, но; кэк правило, бчень мощные по величине выделяемой энергшг внешние' всздей'а-теш» позволяют, во-первых," оценить параметры магнитосферного: колебательного контура, иг,, ва-вторых', при. наличии установленного физическото механизма, возбуждения колебаний,. судита ой их источнике. Реаение поставленных- задач: является важным- и до> конца не- иссагедсйапяш направление*. магнятосферной дяагности-хя, чем определяется, шзуальткп» настоящей работа..

Ссжтггтп^ щглаи рзСсгаг является', исследование свойств и< физически* неяаяйзти возСуждевяг геомагнитных, пульсаций,, вовни-кагщиз: в. ответ на шгг/льспке воамуценшг магяитосферньи- и- приземных волноводов. В качестве позбулдзшдах. агентов рассматриваете» потока энергичных: чазтиц' ка фаза восстановления; магни-тесферйой еуОбурн' » жесткое элекгртзгнитное' излучение солнеч* йьк вспашек.:

& аХ№№еге?8Ж с. ^.гйо. работа; Оаян поставлена'следующие-

задачи.

1. Выполнить экспериментальное исследование морфологических особенностей локальных высокоширотных геомагнитных пульсаций частотой 0,04-0,5 Гц?

2. Качественно рассмотреть возможный механизм возбуждения шшвеновского волновода в магйитосферном дакте при вааимодейо-твии с потокаш) энергичных частиц ва счет раскачки колебаний в локальных областях с температурной неоднородностью}

3. Получить оценку величины расщепления частотного спектра собственных альвеновских колебаний в высокоширотных магни-тооферных дактах;

4. Произвести анализ спектральных характеристик геомагнитных проявлений солнечных вспышек, характеризуемых повышенной «есгкость» потока ймектрсмагиитнога излучения;

6. Построить фивичвскую модель геомагнитного отклика на наиболее коротковолновую часть спектра солнечной вопдаки.

1. Получены новые данные о поляризационных и спектральных свойствах локальных высокоширотных геомагнитных пульсаций частотой 0,04-0,6 Гц, Еозиикащих как отдаленный отклик на магни-тосфериую суОбурю.

В. Предложен механизм вовОуждения низкочастотных МГД-излучений в магнитооферных волноводах, основанный на комбинированном участии череиковской и мелкомасштабных дрейфовых неустойчив остей. •

3, Выявлена квавилериодическая структура частотного спектра предварительного обратного.импульоа внезапного качала магнитной бури.

- Б -

4. Исследованы характеристики геомагнитного . проявления г.есткой вспышечной радиации Солнца, полученные при анализе ди-■ панических спектров. Описан новый класс пульсаций РзГе в частотном диапазоне 1-10 Гц - пульсации Рг0зГе.

б. Рассмотрена модель стиляга земной атмосферы на высокоэнергичную компоненту электромагнитного солнечного излучения, связанная о образованием подионосферного ионизованного слоя.

6. Предложен импульсный механизм диссипации энергии, накопленной в ионизованном слое, при стратосферном электрическом разряде между ионизованным слоем и основанием ионосферы;

7. Появление выделенных максимумов в спектре СНЧ-колебаний (пульсации Рг0-ЗзГе), сопровождающих вспшечное рентгеновское и гамма-излучение, объясняется модуляцией широкополосного электромагнитного излучения, инициируемого стратосферным разрядом, собственными периодами приземных волноводов, а именно:

а) РгОвГе (периоды 0,1-1 с) - волновода Земля-ионосфера;

б) Рг1БГе (периоды ~ 1-10 с) - ионосферного альвеновского резонатора, ионосферного БМЭ-волновода,

в) Рг2Б1"е (периоды * 50-150 с)-атмосферного ТН-волновода;

г) РгЗзГе (периоды > 300 о) - волновода для внутренних гравитационных волн,• вывивающих геомагнитные колебания на Слиаких частотах.

8. Показано, что образование и распад подионосферного проводящего слоя может приводить к формированию низкочастотного биполярного геомагнитного импульса длительностью - 2 мин (импульсной компоненты кроше).

Ята.'го;!!. ¿еоотшшрйоотп и обосиовзикоотк представленных ре-

- б -

эультатов и выводов определяется использованием стандартизованной, поверенной аппаратуры, привлечением больших масоивов данных, сопоставлением экспериментальных фактов с теоретическими расчетами, цитируемостыо работ.

Научная и практическая нениооть работ». Результаты наблюдений, описанные в диссертации, могут быть использованы при разработке теоретических аспектов формирования спектральной структуры низкочастотного геомагнитного отклика, возникающего в ответ на некоторые импульсные • процессы в магнитосферной плазме, а также для наземного мониторинга магнитосферных плазменных иеоднородностей. Предложенные интерпретационные механизмы расширяют существующие представления о роли околоземных волноводов в генерации колебаний магнитного поля, наблюдаемых на земле.

Основные положения. выносимие на аащиту:

1. Во время солнечных вспышек, сопровождаемых интенсивными потоками гамма-излучения, зарегистрированы ранее неизвестные геомагнитные колебания с частотой 2-10 Гц (РгобГе).

Вероятной причиной пульсаций РгэГ0 является электрический разряд между основанием ионосферы и подионосферным ионизованным слоем, формируемым наиболее коротковолновой частью спектра вспшечного излучения.

2. Формирование геомагнитного отклика при диссипации энергии, накопленной в подионосферном слое, протекает двумя путями: импульсным (связанным о субионосферным разрядом) и аьолюционным (Оевраврядным).

Выделенные максимумы в частотном спектре Геомагнитного проявления ныокознергичной компоненты (энергия кванта ~ 1

МэВ) вслышечной радиации связаны с возбуждением приземных волноводов на соответствующих характерных частотах (пульсации РгэГе). Появление низкочастотного биполярного геомагнитного импульса (импульсной компоненты кроше) обусловлено реакцией глобального атмосферно-ионосферного контура на образование и распад подионосферного проводящего слоя.

3. Выявлены новые морфологические закономерности высокоширотных локальных геомагнитных пульсаций частотой 0,04-0,5 Гц. Выполнен качественный анализ задачи о генерации локальных пульсаций при возбуждении альвеновского волновода в магиитос-ферном дакте за счет раскачки колебаний в локальной области о "пространственной неоднородностью температуры, возникающей при пересечении дакта потоком энергичных частиц. Проведено теоретическое мсаяедоваяйе спектральной структуры излучений, распространяющихся в магнитосферных плазменных неоднородностях, оценена возможность адаптации полученных характеристик к реальным спектрам локальных пульсаций.

Публикация. Ло теме диссертации опубликовано 9 работ.

Апробация работа. Содержание работы докладывалось и обсуждалось яа: Всесоюзном семинаре "Волновые явления в магнитосфере" (Борок, 1Ш6), Всесоюзном совещания "Геофизические явления в авроральной зоне" (Норильск,1988 год), конференции "Волновые процессы в магнитосфере" (Самарканд,1989 год), симпозиуме МАГА "Низкочастотный волновой отклик магнитосферы, связанный о поступлением энергии солнечного • ве?ра" (Боулдер, 1995 год).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения общим объемом 146 страниц, включая

- а -

23 рисунка, 3 таблицы. Библиография состоит из 123 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАЕОТУ

Во таеденни обосновывается актуальность проведенного исследования и комментируется распределение материала по главам.

В первой глава приведен обвор современных представлений о волноводах в приаемной плазме. Рассмотрены имеющиеся в литературе сведения о канализации волн в соответствующих естественных резонаторах, расположенных как в магнитосфере (дакты), так и вблизи земной поверхности (до-103 км): волноводе Земля-ионосфера, .волноводе для альвеновских волн в верхней ионосфере, ионосферном волноводе для магнитозвуковых волн, атмосферном электромагнитном ТИ-волноводе, волноводе для внутренних гравитационных волн.

Одной из нерешенных проблем изучения воздействия жесткого излучения солнечных вспышек на геомагнитное поле является наличие выраженных максимумов в спектре геомагнитных пульсаций, соответствующих периодам 40, 100 и 300 с. Имеются и другие экспериментальные отличия геомагнитных проявлений наиболее коротковолновой части спектра встышечной радиации Солнца, такие как появление низкочастотного геомагнитного импульса (импульсной компоненты кроше). Отмечены некоторые процессы в нижней ионосфере, потенциально Являющиеся источником геомагнитных возмущений и механизм их развития. Кроме того, проанализированы закономерности проявления локальных ' излучений частотой 0,04-0,5 Гц, а также теоретические результаты, касающиеся ус-

ловий распространения МГД-волн в магнитосфернш плазменных не-однородностях.

Со второй главе подробно исследуются пространственные, спектральные, поляризационные особенности локальных высокоширотных квазимонохроматических эмиссий частотой 0,04-0,6 Гц. Обсуждается случаи синхронной регистрации пульсаций на близко расположенных станциях. Обнаружена характерная динамита поляризации пульсаций, проявляющаяся в повороте главной оси поляризационных эллипсов в направлении против часовой стрелки. Отмечается, что специфичные поляризационные свойства наблюдаются на ограниченной площади вемной поверхности. Описывается всплескообразный характер динамических спектров локальных эмиссий, заключающийся в квазипериодическом чередовании сигналов. Подчеркивается общность свойств пульсаций с частотой 0,04-0,1 и 0,1-0,5 Гц.

Для моделирования характеристик излучений привлекается механизм распространения МГД-волн в альвеновском магнитосфер-ном волноводе, в рам!сах которого находят удовлетворительное объяснение основные наблюдаемые закономерности. Известные подходы к возбуждению МГД- волноводов в магнитосферные. дактах пучками частиц пренебрегают тепловым движением плазмы (Ут-0,гидродинамическая модель). Учет конечной величины Ут (кинетическая модель) уменьшает полученную величину инкремента и меняет условия генерации колебаний. Поэтому для возбуждения волновода высокоэнергичным пучком частиц (У^ О) предлагается комбинированный механизм черенковской и мелкомасштабных дрейфовых неус-тойчивосгей. Раскачка колебаний посредством черенковского резонанса увеличивает степень пространственной неоднородности

температур« и, .тем самым, повышает величину инкремента, который в обычных условий мал. Производится расчет величины рас-щрпленкя частотного спектра собственных альвеновских колебаний в узких высокоширотных магнитосферных дактах. Показано, что данная величина весьма мала и сформировавшаяся спектральная структура устойчива относительно перемещения вдоль силовой литии. При учете естественного расллывания спектральных максимумов сделана оценка экспериментально еначимой ширины частотной полосы ло|сальных излучений, распространяющихся в дактах, а такде выполнено сопоставление с опытными данными.

Третья глава посвящена разработке физической модели длинноволнового электромагнитного отклика на высокоэнергичную компоненту (энергия кванта ~ 1 МэВ) вспышечного излучения. Проа-наливированьг новые данные о геомагнитных проявлениях наиболее коротковолновой радиации хромосферных вспышек. Обнаружены осцилляции магнитной компоненты с частотой до ~ 10 Гц (пульсации РгСзГе), в спектре присутствуют кратные гармоники. Квазиперио-дическал структура спектра выявлена, кроме того, для пульсаций, заполняющих предварительный обратный импульс внезапного начала магнитной бури (Рй1 БЗС), в том числе на частотах, превышающих 2 Гц, а также для геомагнитных сигналов, инициируемых молниевыми разрядами между грозовым облаком и землей. На основании сходства спектров излучений, регистрируемых во время этих импульсных процессов, сделан вывод о близости соответс-твуюда механизмов генерации.

Далее оценен обшуй ионизационный эффект гамма-вспышки. Предложена модель подионосферного поляризованного слоя, электрическое поле внутри которого аналогично по структуре диполь-

- и -

ному полю обычного грозового облака. Отмечены возможные причины поляризация проводящего слоя. Первая причина связана с тем, что для гамма-квантов о энергией > 1 МэВ при рассеянии в земной атмосфере главную роль играет Комптон-эффект на связанных электронах атомов воздуха. Отличительной особенностью процесса комптоновского рассеяния является вылет электронов, преимущественно, в направлении первоначального движения гамма-квантов. Это приводит к преобладающему смещению отрицательного заряда вниз, к поверхности Земли. Вторая причина лежит в существующей вертикальной структуре приземных электрических полей, способствующей пространственному разделению противоположных зарядов. Далее, исходя из факта временной задержки разноволнэ-вых компонент Еспышечной радиации сделано заключение о возможности возникновения изолированного по высоте поляризованного слоя.

Затем рассмотрены два варианта диссипации энергии, накопленной в ьодионосферном ионизованном слое, - импульсный (разрядный) и эволюционный (безразрядный). В первом случае изучаются условия и вероятные последствия электрического пробоя промежутка между основанием ионосферы и ионизованным слоен, продуцируемым гамма-излучением вспышки. Стратосферный разряд является мощным источником , способны)/) возбудить имеющиеся приземные волноведущие структуры, такие как электромагнитный волновод Земля-ионосфера, ионосферный альвеновский резонатор, ионосферный ЕМЗ-волновод, атмосферный ТН-волновод, волновод для внутренних гравитационных волн. В качестве главных факторов, формирующих наблюдаемый геомагнитный отклик, выбрали электромагнитный импульс и ударная волна. В диссертации указа-

ны возмглше способы возбуждения приземных волноводов стратосферным разрядом, аналогичные известным при обычных молниеЕых разрядач. В рамках предложенной модели находят естественное объяснение экспериментально обнаруженные максимумы в частотном спектре электромагнитного излучения, сопровождающего гамма- вспышки (РгО-ЗнГе), как результат модуляции широкополосного первичного сигнала собственными частотами приземных волноводов, Так, колебания с периодами 0,1-1 с (пульсации Рг0БГе) возникают при возбуждении волновода в полости Земля-ионосфера. Колебания с периодами 1-10 с (пульсации Рг1зГе) могут быть результатом суперпозиции волновых режимов, возникающих при возбуждении ионосферного волновода для БМЭ-волн и ионосферного альвеновского резонатора. Пульсации Рг2эГе (периоды 50-1Б0 с) связаны с возбуждением атмосферного ТН-волновода падающей МГД-волной при баунс-колебаниях электрического импульса, вызываемого стратосферным разрядом. Длинноволновые эмиссии РгЗэГе (периоды > 300 с) появляются при раскачке внутренних гравитационных волн ударной волной, генерируемой при разряде. При этом появление колебаний магнитного поля является следствием увлечения ионизованной компоненты при движении нейтральных чзотиц. Наличие выделенного периода может быть вызвано канализацией гравитационных волн вблизи высоты источника.

Показано, что эволюция подионосферного слоя проявляется в формировании низкочастотного биполярного геомагнитного импульса и импульсной компоненты кроше. При этом существование трех фаз геомагнитного импульса обусловлено сменой знака производной сШе/Л за счет изменения соотношения между величинами ос и д,где По - электронная концентрация, р к - скорости иониза-

ции и рекомбинации, соответственно. Для расчетов испольеоьоно уравнение баланса ионизации: 1 ч .

dNa

- . q - « Не2 .

dt

Изменение знака dNe/dt может приводить к изменению направления тока в глобальном атмосферно-ионосферном контуре и, как следствие, вариациям знака величины dB/dt на наземных записях.

В ааключения сформулированы основные результаты диссертационной работы;

1. Выярлена общность свойств локальных высокоширотных кваакмонохроматичных эмиссий о частотами 0,04-0,5 Гц и предло-иен возможный механивм генерации МГД-излучений а ыагнитосфер-них дактах при последовательной раскачке черенковской и мелкомасштабных дрейфовых неустойчивостей.

2. Описан новый класс геомагнитных пульсаций с частотой более 2 Гц. Обнаружена квазигармоническая структура спектра предварительного обратного импульса внезапного начала магнитных бурь.

3.В качестве отклика аемной атмосферы на солнечную гамма-вспышку предложена модель подионосферного ионизованного слоя.

4. Эволюция ионизованного слоя находит отражение в форми-

< - -

ровании низкочастотного биполярного геомагнитного импульса и, во&можно, импульсной компоненты кроше.

5. Спектральные максимумы в электромагнитных сигналах, сопровождающих иодионосфгрный разряд, появляются вследствие модуляции шумового широкополосного сигнала собственными частотами естественных приземных волноводов.

Содержание диссертации опубликовано в следующих работах;

1. Молдаванов A.B., Пархомов S.A. Морфология и возможный механизм генерации излучений на частоте - 0,25 Гц. // Геом, и аэр. 1990. т.30. N 6. с.960-965.

2. Молдаванов A.B., Пархомов В.А. О природе квазимонохроматических излучений на частоте ~ 0,25 Гц. // Исслед. по геом., аэр. и фиг. Солнца. М., 1В90. вып.90. с. 120-127.

3. Молдаванов A.B. Расщепление спектра собственных авьве-новских колебаний в узких магнитосфервых дактах. // Геом. и аэр. 1SS2. Т.32. с.170-172.

4. Молдаваноз A.B., Пархомов В.А. О природе высокочастотной составляющей Psfe, вызванных гамма-излучением сол-несних вспашек. // Исслед. по геом., аэр. и физ. Солнца. М., 1995. вып.103. с.66-61.

Л.В., Пархомов DiAi < 0 ионашамо цкакоцдс-. -■трдиш импульсных-воамущеиий геомагнитного поля,—вы а—

^йНШНЛйЫМ^-ИНДу^ШНИ^М 1!1ЩШЧШЦ ВШШИОИ1-// >ЯО(Щ)Дт-

—но 'wen, .-aap, и фио. Содица. U., вып. 1П6 ,- в гачатит-

6. Молдаванов A.B., Пархомов В.А. Широтный ход декремента затухания PI2. Всесоюзное совещание "Геофизические явления в авроральной зоне." ?еэ. докл. Норильск, 1988.

с. 23.

- is -

7. Моадаванов А.В. О временной дискретности излучения в пространственно ограниченной плазме с продольным пучком. "Геофизические поля и экология" - Сборн. науч. тр. БрИИ, 1991. С.77-84.

8. ДовбняВ.В., Молдаванов А.В,, Пархоиов В. А. Квазкш-нохроматические гидромагнитные излучения на частоте * 0,26 Гц, связанные о магнитосферными дактами, // Конференция КАПГ социалистических стран. Tea. докл. 1089. Самарканд.

9. Dovbnya B.V., Moldavanov A.V., Parkhomov V.A., Rakhma-tulin R.A. Geomagnetic pulsations with frequency higher than 2 Hr daring Intense solar flares. - Symposium 1AQA "ULF-wave response of the Magnetosphere to solar wind energy input." Boulder, 12-15.07.95