Интенсивные мелкомасштабные электрические и магнитные поля в верхней ионосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССг ОРДЕНА ЛЕНИНА 1'ПСТ1',ГУТ «ЮЙКИ .шж им, О.^.ШДО.

На правах рукописи УЛК 550,ЯВ5

БШИЧЕНКО Сэргрй Виктг.роеи'.;

ИНТЕНСИВНЫЕ МЕЛКОМАСШБЖЕ аЯШМШСКИв И МАГНИПМЕ ШЛЯ В ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЕ

Специальность -¡04.00. 22- Геофизика

Апторсфзрат дисс ?ртяпил на соискание ученой сгепзш яиицицата фиэико-к&тег^ати -шских неук

Мое два. - 1990

Рлйота шиполнсгн* в Институте оемного мдгнетиама, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР.

Неумный руководитель» кандидат Оиаико-математических

наук В.М. ЧМЫРЕВ

Официальны« оппонвнтыI доктор фиаико-матвматичес.кик

наук A.B. ГУЛЬЕЛЬМИ кандидат Фиаико-иатематических наук A.C. ВОЛОКИТИН Ведущая оргвниоация! Научно-исследовательский институт ядерной Физики МГУ

Защита диссертации состоится " 1990 г.

в /V -.ас. СО мин. на населении Спвциалиоированного Сооет*. К.№2.ОБ.02 при ИфЗ АН СССР.

йдрес! 123Б1И, ГСП, Москва, Д-242, Б.Грузинская, 10.

С диссертации« можно ознакомиться в библиотека

, паз йн ссср.

7-7 ^ttfL'vitf..__ 1990 г.

Автореферат разослан *

Ученый секретарь Спици«) лиакр г-ü i ниог о Совета ДОКТОр } «иэ.-мьт. неук

В.А.ДУБРОВСКИЙ

Интенсивные электрические и магнитные поля в верхней ионосфере

9108 Реферат

9117 Объект исследования

Верхняя авроральная ионосфера 9126 Цель работы экспериментальное исследование свойств интенсивных мелкомасштабных электрических и магнитных полей и связанных с ними явлений в ионосферной плазме по данным спутника " Штеркосмос - Болгария - 1300".

9144 Методы исследования и аппаратура ИЗМервНИв На СПуТНИКв ЭЛеКТрИЧвСКОГО ПОЛЯ

методом-двойного электрического зонда- и магнитног поля при помощи феррозондового и индукционного магнитометров.

9153 Теоретические результаты и новизна установлена ЭЛвКТрОМаГНИТНая Природа ИНТвН-

сивных скачков электрического и магнитного полей, изучены их волновые характеристики. Показана вихревая структура возмущений и выделены различные типы вихрей. Найдена и изучена локальная связь скачков с потоками аврораль-

$°Рмами полярных сияний, возмущениями температуры и

919 8 Практические результаты и новизна разработаны экспериментальные основы для построения динамических моделей нелинейных электромагнитных структур в авроральной плазме, создано матобеспечение электромагнитных экспериментов на ШЗ в УНЧ/КНЧ диапазонах.

9162 Предмет и степень внедрения

9 3 71 Эффективность внедрения

9180 Область применения результаты исследований могут быть использованы для построения механизмов ускорения авроральных частиц, взаимодействия волн и частиц в нелинейной физике плазмы.

5634 Индексы УДК ¡DÜU.ább

5616 Коды рубрикатора ГАСНТИ

' ' ' ■ »• ■ ' !•» 1 « ■ • * ■ «•» < 1 *

И

и

I '.i

.11,1

I'll

Г I I

ш

I I* I

5643

С

Грамматика

Ключевое слово

01

I „I. I.

I I I I I I I

02

л 1

I I I

II I I I

03

.1 ,1. 1111 ■!..

04

■1- I.

I .1 I.

IIIIII

05

J_L.

t J I,

t t i l i i .

06

1 1

I I I

' * « ' '

о.

07

I I 1

!.<-» О*,"» V «" I

08

I it

I I I

Yo Y,J¡*

l'.l.L:

09

■ i l i,

!/V ч/, -,.

I i Ь ir> fit irl <

10

л_u

-I_L.

.1 1 ,

ili ■

юдниеь jvflT

Ученая степень. д^рние

фамипця

. инициаль

f t" 1

Председатель Совета

К 002.08.02

6273

докт.ф.-м.н.,профессор

6174

Г .Н.Петрова

I

I

I___I

I

I

I « I

X. О <J "It^- i Г1ПД tx.fAl-i.rv

ДИССЕРТАЦИИ 04] Кандидатская, 05 Докторская

fifKifi № гемвняйм9й УШ

—1//T

3

7020 Шифр программы (проблемы), задания, этапа, подэтапа

5517 № госрегистрации работ

L

0T.fifi.0n78T70

7443 Итоги исследования:

13 Новое направление в науке и технике 22 Теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы

40

5211 Международный обмен: ]55] Безвозмездная передача 6 4 Передача с возмещением затрат 73 Передаче не подлежит

Новое решение актуальной научной задачи

6444 Шифр научной 6480 № специаль-7434 Дата защиты специальности ности по образованию

7425 На соискание степени

йШ™ 'П>4-<>".^ I сада u UMa0,,j0CTä^:

6642 Аспирантура

Виличднкп

Г^ргрй Виктпргтин

Фамилия, инициалы 6156 Научные руководители Ученая степень, звание 6255 Шифр научной специальности 6453 Членство в Совете 6624

* Чмырев В.М. к.ф.м.н 01.04.03

6165 Официальные оппоненты 2 Гульельми A.B. 3 Волокитин A.C. 4 6264 д.ф.м.н., профессор к.ф.м.н. 6462 04.00.22 01.04.02 6615 v 'i

5742 Страниц 5751 Приложений 5760 Иллюстраций 5778 Таблиц 5787 Использованные источники ТЯ7 1 1 - I 14 R ] 1 Т I 1 ТТТ

5481 Публикаций 5472 Авторских свидетельств

8

]

2088 Сведения об организации, где работает соискатель 2484 Коп ОКПО 2 88Q Кпп СОАТО ......

2385 Сокращенное наименование организации

-АН ССОР

2583 Код ОКОНХ 1458 Кос

11 9 oll 0 -1 1 470 Г

7344 Внедрение результатов работы: 35 Внедрено

|53| Планируется внедрение

од СООГУ 2988 Телефон

' ■ —| I

2781 Город ]| ТрОИЦК, МОСКОВСКОЙ О0Л.

Сведения об организации, где выполнена диссертация

п ОКПО 3285^Кос^СОАТО 3258^Кд^ОКОНХ 1476^Код СООГУ

Л

зс

3330 Наименование организации

]®ЙЕ

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР

3276 Город 1 ТРОИЦК. МОСКОВСКОЙ Обл.

2097 Сведения о ведущей организации 2493 Код ОКПО 2898 Код СОАТО 2592 Код ОКОНХ

2066426 1 1 ТТ4Я I I 9РТТ0

2196 Наименование организации

1467 Код СООГУ

] I 390? ~

299 7 Телефон

] I 939-Тft-jg

Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ

2790 Город 1 Москва

7407 Сведения о Совете 7452 Шифр Совета 7461 Телефон Совета 2736 Город, в котором расположен Совет

К 11 ?й4-30-4? 11 Москва.

2034 Сведения об организации, в Совете которой проходила защита

2430 Код ОКПО 2835 Код СОАТО 2538 Код ОКОНХ 2934 Телефон

[

2699592 "11 IT45

95IT0

1431 Код СООГУ 1332 Сокращенное наименование министерства (ведомства)

4701 II АН СССР

. 3033 Телетайп

1 1 254-30-42 I I ТТТ48Т Якват<г

2304 Наименование организации

Ордена Ленина Институт Физики Земли им. О.Ю.Шмидта АН СССР

2637 Адрес (индекс, республика, область, город, улица, дом)

ü л \ * _

...------ тл

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблему.

Идентификация физических процессов, ответственных за ускорение и перенос авроральных частиц, являэтся одной из главах задач магнитосферных исследований. Ракетные и спутниковые эксперименты, проведенные сза два последних десятилетия, показали, что в динамике ионосферной и магнитосферной плазмы чрезвычайно важную роль играют мелкомасштабные электрические поля. С ними связываются эффекты локального ускорения авроральных частиц, приводящие к формированию активных дуг полярных сияний, мелкомасштабным возмущениям температуры и плотности фоновой плаоми, генерации определенных типов КНЧ/ОНЧ излучений. Однако, несмотря на большое количество полученный в последние годы экспериментальных данных, ясности в понимании физической природы интенсивных локализованных электрических полей и связанных с ними явлений до сих пор достигнуто не было. . 1оэтому представлялось актуальным проведение систематических исследований, которые по■ оволили йы ответить на следующие вопросы»

- как разделить в эксперименте электростатические и электромагнитные структуры и определить их относительную роль в динамике авроральной плазмы;

- каковы механизмы формирования мелкомасштабных электромагнитных структур;

- где находятся области их генерации;

- какую роль играют рассматриваемые структуры в процессах ускорения и переноса плаомы в различных областях ионосферно — магнитосферной системы;

- какук! роль играют интенсивные локалиоованные электрома)— нитные поля в развитии различных авроральных процессов. Указанные проблемы определили актуальность поставленной в дис-сератации задачи.

Це/1ь работы состояла в экспериментальном исследовании свойств интенсивных мелкомасштабных электрических и магнитных полей и связанных с ними велений в ионосферной плазме па данным спутника "Интеркосмос - Болгария - 130(2" (далее И)<_Б-130И) и, частично, ИСЗ "Интеркосмос-ав" и 0РЕ0Л-3 для решения следующих задач:

- установить физическую природу интенсивных скачков электрического паля, в частности, определить, являются ли они ква-оистационарными возмущениями электростатического типа или это распространяющиеся электромагнитные волны;

- определить роль скачков электрического поля в динамик* авроральной плазмы, в том числе в формировании ускоренных потакав частиц и некоторых активных форм полярных сияний»

- изучить динамику КНЧ/ОНЧ излучений в области электром«!— нитных скачков.

Научная новизна работы определяется следующими реаультата-

МИ1

1. Детально изучена тонкая структура электромагнитных скачков и их волновые характеристики путем анализа данных шес-тикомпанснтнУл измерений, проведенных на спутнике ИК-6-13С0.

2. Путем прямых измерений в авроральной плазме получена локальна я связь дискретных потоков аероральних частиц, ответственных за возбуждение активных форм полярных сияний, а также возмущений плотности плазмы и вспышек КНЧ/ОМЧ излучений с электромагнитными скачками.

3. Экспериментально показано существование отражающего слоя в авроральной магнитосфере на высоте около одного радиуса Земли.

Ппактическая значимость работы определяется следующими факторами!

- найдены характеристики класса сильных перемещающихся возмущений электромагнитных полей и плазмы с пространственным масштабом 1-1(3 км в авроральной ионосфере;

- разработаны экспериментальные основы для построения динамических моделей нелинейных электромагнитных структур {вихревых цепочек, уединенных альфвеновских вихрей и т.п.) в авроральной плазме;

- создано математическое обеспечение электромагнитных экспериментов на ИСЗ в УНЧ/КНЧ диапазонах, которое поломано в основу системы анализа данных новых спутниковых проектов

("АПЭКС", "Интервал" и др.).

Результаты работы нашли применение в ряде НИР, выполняемых а ИЗМИРАН в интересах народного хозяйства.

Защищаемые в диссертационной работе положения;

1. Установлена »лектромагнитная волновая природа интенсивным скачков электрического поля в авроральной плазме; обнаружен эффект обращения поляризации электромагнитных скачков, показана вихревая структура возмущений.

2» Экспериментально показано, что с распространяющимися электромагнитными структурами связаны дискретные потоки ионов и •вроральных электронов( которые могут быть ответственны оа формирование активных дуг полярных сияний, а также эффекты локального разогрева частиц ■ ионосфере.

3. Экспериментально установлена высокая степень корреляции вспышек КНЧ/ОНЧ излучений с электромагнитными скачками. Показано, что структура поля КНЧ/ОНЧ волн определяется двумя фактора-ми| процессом генерации волн мощным неоднородным потоком частиц в структуре ЭМС и дактировкой волн неоднородностями плотности тепловой плазмы, которые переносятся электромагнитным скачком.

4. Дано экспериментальное подтверждение существования отражающего слоя ■ авроральной магнитосфере на высоте около одного радиуса Земли, обусловленного, по-видимому, формированием слоя аномального сопротивления плазмы в этой области.

Апробация. Основные результаты работы докладывались на семинарах отдела НЧ волн и отдела ионосферных исследований ИЗМИРАН, на семинарах и НИИЯФ МГУ, ИфЭ АН СССР, ЛО ИЗМИРАН, на семинарах и совещаниях в НРБ и Швеции, на международных симпозиумах СОБРАР в 1982, 1984, 1986 г.г., на 5-й Генеральной ассамблее 1АВА/1АМАР а Прага 1985 г., на Международном симпозиуме по физике ионосферы и магнитосферы Земли и солнечного ветра (Львов, 1983), на нескольких всесоюзных конференциях.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в в работах.

Структура и объем диссертации^ Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержит 90 страниц основного текста, 50 рисунков. В списке цитируемой литературы 127 наименований. '

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируется цель работы, обосновывается ее

актуальность и излагается краткое содержание диссертации.

Первая глава посвящена рассмотрению современного состояния исследований тонкой структуры мелкомасштабных электрических полей в ионосфере и магнитосфере и обосновании! программы целевых электромагнитных экспериментов на спутнике ИК-Б-1300.

Впервые результаты измерений интенсивных (до 1 В/м) электрических ' возмущений с характерными временами 1 с были представлены в 1977 году в работе Позера и др. Наблюдения проводились на спутнике S3-3 в авроральной ооне на высотах ~ 1RK от поверхности Земли. Позднее было опубликовано большое количество данных, полученных со спутников S3-3, S-3-2, ISEE-1, по которым были определены области магнитосферы, где преимущественно наблюдались сильные электрические поля. В авроральной зоне на высоте ~ IRr- возмущения электрического поля достигали оначений 1000 мВ/м в плоскости, перпендикулярной внешнему магнитному полю, и 100 мВ/м вдоль магнитного поля. Кроме того в этой области наблюдались псплески электрического поля в продольной компоненте с характерным временным масштабом 2 - 10 мс и амплитудами

10 мВ/м. В области внешней границы плазменного слоя на фоне квазипостоянных полей 5-10 мВ/м регистрировались турбулентны» электрические возмущения до 100 мВ/м. Примерно такая же картина наблюдалась в области головной ударной волны. Электрические поля с амплитудами 5-10 мВ/м часто фиксировались внутри плазменного слоя.

Интенсивные мелкомасштабные электрические возмущения, зарегистрированные в авроральной зоне на высоте ~ 1RK, были нао-ваны электростатическими скачками (ЭСС).

Подобные наблюдения, показавшие существование больших параллельных электрических полей, проводились на спутнике VIKING на высотах ^ 10000 км.

Наблюдения мелкомасштабных электрических полей на спутник* БЗ-З дали богатый экспериментальный материал. Однако возможности этого проекта были существенно ограничены. На спутнике не выполнялись измерения магнитного поля с высоким временным разрешением, поэтому получить однозначней ответ на основополагающий вопрос об электростатической или электромагнитной природе возмущений было невозможно.

В последнее десятилетие был осуществлен целый ряд экспери-

ментов на спутниках и ракетах (в частности, на спутниках DE X и ЕЕ 2, ОРЕОЛ 3, ISEE 1, GEOS 1,2, VIKING) в программу которых входили исследования мелкомасштабных электрических структур. В результате этих экспериментов стало понятно, что мелкомасштабные электрические поля _ характерное_ явление в авроральной ионосфере и магнитосфере и что они наблюдаются на всех высотах о зоне полярных сияний — от Гранины плазменного слоя до ионосферы.

Несмотря на большое количество жспррименпльныя и теоретических работ, посвященных исследованию меякомаиштаймых элект трических и мдгнитных полей в ионосфере и магнитосфере, многие вопросы, касающиеся их природы и роли в электродинамической связи ионосферы и магнитосферы остаются открытыми. Существующие теоретические модели часто трактуют одни и те же экспериментальные данные с совершенно противоположных точек зрения. На наш взгляд такое положение объясняется двумя причинами» неполнотой информации и, видимо, существованием различных типов мелкомасштабных возмущений, имеющих разную физическую природу.

Для всестороннего изучения мелкомасштабных возмущений необходимо проведение шестикомпонентных электромагнитных измерений с высоким временным разрешением, поскольку отсутствие даже одной компоненты решающим образом сказывается на возможности однозначной интерпретации экспериментального материала. Вторым услояи' 1 полноты эксперимента должно быть проведение сопутствующих измерений потоков частиц и их спектров, волновых излучений в КНЧ/ОНЧ диапазонах и параметров фоновой плазмы, детальное исследование их локальной связи с возмущениями электрических и магнитных полей.

Указанные соображения составили основу научной программы sлектромагнитнык экспериментов на спутнике ИК—Б—1300. Соответственно, электромагнитный комплекс на спутнике был организован так, чтобы обеспечить измерения трех электрических и трех ма1— митных компонент поля с разрешением 60 - 80 мс и сйнхронно с ними волновых излучений на частотах 0.03 — 1S кГц. Данные разработанных совместно специалистами ИЗМИРАН и Института космических исследований Болгарской академии наук приборов этого комплекса были использованы в диссертации.

Во второй глпве представ^ана структура математического

- а -

обеспечения указанных экспериментов, дано описание методов об-рабс.гки временных рядов, применяемым для анализа шестикомпо-яонтиын измерений электрических и магнитных полей и определения их волновых характеристик. Выбор методов анализа шестикомпо-нентных измерений электрического и магнитного полей в диапазоне частот от долей Гц до В Гц определялся с одной стороны конкретными физическими задачами, с другой - характером изучаемых временных рядов. Основная задача была сформулирована так! имеют ли интенсивные электрические возмущения в аароральной ионосфере электростатическою природу или это распространяющиеся электромагнитные структуры) в последнем случае необходимо изучить волновые характеристики, используя возможности шестикомпонентного анализа. Полученные в результате этих измерений временные ряды весьма разнообразны по своему характеру. В одних случаях они обладают хорошо выраженными свойствами детерминированных сигналов, в других являются реализацией случайного процесса. Часто временной ряд представляет собой детерминированный сигнал, смешанный с шумом. Поэтому для изучения полученных рядое приходилось применять различные методы спектрального анализа.

В исследуемом частотном диапазоне 0.1 -В Гц на интервал» анализа часто наблюдалось лишь несколько колебаний электрического и магнитного полей, что делала невозможным применение сосуществующих методов шестикомпонентного анализа, требующих, чтобы интервал наблюдения был много больше характерного периода изучаемого явления. Поэтому пришлось идтИ по пути получения волновых характеристик непосредственно из волновой формы сигналов. Сначала временные ряды подвергались кросспектральному анализу для выделения спектральных интервалов с высокой степенью корреляции взаимно перпендикулярным электрической и магнитной компонент. Затем при помощи полосовых цифровых фильтров производилась фильтрация анализируемых рядов для выделения сигналов в соответствующих диапазонах частот. Отфильтрованные ряды служили основой для определения волновых характеристик.

Применение методов анализа временных рядов, описанных выше, позволило установить электромагнитную волновую природу интенсивных мелкомасштабных возмущений в авроральной ионосфере, благодаря чему они были названы электромагнитными скачками ОМС) и интерпретированы в терминах косых альфвеновских волн.

В частности, было выделено три типа электромагнитных скачков«

случайные возмущения. По нашим представлениям одиночный скачок наблюдается в том случае, когда спутник пересекает зону только падающей либо отраженной уединенной альфееновской ясян«. Парные скачки появляются при последовательном пересечении падающей и отраженной волн. Третий тип электромагнитных сксчкоо представляет собой суперпозицию падающей и отраженной волн, занимающих достаточно протяженную область пространства« Для исследования таких возмущений были применены методы гомоморфной обработки временных рядов.

В основе гомоморфной обработки лежит выбор и реализация канонической гомоморфной системы, которая позволяет применить линейные инвариантные к сдвигу фильтры для разделения сигналов, связанных нелинейным образом. При решении задачи отражения достаточно использовать класс гомоморфных систем, приспособленных для обработки сигналов, объединенных посредством свертки^ поскольку процесс отражения можно описать линейной фильтрацией. Методы применения таких систем называют также кепстральным анализом. Рассмотрим простую модель, когда волна отражается от плоской поверхности и при этом спектральный сост1в сигнала меняется. Обозначим коэффициент отражения чераи . Представим х! о» как сумму падающего и отраиэмкего сигналов!

к (п) «а <п> <п-п I > =

Иначе х <г>) юяно записать, в яиде свертки х !п5 "»а (п> «р <п> с где

уединенные структуры, парные электромагнитные скачки и квази-

Преобразование Оурье сигнала х <п} равно

)-3<ш>Р<«>

5

где Р(ы) - Фурье—преобразование р(п)„ Далее

Р^ (^)=1од 1=1од<\/ 1 + +2^соз (Ы п г ) )

- 1(8 -

т.е. fg,*4*"5 ~ периодическая Функция с периодом "2гГ/пх. Сле, ¿вательно, если S(cj) меняется с частотой медленнее, чем Р<ь>>, то их можно разделить при помощи линейного инвариантного по частоте фильтра. В комплексном кепстре х(п) появится пик на «•п», который и будет указывать на наличие отражения и позволит определить временную задержку отраженного сигнала относительно падах>щего.

Для решения вопроса о применимости описанного метода к реальным данным выли проделаны модельные расчеты. Результаты моделирования подтвердили эффективность применения методов кепст-рального анализа для решения поставленной задачи.

В третьей гладе с использованием описанных выше методов обработки и анализа исследованы особенности тонкой структуры электромагнит^..! скачков, на основании спектральных и поляризационных характеристик выявлена их волновая природа, определен тип волновых возмущений. Установлена и изучена тесная корреляция электромагнитных скачков с потоками авроральных частиц, колебаниями плотности плазмы, вспышками КНЧ/ОНЧ излучений и некоторыми формами полярных сияний.

Было обработано 819 сеансов, примерно в половине из них во время пролетов через авроральнух» зону уверенно выделялись ЭМС. Наличие резко выделенных спектральных максимумов как в квадрате спектра когерентности воаимно перпендикулярных электрической и магнитной компонент, поперечных внешнему магнитному полю, так и а спектрах мощности каждой из них указывает на то, что структура возмущения формируется волновым процессом. Дополнительным свидетельством в пользу »того утверждения послужили особенности поляризации ЭМС.

Перечислим основные свойства ЭМС.

- большие амплитуды электрических и магнитных полей я ЭМС, плотность энергии котрых может достигать одного процента от плотности энергии тепловой плазмы;

- продольная компонента магнитного поля в скачках практически не возмущена;

- электрические и магнитные колебания хорошо коррелирова-ны! квадрат спектра когерентности взаимно ортогональных компонент электрического и магнитного полей составляет ~ 0.75;

- отношение поперечных компонент магнитного и электричес—

кого полей примерно равно альфвеновскому показателю преломления;

- поляризация электрического и магнитного полей в горизонтальной плоскости описывается сильно вытянутыми эллипсами, причем главные оси эллипсов Е^ и Вд взаимно ортогональны;

—=-------электромагнитные скачки сопровождаются возмущениями___

плотности плазмы <лп/пи ~ 3 - 7 %> |

- характерный размер структур поперек внешнего магнитного поля лежит в пределах от сотен метров до первых десятков километров, что соответствует попрпечному масштабу диспергирующих альфвеновских волн на авроральных силовых трубках.

Перечисленные свойства позполяют интерпретировать электромагнитные скачки как нелинейные аяьфвеновские волны. Особенности поляризации указывают на вихревую структуру полей. В диссертации приводятся примеры различных типов вихревых электромагнитных возмущений. Первый тип, в котором имеет место обращение поляризации, соответствует пролету спутника через двухячеечную структуру с противоположным направлением конвекции плазмы в ячейках. Это уединенный дипольный вихрь. Во втором ипе уединенных структур обращения поляризации не происходит, поэтому его можно рассматривать как монопольный вихрь. Эти два вида локализованных двумерных электромагнитных структур, а также вихревые цепочки (распределенные в одном направлении вихревые образования) представляют типичные формы регулярных электромагнитных возмущений большой вмпли.уды, наблюдавшихся с борта ИК-Б-130В в высокоширотной ионос.. эре.

Анализ квазислучайных возмущений электрического и магнитного полей был проведен с применением методов нелинейной фильтрации. Экспериментально установлен факт отражения альфвеновских волн от двух областей: ионосферы и некоторого слоя магнитосфер-ной плазмы (предположительно области аномального сопротивления) на высотах ~ 1 ,

На основе синхроннных измерений потоков электронов и ионов с энергиями И. 4 — 15 кэВ и шести компонент электромагнитного поля в диапазоне частот 0.1 - 8 Гц на спутнике ИК-Б-130В получено прямое экспериментальное доказательство связи дискретных потоков авроральных частиц с альйеновскими волнами е иснссфер-но-магмитосферной плазме? ( рассмотрены типичный энергетические

распределения таких частиц.

Совместный анализ данных по потокам частиц и зпи позволил сделать следующие выводы!

- с электромагнитными скачками, как падающими, так и отраженными от ионосферы, связаны интенсивные (Л>1Иа(сма с ср к»В)_<) потоки частиц с энергией порядка 1 кэ8>

- за 3 — Л с до элэктромагнитного скачка и связанного с ним потока высыпающихся электронов наблюдается дискретный ■сплвск кэВ-ных электронов - предвестников)

- в области предвестников обычно наблюдаются восходящие пучки ионов с энергиями 1 к»8|

Спектр высыпающихся электронов, связанных с электромагнитными скачками, может быть описан би—максвелловским распределением с "теплой" и "горячей" компонентами с температурами соответственно ~ 0.25 кэВ и ~ 2.3 кэВ и максимумом в области энергии "* 1 к»8. .эти спектры очень похожи на "ускоренные" спектры, наблюдавшиеся Сандал и др. в активным авроральнык дугах, а так-»« на спектры, часто наблюдавшиеся я области границы плазменного слоя и в его центральной части. Поскольку в области внешней границы плазменного слоя часто наблюдались интенсивные вспышки мелкомасштабных электрических полей, разумно предположить,что •льфвемооские вихри, наблюдаемые в ионосфере, генерируются в области внутреннего и внешнего краев плазменного слоя и переносят ниокоэнергичны® частицы из этих областей генерации в евро— ральную ионосферу. "Ускоренные" электронные спектры могут быть сформированы благодаря продольному электрическому полю в альф-веновской волне.

Локализованные потоки ускоренных электронов внутри уединенных и парных электромагнитных структур наблюдались также на ИСЗ 0РЕ0Л-3. Было установлено, что электромагнитные возмущения сопровождались повышением потоков электронов на порядок до значений 1.4*10"» «см» с ср кэВ)-1. Анализ энергетических распределений показал существование продольных электронных пучков с пиком энергии ~ 0.5 кэв. Общий поток энергии, переносимый электронами в диапазоне энергий В.2 - 20 кэВ, составил 4 эрг/смас. В области интенсивных электромагнитных возмущений наблюдалось также значительное увеличение квазипоперечных потоков ионов до значений (1-2)х 10* (см-« с ср кэВ)-» для ионов О- с энергией 1250

эВ и для ионов Не- с энергией 335 эВ. Эти анергии соответствуют одинаковой скорости ионов О" и На- С* 1.2 х 10е м/с). Полагая, что ионы захвачены в потенциальной яме нелинейной альф-веновской волны, можно принять эту скорость равной поперечной скорости волны Уг-ЕН!-; Поскольку V,,— ~ 2.2х1Ял м/с, мошна можно определить наклон альвеновской волновой структуры! оС „"^ап-* *■ 3°.

Палев в работе представлены результаты измерений потоков частиц, КНЧ волн, электрических полей и плотности плазмы, полученные с борта спутника "Интег'<осмос - Болгария - 1300" (высоты ~ вИЭ км) над активной авроральной дугой, которая была зарегистрирована камерой всего неба на обсерваторий в Килписиярви (Финляндия). По спутниковым данным авроральИая дуга была Идентифицирована по значительному увеличению потоков высыпающихся электронов с энергиями 1 кэВ. В области дуги наблюдались ин тенсивные электромагнитные скачки и резкие всплески дрейфовой скорости плазмы. Возмущения поперечного магнитного поля над ду той соответствуют структуре продольным токов переменного знака с максимумом плотности тока 30 А/м®. На приэкваториальной границе интенсивных Электронным высыпаний и зоны ЭМС зарегистрирован кваэимоноэнергетический пучок высыпающихся ионов с энергией Е - 5.6 кэВ, величина потока которого на два порядка превосходила поперечный и направленный вверх потки ионов и составляла 2x10* (см" с ср кэВ)-1. В зоне высыпания электронов и ЭМС (~ 30 км вдоль орбиты) наблюдалось уменьшение плотности плазмы в 2 - 3 раза. Сравнение вариаций плотности плазмы и электрического поля над дугой показывает их антикорреляцию. Влияние электрического поля на ■высокоширотную ионосферу приводит к увеличению температуры частиц и, соответственно, изменен нию скорости ионно-молекулярных реакций, иценка скорости нагре ва электронов в процессе столкновИтельнбй диссипации альфвенов-ского возмущения и время существования авроральной дуги (по данным камеры всего неба 10 мин) показывают, что джоулее нагрев и вариация скорости химических реакций могут полностью объяснить уменьшение платности плазмы над авроральной дугой, наблюдавшееся в эксперименте.

В диссертации были проанализированы всплески интенсивных КНЧ/ОНЧ излучений, тесно коррелированных с отдельными ЭМС и

- -

связанными с ними потоками авроральных частиц, наблюдавшихся на спутниках ИК.-6-1300 И 0РЕ0Л-3. Интенсивность КНЧ/ОНЧ излучений а области ЭМС на два порядка и более превышает фоновый уровень, а максимумы в пространственном распределении интенсивности волн часто совпадают с краями электронного пучка, связанного со скачком, ипектр наблюдаемым волн довольно сложен и формируется, по-видимому, несколькими волновыми модами, возбуждаемыми различными механизмами. Показано также, что ЭМС сопровождаются •оамуцениями плотности плазмы.

Данная совокупность фактов приводит к оаключёнию, что структуре поля КНЧ/ОНЧ волн В области электромагнитного скачка определяется двумя основными факторами! генерацией волн мощным неоднородным пучком частиц и процессом дактировки (гидирования) возбуждаемых волн неоднородностью плотности плазмы. По-видимому именно эти процессы возбуждения и накопления волн в специфическим движущихся волноводах - альфвеновских вихревых трубкам -определяют высокий уровень КНЧ/ОНЧ излучений, связанных с электромагнитными скачками.

Значительный поток волновой энергии Г 1 - 10 эрг/1смас>), который переносят электромагнитные скачки, вызывает ряд геофи-оических эффектов при падении ЭПС на ионосферу. К ним относятся образование потоков надтепловых ионов и электронов из ионосферы • магнитосферу. По данным измерений электронной температуры на ИСЗ "Интеркосмос - 18" на высоте 680 км в авроральной зоне электрические скачки сопровождались локальным ростом температуры электронов, превышавшем в отдельных случаях измерительную шкалу прибора <12000°К).

В заключении сформулированы основные результаты, получениие • диссертации!

1. Создано матемаггическое обеспечение волновых экспериментов на спутнике ИК-Б-1300, позволившее обработать и всесторонне проанализировать данные шестикомпонентных электромагнитных измерений в диапазоне частот 0.1 - 8 Гц.

2. Выделен и.изучен класс мелкомасштабных электромагнитных возмущений - электромагн'<тных скачков в верхней авроральной ионосфере, установлены их Фундаментальные свойства и указано на их связь с аналогичными структурами в различных областях магнитосферы.

- Itl -

3. Получено экспериментальное доказательство локальной связи дискретных потоков авроральных частиц с ЭМС. Установлено, что одновременно с ЭМС наблюдаются интенсивные lJ>10a смл с ср

кэВ)-1) потоки высыпающихся электронов и восходящие пучки ионов с энергией порядка 1 кэВ, изучены их спектры. С ЭМС коррелируют также поперечные потоки ионов О"* и Не-, энергии которых соответствуют одинаковой скорости ~ 10а м/с. В предположении, что эти ионы захвачены внутри потенциальной ямы нелинейной альфве-новской волны, был определен наклон альвеновской волновой структуры 3°.

4. Обнаружена и изучена тесная локальная корреляция КНЧ/ОНЧ излучений с электромагнитными скачками и дискретными потоками связанных с ними авроральных частиц. Показано, что высокая интенсивность во вспышках КНЧ/ОНЧ обусловлена двумя факторами! локальной генерацией неоднородным потоком частиц и дак тировкой излучения на неоднородности плотности плазмы в структуре ЭМС.

3. С помощью методов нелинейной фильтрации экспериментально подтвержден факт отражения альфвеновских волн от ионосферы и от слоя с аномальным сопротивлением в авроральной магнитосфера на высотах 1 R*, предсказанной в ряде теоретических работ.

6. Приведенные в работе данные явились экспериментальной основой для интенсивно развивающейся модели мелим^пных лрейфо-во—альфвеновских волновых структур.

Список работ, опубликованных по теме диссертации)

1. Bilichenl-o S. , Chmyrev V. , Isaev N. , Лопеа D. , Pedersen A. Electric double structures in trie auroral ionosphere // XXIV COSPAR meeting, Abstracts, 8.2.11, p. 222, Ottawa, Canada, 16 May - 2 Juny 198?.

2. Stanev G.A., Petrunova M.N., Teodosiev D.K., Kutiev I.S., Serafimov K.B., Chmyrev v., leaev N., Puachaev P., Pime-nov I., Bilichenko S. An Instrument for DC electric -field and AC electric and magnetic fields measurements aboard

Intercosmos - Buliäria -1300" satellite. // Adv. Space Ree. - 1983. - v. 2. - p. 43.

3. Chmyrev V.M., Oraevsky V.N., Isaev N.V., Bilichenko S.V.,

- lib -

Stanev В. Teodosiev D. The -fine structure of intensive ■mall-scale electric ana magnetic fields in the high-latitude ionosphere as observed by Intercosmos-Bulgaria-1300 satellite // Planet. Space Sci. - 1985. - v. 33. - p. 1383.

4. Биличенко C.B., ТрушкинаЕ.П. Применение методов цифровой Фильтрации для обработки спутниковых данных по электрическим полям // Препринт N 36(467), М» ИЭМИРАН, 1983, 10 с.

5. Чмырев 8.М., Биличенко С.В., Казанская М.Б., Костин В.П., Лазарев В.И., Тельцов П.В. Авроральные частицы, связанные с нелинейными альфвеновскими волнами // I еомагнеТиом и аэрономия - 1906. - т. 26. - с.1 273.

6. Афанасьев W.B., Биличенко С.В., Бобков М.Н., Внучков Г.А., Лущаев П.П., Чмырев В. 14. Измерения вариаций геомагнитного поля а диапазоне частот id.1 - И I ц на спутнике "Интеркосмос-Болгария- 1300" // Научная аппаратура. - 1987. - т. 2. - с. 15.

7. Chmyrev V.M., BtlichenKo S.V., Poktiotelov О.A., Marchen-ko V.A. , Lazarev V. I., Strel'teov A.V. , Btenflo L. Al-fven vortices and related pnenotnena in the ionosphere and magnetosphere // Phyaica Bcripta - 1988. - v. 38. - p. 842.

в. Qhmyrev v., Berthelier A., JorJlo N., Berthelier J., Bos-

qued J., Balperin Yu., Kovrazhkin R., Begin C., Mogilevsky И., Bilichenko S. Non-linear Alfven wave generator otf auroral particles and ELF/VUF Haves. // Planet. Bpace Bci. - 1989. - v. 37. - p. 749.