Исследование мелкомасштабной структуры околоземной ударной волны (КНЧ волны и нагрев электронов) тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ

На правах рукописи

Петруковяч Анатолий Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЛКОМАСШТАБНОЙ СТРУКТУРЫ ОКОЛОЗЕМНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ СКНЧ ВОЛНЫ И НАГРЕВ ЭЛЕКТРОНОВ)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

01.03.03- гелиофизика и физика солнечной системы

Москва, 1994

Работа выполнена в Институте космических исследований РАН

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук С. П.Савин Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Ерошенко Е.Г. СИнститут земного магнетизма и распространения радиоволн РАН) доктор физико-математических наук Липеровский В.А. (Институт физики Земли РАН)

Ведущая организация: НИШ» МГУ

Автореферат разослан "_^ 1994г.

Защита диссертации состоится " $ " _декабря_ 1994г. на

заседании спец. совета N К 002.94.01 в Институте космических исследований РАН по адресу:

<?Ю

Москва, Профсоюзная 84/32. о /& С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН.

Ученый секретарь Совета

кандидат физико-математических наук /< — J Д. В. Титов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Изучение бесстолкновительных ударных волн важно для целого ряда областей современной физики: физики Солнца, солнечно-земной физики, астрофизики, физики лабораторной плазмы и других.

Экспериментальное исследование бесстолкновительных ударных волн связано в основном с околоземной ударной волной, образующейся при взаимодействии сверхзвукового потока солнечного ветра с магнитным полем. Земли. Сильные солнечные вспышки приводят к образованно межпланетных ударных волн в потоке плазмы солнечного ветра. Межпланетные ударные волны играют фундаментальную роль в процессе передачи энергии, высвобождающейся при развитии активных процессов на Солнце, в магнитосферу Земли. Поэтому изучение динамики И структуры ударных волн, а также процессов, происходящих в их фронтах, имеет практическое значение в решении задач радиосзязи, метеорологии, медицины и т.д. В астрофизике изучение бесстолкновительных ударных волн важно для исследования таких вопросов, как ускорение космических лучей, механизм генерации излучения в остатках сверхновых и т. д.

Одной из ключевых проблем физики бесстолкновительных ударных волн является проблема перераспределения энергии направленного движения набегающего потока плазмы в тепловую энергию ионов и электронов, ускорения частиц и генерации колебаний. Эти вопросы еще окончательно не разрешены для такого класса бесстолкновительных ударных волн, как сверхкритические квазиперпендикулярные удзрные волны. Структура и динамика квазиперпендикулярных бесстолковительных ударных волн в значительной степени определяется электромагнитными полями и плазменными колебаниями с характерными масштабами порядка нескольких электронных циклотронных радиусов.

Детальное исследование турбулентности во фронте: ударной волны и ее физическая интерпретация возможны на основе одновременных измерений электромагнитных полей и плазменных

токов.

В рамках проектов "Прогноз-8", "Прогноз-10", "Интерпол", токовые измерения реализованы с помощью цилиндра Фарадея и целевого зонда Ленгмюра. При интерпретации такого рода экспериментальных данных необходимо учитывать влияние плававшего потенциала и геометрию собирающих поверхностей зондов.

Цели и задачи работы

Целью работы являлось исследование процессов, протекающих во фронте квазиперпендикулярной ударной волны на масштабах порядка электронного ларморовского радиуса,- включающее:

- разработку методов обработки и интерпретации измерений плазменных токов;

- исследование с помощью токовых измерений низкочастотных плазменных колебаний вблизи ударной волны;

- численный расчет неадиабатического нагрева электронов во фронте квазиперпендикулярной ударной волны и определение применимости этого механизма для объяснения экспериментальных данных.

Научная новизна работы

1. Разработан метод обработки данных флуктуаций плазменных токов при использовании их для определения мод плазменных колебаний. На примере низкочастотных плазменных колебаний вблизи околоземной ударной Ъолны, в рамках линейной теории теплой плазмы, рассчитаны модельные величины токов, измеряемых цилиндром Фарадея и щелевым зондом Ленгмюра. Изучена зависимость результатов таких измерений от характеристик моды плазменных колебаний, параметров плазмы, а также от ориентации датчиков, их формы и потенциала.

2. С помощью проведенных на спутнике "Прогноз-8" Свблизи околоземной квазиперпендикулярной ударной волны) измерений электрического и магнитного полей и флуктуаций ионного потока в диапазоне частоты нижнегибридного резонанса показано совпадение

экспериментальных зависимостей с модельными и возможность определения плотности и температуры плазмы.

Для измеренных в ходе волнового эксперимента на спутнике "Прогноз-10" флуктуацнй магнитного поля и плотности тока в диапазоне частоты нижнегибридного резонанса показано, что в области спектральных пиков экспериментальные дисперсионные характеристики совпадают с модельными для вистлера и БМЗ волны. Волновые гармоники сконцентрированы в узком диапазоне длин волн 15-30 км при диапазоне частот в системе отсчета плазмы 1 - 10 Гц.

3. Численно Сметодом одночастичного моделирования) рассчитан нагрев тепловых электронов плазмы, связанный с неадиабатическим взаимодействием электронов с.коротковолновыми всплесками электрического поля в области рампа сильной квазиперпендикулярной ударной волны. Показано, что этот механизм способен обеспечить достаточный нагрев электронной компоненты. Результаты численного расчета соответствует экспериментально определенным зависимостям прироста температуры от параметров мегпланетной среды, в том числе тем, которые не могут быть объяснены в рамках адиабатического приближения.

Научная и практическая значимость работа

Метод обработки волновых токовых измерений позволяет вычислять количественные характеристики, необходимые для идентификации типов плазменных колебаний и уточнения на этой основе моделей формирования характерных структур в бесстолкновительных плазменных оболочках планет.

Результаты исследований волновой активности и расчетов нагрева электронов во фронте квазиперпендикулярной ударной волны представляют самостоятельный интерес для физики бесстолкновительных ударных волн. Они могут быть также использованы при описании процессов в плазменных оболочках других астрофизических объектов.

Личный вклад автора

Автор непосредственно участвовал в: - разработке методики, алгоритмов и программ моделирования

работы токовых датчиков;

- проведении обработки, систематизации, анализа и физической интерпретации данных волновых экспериментов, осуществленных на спутниках "Прогноз-8" и "Прогноз-10";

- в численном расчете ряда теоретических моделей нагрева электронов.

Апробация работы

Материалы, приведенные в работе, докладывались на:

сессии КОСПАР, Гаага, Нидерланды, 1990;

сессии Европейского Геофизического общества, Эдинбург, Великобритания, 1992;

26-ом ЕБЬАВ симпозиуме по изучению солнечно-земных связей, Килларней, Ирландия, 1992;

конференции по пространственно-временному анализу плазменной турбулентности, Осуа, Франция, 1993.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Объем работы составляет 56 страниц. Она содержит 35 рисунков и 1 таблицу. Библиография включает 75 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируются цели и задачи работы, дается представление об основном содержании диссертации.

В первой главе .описываются результаты моделирования измерений плазменных токов.

Датчики, регистрирующие переменные токи, являются существенной частью волновых экспериментов, проводимых в космической плазме. К числу таких датчиков относятся, например, одиночный зонд Ленгмюра, цилиндр Фарадея и щелевой зонд Ленгмюра Стоковый зонд). Токовые измерения при отсутствии измерений достаточного количества компонент электрического и магнитного полей или при наличии сильных помех и искажений

способны дать информацию, необходимую для определения характеристик и типов плазменных колебаний Однако сигнал, регистрируемый токовыми датчиками, зависит от потенциала зонда, его формы и ориентации относительно магнитного поля. Для вычисления величины искажения естественного сигнала зондом необходимо учитывать форму функции распределения .частиц, переносящих ток.

В рамках линейного приближения для теплой плазмы известно аналитическое выражение для Фурье-компонент возмущения функции распределения частиц плазмы по скоростям. При интегрировании этой функции в различных пределах и с разными весами можно получить как предсказания отклика плазмы на сигнал электрического поля, так и величины искажений естественного сигнала при измерениях. В главе приведены результаты таких вычислений для случая измерений вблизи околоземной ударной волны в диапазоне 0.1-100 Гц. При исследовании работы датчика в этой области можно пренебречь влиянием магнитного поля и считать, что дебаевский радиус много больше размера датчика. В качестве основы для модели были взята вистлерные колебания в однородной максвелловской плазме.

Показано, что колебания тока электронов в направлении, перпендикулярном магнитному поли, создаются частицами, имеющими, в среднем, тепловую скорость, а в направлении, параллельном магнитному полю, - частицами со скоростью между резонансной и тепловой. Это позволяет сделать оценку искажений, вносимых положительным плававшим потенциалом токового зонда, в измерения тока. Эффективная площадь зонда увеличивается на величину, пропорциональную отношению потенциала зонда к средней кинетической энергии частиц.

Моделирование работы цилиндра Фарадея, измеряющего поток частиц в одном направлении, показало, что коэффициент пересчета величин потока в плазменный ток составляет 0.1-10 и зависит от взаимного расположения оси датчика, вектора магнитного- пиля и волнового вектора.

Использование измерений плазменного тока и магнитного поля позволяет вычислить величину волнового вектора колебаний. В случае использования электрического поля для определения

характеристик колебаний необходимо сравнивать экспериментальные результаты с модельными.

Оценка отношения фурье-коыпоненты плазменного тока к фурье-компоненте электрического поля в приближении холодной плазмы не зависит от типа колебаний и дает обратно пропорциональную зависимость от частоты для незамагниченных частиц и константу для замагниченных частиц. Характеристики, вычисленные для теплой плазмы, отличаются от этих оценок около частот циклотронных резонансов и когда длина волны становится сравнимой с ларморовским радиусом.

В целом использование одновременных измерений токов цилиндром Фарадея и электрического поля позволяет идентифицировать некоторые типы колебаний, отличать коротковолновые волны от длинноволновых и определять такие параметры как плотность плазмы, угол между волновым вектором и магнитным полем и т. п.

Датчик, установленный на спутнике "Прогноз-8" был предназначен для измерений потока ионов и имел на сетке задерживающий электроны потенциал -120 В. Вблизи ударной волны надежные измерения флуктуаций ионного потока возможны только на частотах менее 10 Гц. Вблизи магнитопаузы и в других областях магнитосферы этот датчик, начиная с частот порядка 1 Гц фактически измерял колебания электронного потока.

Во второй главе приведены результаты и интерпретация волновых измерений с помощью токовых датчиков на околоземной ударной волне. . Рассмотрены примеры пересечений, зарегистрированных на спутниках "Прогноз-8" и "Прогноз-10", Основное внимание уделено изучению флуктуаций плазменного тока и возможности определения типов колебаний в частотном диапазона ниже 10 Гц во фронте кваэиперпендикулярной ударной волны.

В состав волнового комплекса на аппарате "Прогноз-8" входил один цилиндр Фарадея, направленный на Солнце. Функция отклика*плазмы - отношение фурье-компонент потока ионов плазмы и электрического поля - совпадает с оценкой, вычисленной в приближении холодной плазмы с учетом поправок на конечную температуру. Так как измерения ионов в солнечном ветре мало искажаются плавающим потенциалом, метод можно использовать для

оценки плотности и температуры плазмы. Для определения дисперсионных характеристик необходимо использовать измерения электронного потока.

Измерения плазменного тока щелевым зондом Ленгмюра (спутник "Прогноз-10") позволили определить дисперсионные характеристики волн вблизи сверхкритической квазиперпендикулярной ударной волны. В работе подробно исследован вопрос возможности применения метода в реальных условиях космического эксперимента. Волновой вектор был восстановлен с использованием вращения спутника в приближении стационарности процессов в подножии. Колебания являются квазимонохроматическими, эллиптически поляризованы и сгруппированы в последовательность пакетов.

В областях максимумов частотного .спектра колебаний магнитного поля экспериментальные дисперсионные кривые совпадают с теоретическими для линейных вистлеров и БМЗ волн. Это свидетельствует о малом искажении собираемого тока плавающим потенциалом зонда. В системе координат покоящейся плазмы частоты колебаний составляют 1-13 Гц, длины волн -15-30 км, углы между волновым вектором и магнитным полем -70-85°. В промежутках между максимумами спектров и в их высокочастотной части, где спектры явл.;ются спадающими, наблюдаются отклонения от модельных характеристик, которые могут быть связаны с наличием нескольких гармоник с одной наблюдаемой частотой.

Концентрация гармоник в узком интервале длин волн при широком разбросе по частоте и углу распространения свидетельствует в пользу гипотезы о генерации колебаний нестационарной нелинейной структурой, находящейся в рампе ударной волны.

В третьей главе приведены результаты численного исследования неадиабатического нагрева электронов на сверхкритической квазиперпендикулярной ударной волне.

В первом параграфе дан краткий обзор работ связанных с динамикой электронов вблизи ударной волны. При проведении экспериментов на спутниках 15ЕЕ-1,2, АМРТЕ, "Прогноз-10" был накоплен большой объем данных по нагреву электронов на

околоземной кваэилерлендикулярной ударной волне. Было показано, что практически весь нагрев происходит в области рампа ударной волны. Разность температур электронов после и до фронта Т^-Ти прямо пропорционально зависит от величины изменения кинетической энергии ионов потока на фронте волны, а отношение полного нагрева к адиабатическому пределу £ /Т^ увеличивается с увеличением отношения потоковой скорости ионов к тепловой скорости электронов в солнечном ветре . Значимых

зависимостей нагрева от других параметров плазмы и ударной волны не было обнаружено.

Первая группа механизмов, предложенных для объяснения этого явления,- опирается на гипотезу о нагреве электронов при их взаимодействии с плазменными колебаниями во фронте ударной волны. Однако в большинстве случаев или эффективная частота столкновений электронов с колебаниями очень мала, или области нагрева и максимальных колебаний не совпадают. Другая группа механизмов использует предположение об адиабатическом взаимодействии электронов с макроскопическими электромагнитными полями во фронте ударной волны. Такой подход также не может объяснить все наблюдаемые зависимости нагрева электронов.

Механизм, учитывавший неадиабатический нагрев электронов на мелкомасштабных всплесках электрического поля, предлагает дополнительный источник энергии. Для получения точных величин неадибатического нагрева при различных условиях необходимо провести численное моделирование. В главе описываются постановка модельной задачи и полученные в ходе вычислений результаты.

Так как макроскопическая структура ударной волны определяется динамикой ионов, для моделирования нагрева электронов можно ограничиться одночастичными вычислениями. Амплитуда всплеска электрического поля определялясь исходя из изменения скорости потока солнечного ветра. Ширина магнитного рампа и скачка электрического . поля являлась свободным параметром. Для устранения эффектов ускорения электронов в параллельном магнитному электрическом попе использовалась двумерная модель Сперпендикулярная ударная волна).

Температура электронов за фронтом вычислялась по набору

значений, полученных при многократном применении одночастичной схемы с различными начальными условиями. Изменение температуры, вычисленное при различных размерах скачка электрического поля и параметрах солнечного ветра, сравнивалось с адиабатическим предсказанием.

В результате моделирования показано, что находящийся в рампе ударной волны всплеск электрического поля с амплитудой, соответствующей изменение кинетической энергии ионов солнечного ветра, и шириной несколько может нагреть электроны до

температур превышающих адиабатический предел, причем, чем выше и короче всплеск, тем больше нагрев. Присутствие скачка электрического поля таких масштабов во фронте сверхкритической квазиперпендикулярной ударной велны наблюдалось в эксперименте и предсказывается некоторыми теориями.. Моделирование подтвердило, что данный механизм нагрева имее^ порог Свсплеск электрического поля должен быть достаточно крутым), совпадающий с аналитически предсказанным.

Зависимости вычисленного нагрева от параметров плазмы солнечного ветра соответствуют описанным выше экспериментальным результатам.

Следовательно, неадиабатический нагрев электронов является неотъемлемой частью процессов, протекающих вблизи ударного перехода, и его необходимо учитывать при рассмотрении динамики электроноз во фронте ударной волны.

В заключении приведены выносимые на защиту основные результаты исследований, выполненных в рамках диссертации.

1.Разработан метод моделирования зондовых измерений переменных токов в плазме. В рамках линейной модели для теплой плазмы в условиях солнечного ветра рассчитаны функции отклика плазменного тока под действием электрического поля. Показано, что этот метод может быть использован для идетификаииии типов колебаний. Рассчитаны искажения естественного тока, вносимые потенциалом и формой датчика.

. 2. Установлено, что экспериментальное отношение ' спектра потока ионов к спектру электрического поля вблизи ударной волны совпадает с рассчитанным для незамагниченных частиц с учетом поправок, вносимых конечной температурой плазмы. Метод может

rJbTTb использован для оценки температуры и плотности плазмы.

Вычислено экспериментальное дисперсионное соотношение КНЧ колебаний в подножии квазиперпендикулярной сверхкритической ударной волны. В областях спектральных максимумов оно соответствует дисперсионным соотношениям для вистлера и БМЗ волны. В системе координат покоящейся плазмы частоты колебаний составляют 1-15 Гц, длины волн - 15-30 км. Концентрация гармоник в узком интервале длин волн при широком разбросе по частоте свидетельствует в пользу гипотезы о генерации колебаний электромагнитной структурой, находящейся в рампе и задающей пространственный масштаб колебаний.

3.Численно исследован механизм неадиабатического нагрева электронов во фронте бесстолкновительной, сверхкритической, квазиперпендикулярной ударной волны при взаимодействии с короткомасштабными всплесками электрического поля в области рампа. Определена зависимость величины нагрева от величины и ширины всплеска, от параметров солнечного ветра. Вычисленные характеристики нагрева совпадают с экспериментальными.

Автор выражает свою признательность большому коллективу сотрудников ИКИ РАН, участвовавших в подготовке и проведении экспериментов на спутниках "Прогноз-8" и "Прогноз-10", данные которых были использованы в этой работе.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1.Балихин М.А. , Виноградова Т. В., Волкомирская Л. Б., Галеев A.A., Климов С.И., Красносельских В.В., Лобзин В.В., Ноздрачев М. Н. , Петрукович А. А. Низкочастотная плазменная турбулентность во фронте сверхкритических квазиперпендикулярных ударных волн. Препринт ИКИ АН СССР, Нр-1607, Москва, 1990. .

2. Krasnoselskikh V. V. , Balikhin М.А. , Alleyne H.S.C., Klimov S. I., Mier-Jedrzejovicz W. A.C., Pardaens A.K., PetrukoYich A.A. , South wood D.J. , Vinogradova T. , Woolliscroft L.J.C. , On the nature of low frequency turbulence in the foot of strong quasi-perpendicular shocks. - Adv. Space Res.,1991, v.ll, p. С9П5-(9)18.

3. Nozdrachev M. N. , Petrukovich A. A. , ULF/ELF ^ electromagnetic waves associated with the quasiperpendicular Earth's bow shock crossing. Proc. of the 26th ESLAB Symposium, ESA SP-346, 1992, p. 101-106.

4.Klimov S......Petrukovich A.....C19 co-authors). Role of

the Interball small scale investigations in the GGS program. Proc. of the 26th ESLAB Symposium, ESA SP-346, 1992, p.29S-299.

3. Petrukovich A. A., Romanov S.A., Klimov S. I., Dispersion characteristics of plasma emissions near the quasiperpendicular Earth's Bow Shock crossing, observed by Prognoz-10 spacecraft. Proceedings of START conference, ESA WPP-047, 1993, p.281.

6.Klimov S.,..., Petrukovich A.....(12 co-authors). The

wave experiment on the Interball Tail Probe: desing and testing of the information acquisition routines. Abstracts, Spatio-Temporal Analysis for resolving Plasma Turbulence (START), ESA WPP-047, 1993, p.113.

7.Klimov S...... Petrukovich A.....(19 co-authors), Small"

scale field and wave Investigations in the Interball project. Abstracts, Spatio-Temporal Analysis for resolving Plasma Turbulence (START), ESA WPP-047, 1993, p.114.

8. Balikhin M. , Gedalin M. , Petrukovich A. New mechanism for electron heating in shocks. - Phys.Rev.Lett., 1993, v. 70, p. 1259-1262.

9.Klimov S...... Petrukovich A...... (12 co-authors),

Optimisation of the information characteristics and transfer functions of the wave complex of the Interball Probe. Abstracts, XXIVth General Assembly of the URSI, 1993, p.443.

10. Krasnoselskikh V.V. , Balikhin M. A. , Mourenas D., Petrukovich A. A., Woolliscroft L. J.C., Pardaens A.K. , Alleyne H.St., Nozdrachev M.N., Klimov S.I. Low frequency plasma turbulence in the front of the supercritical quasiperpendicular collisionless shocks. Proc. of the third Int. workshop on

collisionless shocks, March 28-30th, 1994, Issy-les-Moulineaux, France, 1994, p.47-50.

ll.Petrukovich A., Buechner J., Nikutowski B. , Klimov S. Hozdrachev M. , Romanov S., Savin S. Plasma diagnostics by means of particle flux measurements onboard Prognoz-8. MPE preprint, 1994.

055C02)2

Ротапринт ИКИ PAH Москва, 117810, Профсоюзная, 84/32

Подписано к печати 04.11.94

Заказ 35 Формат 70x108/32

Тираж 100

0.7 уч.-изд. л.