Коллективные явления в высокоширотной магнитосфере и ионосфере Земли тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

а адаш мук ссор ордам лешил институт флзики змш имени о» ю. »щгл

На правах рукописи УЖ 550.385

МАРЧЕНКО Виктор Александрович

КОЛЛЕКТИВНЫЙ ЯВЛЕНИЯ В БЫСОКОШРОТ! ЮЛ МЛГШТОСФЕРЕ И ИОЮС'МРЕ ЗЙ1ЯИ

/01.04.03 - радиофизшса/ АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1991

Работа выполнена в Ордена Ленина Институте физики Земли им. 0. Ю. Шмидта АН СССР

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

профессор 0. А. Похотелов

Официальное оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Б. А. Тверской доктор физико-математических наук Д. Р. Шкляр

Ведущая организация: Институт космических исследований

АН СССР

Защита диссертации состоится "Л " мол 1991 г. в часов на заседании специализированного сонета К 002.83.01 при Институте'земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР по здросу: 142092, Троицк Московской области«

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАИ.

Акл'орефарЕ': разослан " ХЧ- " 1991 г.

Учений секретарь специализированного совета

кандидат физ.-маг. наук — Ситков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 плазыы. Особоэ место этих явлений обусловлено тем, что нелинейные процессы, эволюция систем, находящихся вдал к 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, с точки зрения фундаментальной, так и прикладной науки. Разработанные для околоземной ллазмы методы исследования и полученные результаты могут оказаться 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 мевду 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. Такшл образом, возникает необходимость в изучении ряда коллективных явлений в наиболее активных и динамичных областях магнитосцирц и ионосферы Земли. Плазма высокоширотной ыагиитосфори и ионосферы, особенно во время развития крупных возмущений, таких как маг-иитосферные бури и суббури, существенно неоднородна и представляет собой систему, находящуюся ?'дали от положения равновесия. Это обстоятельство позволяет построить теорию регулярных нелинейных структур в высокоширотной магнитосфере и ионосфере Землл. Такал теория дает возможность интерпретировать данные спутниковых наблюдении и понять физический механизм ряда аврорадьных явлении.

Цолыо работы является: изучение одного класса коллективных явлении - нелинейных вихревых структур - з высокоширотной магнитосфере и ионосфере Земли. В этой связи в диссертации строится теория вихревых структур в неоднородной плазме с характерными геофизическими параметрами. В качестве переходного процесса рассмотрен ряд новых дрейфовых неустойчивостей в иагнитосферной апазме.

Научная новизна работы

1. В работе построена теория, оиисыаайцая нелинейные дрейфово-альфвеновские вихри в магнитосфеонои и ионосферной плазме и процесс их возбуждения. При учете нелинейности и дисперсш. альфвеновскле волны могут самоорганизовался в да-вольные вихревыа трубки, локализованные в направлении поперек магнитного поля экспоненциально. Рассмотрение неоднородности наряду с учетом дисперсии альфзвновеккх вихрей приводит к об-

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-новских 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-вущиа дрейфово-альфвеновские вихревые структуры. Отрицательность энергии вихрей означает, что их образование выгодно энергетически. Такая самоорганизация неоднородной плазмы в тонкие вихревые нити была названа конденсацией. В диссертационной работе впервые дая альфвеновских вихрей в плазма конечного давления те /т; ¿ /3 ^ - / те ¡_ - масса электрона и иона, - отношение давление частиц плазмы к давлению магнитного поля/ найдено гладкое решение, в котором все физические величины непрерывны. Кроме этого, в работе построены решения для дрейфово-альфвеновсхях вихрей и в плазме малого даьления & < те1пп; .

2. На основании этой теория дана интерпретация ряда представленных в работе спутниковых наблюдений. Измерения, проведенные на спутнике "Интеркосмос - Болгария - 1300", свидетельствуюV 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

- б -

потеки частиц и КНЧ - 0114 излучения в терминах дипольных альфвеновских вихрей: а/ ввиду конечности амплитуда волн рассмотрены нелинейные явления; б/ разработана двумерная модель для цилиндрической геометрии возмущений; в/ вихревые структуры рассмотрены не только н магнитосферной плазме конечного давления, но и в холодной неоднородной авроральной плазме; г/ найдены три типа решений: вихревые цепочки, уединеннее ди-польные вихрп и уединенные монопольные /осеешметрпчньш/ вихревые трубки, соответствующие наблюдаемым структурам.

3. Обнаружены новые дрейфовые неустойчивости магнитосфер-ной плазмы. Б диссертации, исходя из общего подхода, использующего кинетическое уравнение Власова, найдены: дрейфовая неустойчивость гвдролагнитного типа с ненулевой частотой распространения и довольно большим инкрементом, а также ряд кинетических дрейфовых неустойчивостей в анизотропной, энергетически одншш.мгюнентной плазме с конечным значением 5 и температурной электронов, превышающей ионную температуру. Описанные неустойчивости не били ранее известны в физике плазмы.

Практическая ценность таботы. Разработанная теория вихревых структур позволяет при интерпретации данных спутниковых наблюдений объяснить электромагнитные возмущения большой амплитуды и некоторые связанные с ними авроральныа явления. Результаты, получзшше ь диссертации, дополняют картину известных к настоящему времени неустойчивостей магкитосферной плазмы. Ряд выводов работы монет быть использовали, помимо гесфщнчисдих приложений, при исследовании лабораторной плазма с жретижения управляемого термоядерного синтеза.

АдроЗздеея -работы. Результаты, полученные в диссертации, яиишшЕатнса ва международной рабочей школе по плазменной

астрофизике Варенна - Лблстумани в Сухуми /1986 г./; боли представлены на XIX Генеральной ассамблее Международного союза геологии и геофизики в Ванкувере /Канада, 1987 г./» "а конференции МАГЛ в Великобритании /1989 г./; а такжо докладывались на научных семинарах Института физики Земли имонч 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.

СОДйШШ'Ш РАБОТЫ

введении определен предают исследования и круг вопросов, рассматриваемых в диссертации. Сформулирована актуальность работы, ее научная и практическая ценность. Представлено краткое содержание работы по главам, а такке результаты и положения, выносимые на защиту,

В первой главе приводятся основные сведения о параметрах плазмы околоземного космического пространства; даны: введение в современное состояние теории коллективных явлений в магни-тосферной и ионосферной плазме и обзор данных наблюдений вихревых структур.

Во второй главе развита теория вихрей отрицательной энергии в неоднородной плазме. Выведена система нелинейных уравнений, описывающих дрейфово-альфвеновские волны в неоднородной плазме как конечного /ft ' o1e/tn; /, так и малого !Ц гп^/Щ; / давления. Предполагается, что характерная частота возмущений, близкая к дрейфовой, много меньше ионно-цик-

- в -

лотронной частоты. Дрейфовые волны распространяются почти поперек магнитного поля; неоднородность считается слабой: ее характерный размер много больше размера волнового пакета поперек магнитного поля. Продольная фазовая скорость считается большой в сравнении с тепловой скоростью ионов. При этом продемонстрирована возможность получения системы уравнений как из уравнений магнитной гидродинамики, так и непосредственно из дрейфово-кинетического уравнения.

Найдены решения полученной системы нелинейных уравнений в виде стационарных динольных вихревых трубок, локализованных экспоненциально, з плазме как конечного, так и малого давления. Построенные решения отличаются высокой степенью гладкости: скалярный и векторный потенциалы поля в вихре сохраняют непрерывность вместе со своими производными до второго порядка включительно. Корректно проведение. читка решений и. их производных на граница, разделяющей внутреннюю область вихря и экспоненциально спадающий хвост, позволила устранить недостаток ряда предшествующих работ.

Вычислена анергия вихревых трубок. Обнаружено, что в неоднородной плазме как конечного, так и очень малого давления анергия альфвенои.'.г^х динольных вихрей отрицательна. Это означает, что альфвеновским волнам энергетически выгодно сконденсироваться в структуры в виде вихревых трубок при наличии тепловых фяукгуаций конечной амплитуды.

Исследовано поведение вихревых трубок под влиянием диссипации. На примере магнитной вязкости показано, что под воздействием диссипации в силу отрицательности энергии вихрей трубки становятся мощнее.

В третьей глпвз изучены альфвеиовские вихри и связанные

с ними явления в ионосфера и магнитосфера Земли. Ряд представленных в главе результатов наблюдений вихревых электромагнитных структур, зарегистрированных со спутника "Интеркоо-мос - Болгария - 1300", а также данные по потокам частиц и излучениям КНЧ. - 0114 воли, связанным с этими структурами, обнаруживают, во-первых, альфвэновский характер рассматриваемых вихревых возмущений и, во-вторых, три типичные формы регулярных электромагнитных возмущений большой амплитуды: двумерные вихревые цепочки и монопольные /осесишетричные/ вихри наряду с дипольннми вихревыми трубками. Для описания обнаруженных экспериментально новых типов вихрей развита построенная в предыдущой главе диссертации теория дрейфово-альфвэновских вихрей.

В рамках этой теории дела интерпретация особенностей поведения потоков частиц и основных характеристик мелкомасштабных электромагнитных возмущений, зарегистрированных с борта спутника:

1. Сделай вывод о том, что дрейфово-альфвеновские вихри, наблюдаемые в ионосфере на высотах — 850 км, генерируются в районе внешней или внутренней границы плазменного слоя, где обнаружены значительные пространственные градиенты давления /плотности/ плазмы и откуда они переносят захваченные частицы в область аврораяьной ионосферы.

2. Объяснен- процесс перехода от спокойных однородных дуг полярных сияний к активным лучистым формам. При превышении неоднородностью плазмы некоторого порогового значения анергия вихревой трубки становится отрицательной, в результате чего происходит взрывная "конденсация" плазмы в вихревые волокна, вытянутые вдоль магнитного поля.

3. Вычислены: пороговое значение неоднородности плазмы, необходимое для формирования вихревых волокон; характерный размер такого волокна и скорость перемещения лучей в дуге, соответствующая поперечной скорости альфвеновского вихря в ионосфере. Проведено сравнение и найдено удовлетворительное согласие вычисленных величин с полученными экспериментально.

Четвертая глава посвящена исследованию формирования, нелинейной эволюции и проблемы устойчивости конвективных яч ек в авроральной плазме, под которыми понимаются нелинейные вихревые структуры, рассмотренные в предыдущих двух главах диссертации, однородные вдоль магнитного поля / Э/с>? = О /. Из набора интегралов движения для системы уравнений, описывающих конвективные ячейки,

где <р и А - безразмерные скалярный и продольный компонент векторного потенциала, соответственно; ¿1 обозначает двумерный лапласиан; ^ А - £лД ; £ £ 2.пге1гТ};^ ; {ц А^ :(Ъу/Ьх)(ЬА/Ъу)- СЬ^ГЬ^/ЪАМ - скобки Пуассона; е1(сИ = *■ Ц , построен функционал Ляпунова. Для решений в форме вихревых цепочек, нанден'пос в третьей главе диссертации, продемонстрировано выполнение необходимого условия устойчивости. Показана возможность существования конвективных ячеек в авроральной плазме, а также воз-шншость их экспериментального обнаружения посредством спутников.

Приведены результаты численного моделирования эволюции вихрввнх структур в ионосфере.

- И -

В пятой главе обнаружены некоторые новые дрейфовые неустойчивости в анизотропной плазме конечного давления с — 1.- Рассматриваются низкочастотные колебания в энергетически однокомпонентной плазме, которая находится в неоднородном магнитном поле с прямыми силовыми линия!,®. Плотность частиц предполагается неоднородной, а их распределение со скоростям характеризуется различными эффективными температурами вдоль и поперек магнитного поля.

Исходя из кинетического уравнения Власова и понятия тензора диэлектрической проницаемости получено дисперсионное уравнение, на основании которого обнаружена новая дрейфовая неустойчивость гидродинамического типа с "разбуханием" поля:

1. Показано, что в неоднородной глазме возбуждается колебательная неустойчивость г частотой, определяемой дрейфовой частотой электронов в отличие от апериодической неустойчивости в однородном случае.

2. Верхняя граница возбуждения такой неустойчивости несколько ниже, чем у аналогичной неустойчивости о однородной плазме.

Обнаружен ряд новых кинетических неустойчивостей как на ветви медленных магнитозвуковых волн, так и на ионно-звуковой ветви;

1. В п.чзме с превышением поперэчной температуры электронов над щодулоной, 1„ , неустойчивыми могут быть обе ветви колебаний, причем ионно-звуковые колебания имеют более низкий порог неустойчивости, чем вышеуказанная гидродинамическая дрейфовая неустойчивость с "разбуханием" поля, Т^/Т <

с -1 * ¿¡в .

2. В плазме с обратным знаком анизотропии, ~Ти > ,

существует практически беспорсговая неустойчивость медленных магнитозвуковых волн - дрейфовая ^устойчивость с распределением электронов типа "бабочки".

Анализ имеющихся в геофизической литературе данных свидетельствует о важной роли рассмотренных дрейфовых неустойчи-востей в процессах генерации геомагнитных пульсаций ?с5 маг-витоспокойного времени, пересоединения магнитного шля и в динамике бесстолкновительных ударных воли.

В заключении кратко суммированы результаты работы.

На захтату вынесены следташе результату и положения

1. Построение нелинейной теории дрейфово-альфвеновских волн в неоднородной плазме как конечного /Ц > <пк ¡т.- /, так и малого /р * Ме!(П; / давления, описывающей решения в виде экспоненциально локализованных вихревых решений трах типов: дипольных вихревых трубок, осесимметричных вихревых трубок и вихревых цепочек.

2. Дрейфово-альфвеновским волнам энергетически выгодно сконденсироваться в структуры в виде вихревых трубок в силу отрицательности энергии дипольных альфвановских зихрей в не-однородрой плазме как конечного, так и малого давления.

3. Дрейфово-атшр.ьоновскне вихри генерируются в районе внешней или внутренней границы плазменного слоя, где обнаружены значительные пространственные градиенты давления /плотности/ плазмы и откуда вихри переносят захваченные частицы в область авроралыюй ионосферы. Генерация вихрей имеет место при превшении неоднородностью плазмы некоторого порогового значения, при котором энергия вихревых трубок становится отрицательной.

4. Б авроралыгой плазме возможно существование вихревых конвективных ячеек дрейфово-аяьфвоновских волн, которые могут быть пкспериментально обнаружены посредством спутников.

5. В неоднородной магнитосферной плазме с анизотропным распределением частиц обнаружены новая дропфовая гидромагнитная неустойчивость с"разбуханием" поля -л ряд новых кинетических неустокчивостей как при превышении поперечной температуры электронов над продольной, 77 -> ~Т , так и при обратном знаке анизотропии, > ~ . Ввиду того, что пороги зыявлен-ных неустойчнвостей оказываются ниже порогов известных до сих пор неустойчквостей, изученные в диссертации неустойчивости могут служить эффективным механизмом генерации геомагнитных пульсаций.

ЛШМШЩИ

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. ICaladzo 1. D, , Karchenko У. A., Poktiotrelov О, А., Petviaslrvili V, I. Negative energy vorticos iii inhomogeneous plasina//Proc. of the Joint Varenna - Abastumani School and Workshop "Plasma Astrophysics", Sukhumi, 19-28 Iiay/Noord-wijics £SA S? - 2^1, 1936. - P. 489 - 4-93.

2. Kaladae T. D., Harohenxo V. A., Pofchotalov 0. A., Petviashvili V. I. Negative energy vortices in inhoaogeneous plasma//Plasma Phys. Confer. Pusion. - 193- Vol. 29. - Ho.

- P. 589 - 600.

3. Marchenko V. A., He^-lina Y. ¡.I., Polchotelov 0. A. Drift field-swelling instability in anisotropic plasmas//

Plasma Paya. Contr. Fusion. - 19^8. - Vol. 30. - Ho. 8. - P.

957 - 966.

4. Чмьгрев В. M., Биличенко С. В.» Похотелов 0. А., Марченко В. А., Лазарев В. И., Стрельцов А. В., Стенфло Д. Альф-веновские вихри и связанные с ними явления в ионосфере и маг-нитосфере/М.: Препринт ИЗМИРАЙ 1 43 /797/, 1988. - 52 с.

5- Clniiyrev V. bu, iiiliclionko S. V. , Polüiotolov 0. A., blarchenko V. Л. , Laaarev V« I., Streltsov A. V. , Libanílo L. Alfvén vortices and related phenomena in tho ionosphere and the ¡aagnebosphera/ZPhjisioa Scripta. - 1988. - Vol. 38. - Ho. 6. - p. em - as';-.

6. Sbreltsov A. V., Clioyrev V. 'k. , Pokhotelov 0. A., Maxehenico V. A,, Stenl'lo h. Tiie formation and nonlinear evolution of convectivo cells in auroral plasma/ZPhyaica Scripta. - 199O. - Vol. 4-1. - lío. 5. - P. 686 - 692.