Неустойчивости магнитосферной конвекции и процессы в области продольных токов и дуг полярных сияний тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

г - с;

3 од

о ^ МАР 1,993 пРавах рукописи

Козловский Александр Евгеньевич

НЕУСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТОСШЕРНОЙ КОНВЕКЦИИ И ПРОЦЕССЫ В ОБЛАСТИ ПРВДОЛЬНЫК токов 11 ДУГ ПОЛЯРНЫМ сияний

Специальность 01.03.03 - гелиофизика и физика солнечной системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт- Петербург 1997

Работа выполнена в Полярном геофизическом институте Кольского научного центра Российской Академии Наук

Научный руководитель: кандидат физико-матаматических наук

Ляцкий В.Б.

Официальные оппоненты: доктор физико-матаматических наук

Уваров В.М.

кандидат физико-матаматических наук Ляцкая A.M.

Ведущая организация: Институт ядерной физики Московского

- государственного университета

Защита состоится 'Иг. р-я^к 199Яг. в / о час, на заседани Диссертационного совета Д 063.57.51 по защите диссертаций г соискание ученой степени доктора физико-матаматических наук Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная, 7/9 2/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан " " оЪ< v {199$г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат физико-матаматических наук

Зайцева С.А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации рассмотрены некоторые вопросы теории магнитосферно-ионосферных неустойчивостей и возмущений в области продольных токов и окрестности дуг полярных сияний.

Актуальность. В последние десятилетия изучение околоземного космического пространства стало одной из наиболее быстро развивающихся отраслей науки. Это связано с практическими потребностями в повышении надежности радиосвязи, обеспечении работоспособности космических аппаратов, радиационной безопасности, а также с возможным влиянием естественных электромагнитных возмущений на самочувствие людей.

Зоны продольных токов занимают ключевое место в магнитосферно-ионосферной системе, поскольку именно они являются тем каналом, по которому энергия, поступающая в магнитосферу из солнечного ветра, передается в ионосферу. В области продольных токов происходят высыпания в ионосферу энергичных частиц и развитие авроральных структур. С другой стороны, в связанных с продольными токами областях магнитосферы расположены орбиты геостационарных спутников, играющих важную роль в современных системах передачи информации. Проблема защиты находящейся на этих спутниках дорогостоящей электронной аппаратуры от разрушительного воздействия потоков энергичных магнитосферных частиц приобрела первостепенную важность.

В связи с этим все более важным становится вопрос прогнозирования магнитосферно-ионосферных возмущений, решение которого невозможно без понимания физики процессов в магнитосферно-ионосферной системе. Несмотря на достигнутый в последние годы значительный прогресс ионосферно-магнитосферной физики, связанный с совершенствованием техники экспериментов, многие важные вопросы остаются пока без однозначных ответов. Поэтому интерес к проблемам магнитосферно-ионосферного взаимодействия не ослабевает, о чем свидетельствует поток публикаций на эту тему, а также существование традиционных и открытие новых семинаров по проблемам ионосферно-магнитосферной физики.

Цель работы - теоретическое исследование некоторых вопросов развития магнитосферно-ионосферных неустойчивостей и возмущений в области продольных токов.

Научная новизна. По степени новизны полученные в работе результаты можно разделить следующим образом:

1) исследования такого рода ранее проводились, но не были достаточны (магнитосферно-ионосферная неустойчивость расслоение конвекции в области продольных токов зоны 2; механизмь образования области пониженной концентрации плазмы около дуге полярного сияния; поведение температуры электронов в областя? ионосферы с пониженным содержанием плазмы; возбуждение и распространение в ионосфере волн ионизации, обусловленные зависимостью коэффициента рекомбинации от температурь электронов);

2) дается новое объяснение известным явлениям (трансформация магнитозвуковой волны в альвеновскую пр* изменении давления солнечного ветра)

3) исследования такого рода ранее не проводились (генерации альвеновской волны ионосферной неоднородностью в облаете фонового продольного тока; трехдипольная модель внезапногс импульса; неустойчивость конвекции в магнитосферно-ионосфернои системе, обусловленная нарушением вмороженности горячих ионо! плазменного слоя).

Практическая ценность работы. Проведенные исследование важны для решения проблем магнитосферно-ионосферногс взаимодействия, связанных с передачей энергии из магнитосферы I ионосферу. Рассмотренные в работе неустойчивости конвекции могут быть ответственны за формирование дуг полярных сияний Получены формулы, позволяющие оценить электрическое поле продольные токи и наземный магнитный эффект при изменение динамического давления солнечного ветра. Эти результаты могу] быть использованы для прогноза магнитосферно-ионосферны? возмущений.

Реализация работы. Исследования по теме диссертации проведены в рамках плановых тем лаборатории магнитосферно-ионосферной физики ПГИ КНЦ РАН. Результаты работь используются для развития прогностической модели генерации магнитосферной суббури, развиваемой в ПГИ.

Апробация. Результаты исследований докладывались не ежегодных всероссийских семинарах "Физика авроральных явлений' (г. Апатиты, 1993-1997г.г.), на конференции "Математические модели ближнего космоса" (Москва, 1993г.), на международных конференциях, совещаниях и рабочих встречах: "Исследование

атмосферы оптическими методами" (г. Апатиты, Россия, 1993), Ежегодная конференция EGS (г. Гренобль, Франция, 1994), "E-region plasma instabilities" (г. Линдау, Германия, 1995), "Проблемы геокосмоса" (г. Санкт-Петербург, Россия, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей. На защиту выносятся:

1. Структура уходящей альвеновской волны, генерируемой возмущением ионосферной проводимости в области фонового продольного тока.

2. Механизм генерации альвеновской волны в магнитосфере при изменении динамического давления солнечного ветра.

3. Механизм развития в магнитосферно-ионосферной системе неустойчивости, связанной с нарушением вмороженности горячих ионов плазменного слоя и приводящей к расслоению магнитосферной конвекции.

4. Результаты изучения по данным EISCAT-радара поведения температуры ионосферных электронов в высокоширотных плазменных полостях и желобах, связанных с сильным электрическим полем.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Каждая глава состоит из введения, нескольких параграфов и заключения. Диссертация содержит 156 страниц машинописного текста, библиографию из 108 наименований, 29 рисунков, одну таблицу.

Во Введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание работы.

В первой главе исследуются особенности генерации альвеновских волн в области продольных токов зоны 2.

Во Введении дан обзор литературы и сформулированы вопросы, изучению которых посвящена глава.

В параграфе 1.2 изучена генерации альвеновской волны неоднородностью ионосферной проводимости в области фонового продольного тока. Показано, что продольные токи уходящей альвеновской волны появляются не только на границах неоднородности, как в случае отсутствия фонового продольного тока, но также и внутри неоднородности. В случае увеличения проводимости продольный ток альвеновской волны внутри области

возмущенной проводимости направлен так же, как и фоновьп продольный ток, что приводит к усилению полного тока нaJ неоднородностью повышенной проводимости. Получены выражени) для электрического поля и продольного тока уходящей альвеновско] волны над кругом и над полосой измененной ионосферно! проводимости в области однородного фонового продольного тока.

В параграфе 1.3 предложен механизм трансформацш магнитозвуковой волны в альвеновскую во время ежа™ магнитосферы при изменении давления солнечного ветра (во врем; 81). В основе предложенного механизма лежит тот факт, что пр] сжатии магнитосферы внутренняя граница плазменного ело: движется к Земле, а линии постоянного магнитного поля - от Земли В случае несимметричного (относительно линии утро-вечер) сжатия в экваториальной плоскости магнитосферы изменяется угол межд внутренней границей плазменного слоя и линией постоянног магнитного поля, вдоль которой течет дрейфовый ток горячи протонов. Это приводит к возмущению продольных токов, чт соответствует генерации альвеновской волны. Для вычисления эти продольных токов и электрических полей, возникающих при сжати] магнитосферы, появляется необходимость задать модель возмущени магнитного поля в магнитосфере во время 81. В параграфе 1. предложена модель сжатия магнитосферы импульсом изменени давления солнечного ветра, в которой возмущение магнитного пол внутри магнитосферы имитируется полем фиктивного диполя движущегося от подсолнечной точки к Солнцу. В рамках данно: модели получены формулы для вычисления возмущени электрического поля и продольных токов в магнитосфере во врем 81, а также оценена эффективность предлагаемого механизм трансформации магнитозвуковой волны в альвеновскую (отношени амплитуды наземного магнитного возмущения, вызванног альвеновской волной, к амплитуде магнитозвуковой волн1 составляет порядка 6^-8).

В Заключении сформулированы основные результаты главы.

Вторая глава посвящена рассмотрению особого тип неустойчивостей в магнитосферно-ионосферной системе, в развита которых одинаково важную роль играют как ионосфера, так горячая плазма плазменного слоя.

Во Введении дан краткий обзор работ, посвященны неустойчивостям, приводящим к расслоению конвекции.

В парграфе 2.2 изучена неустойчивость конвектирующей из воста магнитосферы к Земле плазмы вблизи внутренней границы шазменного слоя. Эта неустойчивость включает как элементы селобковой неустойчивости, так и элементы магнитосферно-гоносферной неустойчивости, обусловленной влиянием продольного ока (связанного с электронными высыпаниями) на ионосферную [роводимость.

Развитие неустойчивости происходит следующим образом. 1редположим, что в области продольных токов зоны 2 возникла голоса повышенной ионосферной проводимости. Эта полоса юляризуется в фоновом поперечном ионосферном токе, между ее :раями возникает разность потенциалов, которая распространяется доль магнитных силовых линий в магнитосферу и вызывает юзмущение скорости конвекции плазмы внутри области полосы, проектированной в магнитосферу. В свою очередь, возмущение ¡корости конвекции при наличии градиента давления плазмы фиводит к появлению в магнитосфере дополнительного электрического поля, которое распространяется в ионосферу вызывая юзмущение продольных токов, приводящее к возмущению юносферной проводимости в полосе и на ее краях. В результате голоса, связанная с ней система продольных токов и поле юляризации будут двигаться поперек линий магнитного поля и, при »пределенных условиях, усиливаться.

Получены выражения для инкремента неустойчивости и корости движения развивающихся структур. Развитие [еустойчивости приводит к расслоению стационарной гагнитосферной конвекции. Данная неустойчивость может быть фичиной возникновения спокойных авроральных дуг в области .ытекаюших из ионосферы продольных токов зоны 2.

В параграфе 2.3 показано, что нарушение вмороженности юнов плазменного слоя на масштабах ионного ларморовского »адиуса приводит к неустойчивости магнитосферной конвекции и ее разделению на узкие струи с пространственным размером несколько :илометров на уровне ионосферы. Неустойчивость магнитосферной :онвекции возникает в областях плазменного слоя, где содержание орячих ионов в трубке с единичным магнитным потоком меняется с 'асстоянием от Земли, что имеет место на внутренней или внешней раницах плазменного слоя.

Физика рассмотренной неустойчивости заключается в ледующем. Пусть в ионосфере возникла узкая полоса повышенной

проводимости, вытянутая поперек ионосферного тока. Ширина полосы (в проекции в магнитосферу) меньше гирорадиуса горячих ионов. Эта полоса поляризуется в фоновом ионосферном токе, и возникшее поле поляризации приведет к электрическому дрейфу магнитосферных трубок вдоль полосы. Вместе с трубкой будут дрейфовать холодные ионы и электроны. Горячие же ионы не могут двигаться вместе с трубкой, поскольку они не вморожены (их гирорадиус превосходит ширину полосы). Таким образом, по мере дрейфа против градиента содержания горячих ионов в трубках с единичным магнитным потоком, суммарное количество ионов в дрейфующей трубке будет уменьшаться. Для поддержания электрической нейтральности "лишние" электроны должны высыпаться из трубки в ионосферу. Высыпающиеся электроны создают дополнительную ионизацию в полосе возмущенной ионосферной проводимости, приводя, таким образом, к росту исходного возмущения.

Получено выражение для инкремента неустойчивости, Развивающиеся структуры имеют высокий инкремент нарастания (характерное время нарастания составляет порядка десятков секунд) На ночной стороне развивающиеся структуры ориентированы под! небольшим углом к направлению ионосферного тока, т.е. примерно вдоль овала полярных сияний.

В Заключении сформулированы основные результаты главы.

В третьей главе изучаются процессы в областях пониженной концентрации ионосферной плазмы, примыкающих к авроральны\ дугам.

Во Введении приведен обзор литературы по данному вопросу.

В параграфе 3.2 сделана попытка объяснения явленш уменьшения концентрации плазмы в Р-слое ионосферы вблизи авроральных дуг (так называемых плазменых полостей). Проблем; состоит в том, чтобы найти такой связанный с дугой механизм который мог бы обеспечить 50% уменьшение концентрации плазмь в 100-километровой окрестности дуги за время порядка 300с. I работе проведен анализ и сделаны оценки эффективности для ряд! возможных механизмов формирования полости. Рассмотренные процессы включают вертикальную диффузию, эвакуацию плазмь втекающим в ионосферу продольным током, ускорена рекомбинации вследствие вследствие нагрева плазмы и возбуждение колебательных уровней Ы2, продольные электрические поля, поворо' конвекции около дуги при наличии фонового градиент;

(онцентрации плазмы вдоль дуги, вертикальное перемещение тлазмы при электрическом дрейфе в наклонном магнитном поле. Сделан вывод, что последние три механизма при определенных условиях могут обеспечить наблюдаемое уменьшение концентрации тлазмы в Р-слое около дуги полярного сияния.

В параграфе 3.3 по данным радара Е18САТ анализировалось поведение температуры ионосферных электронов во время событий сильного электрического поля, связанных с высокоширотными ионосферными желобами. Проведено сопоставление величины электрического поля и интенсивности электронных высыпаний с температурой электронов в Е- и Р- слоях ионосферы. Обнаружено, что во время событий сильного электрического поля одновременно с сильным увеличением температуры электронов в Е-слое наблюдается уменьшение электронной температуры в И- слое. По-видимому, это явление есть характерная особенность высокоширотных желобов. Дается качественное объяснение наблюдаемого эффекта, основанное на том, что сильное электрическое поле приводит к нагреву электронов в Е-слое и практически не влияет на электроны в Р-слое, а электронные высыпания приводят к нагреву электронов в Р-слое практически не влияя при этом на электроны в Е- слое.

В параграфе 3.4 рассмотрена задача о генерации в высокоширотной ионосфере волн концентрации, обусловленных неустойчивостью, которая развивается вследствие зависимости коэффициента рекомбинации в Е-слое от температуры электронов. Процессы генерации и распространения рассмотренных волн ионизации в ионосферной плазме определяются тремя цепочками обратных связей. Характерным элементом одной из этих цепочек является ионизация продольным током, второй — нагрев ионосферных электронов за счет электрического поля, а третьей — нагрев их ускоренными частицами продольного тока. Увеличение температуры электронов ведет к уменьшению коэффициента рекомбинации и, следовательно, к увеличению концентрации плазмы. Получены выражения для инкрамента неустойчивости и скорости распространения возбуждающихся волн. Показано, что волны длиной менее 100м должны нарастать с инкрементом ~0.03 с"' при распространении под углом -45° к электрическому полю. Для более длинных волн неустойчивость возможна только в возмущенных

условиях, при этом волны должны нарастать с инкрементом -0.01 с~1 при распространении под углом —125° к электрическому полю.

В Заключении сформулированы основные результаты главы.

В разделе Заключение сформулированы основные результаты диссертационной работы.

1. Рассмотрена задача о генерации альвеновской волны неоднородностью ионосферной проводимости в области фонового продольного тока. Показано, что продольные токи уходящей альвеновской волны появляются не только на границах неоднородности, но также и внутри нее. Получены выражения для электрического поля и продольного тока уходящей альвеновской волны над кругом и над полосой измененной ионосферной проводимости в области однородного фонового продольного тока.

2. Предложен механизм трансформации магнитозвуковой волны в альвеновскую на внутренней границе плазменного слоя при сжатии магнитосферы импульсом изменения давления солнечного ветра (SI), основанный на том, что магнитосферная плазма и линии равного магнитного поля во время SI движутся в противоположных направлениях. Предложена модель SI, в которой возмущение магнитного поля внутри магнитосферы имитируется полем фиктивного диполя, движущегося от подсолнечной точки к Солнцу. В рамках данной модели получены формулы для вычисления возмущения электрического поля и продольных токов в магнитосфере во время SI.

3. Показано, что нарушение вмороженности ионов плазменного слоя на масштабах ионного ларморовского радиуса приводит к неустойчивости магнитосферной конвекции и ее разделению на узкие струи с пространственным размером несколько километров на уровне ионосферы. Развивающиеся структуры имеют высокий инкремент нарастания (характерное время нарастания составляет порядка десятков секунд). На ночной стороне развивающиеся структуры ориентированы примерно вдоль овала полярных сияний.

4. По данным радара EISCAT обнаружено, что во время событий сильного электрического поля одновременно с сильным увеличением температуры электронов в Е-слое наблюдается уменьшение электронной температуры в F- слое. По-видимому, это явление есть характерная особенность высокоширотных желобов. Предложено объяснение наблюдаемого явления.

Основное содержание диссертации достаточно полно изложено в следующих работах:

1. Козловский А.Е., В.Б. Ляцкий, О возбуждении ионизационных волн в ионосфере, Геомагнетизм и аэрономия, 32, N5, 117-122, 1992

2. Kozlovsky А.Е. and W.B. Lyatsky, Instability of the magnetosphere ionosphere convection and formation of auroral arcs, Ann.Geophys., 12, 636-641, 1994

3. Kozlovsky A.E., V.V. Safargaleev and W.B. Lyatsky, The transformation of magnetoacoustic waves into Alfven waves inside the magnetosphere, Ann.Geophys., 12, 1022-1026, 1994

4. Kozlovsky A.E. and W.B. Lyatsky, Reply on Yu.P. Maltsev's Comments on "The transformation of magnetoacoustic waves into Alfven waves inside the magnetosphere" by A.E. Kozlovsky, V.V. Safargaleev and W.B. Lyatsky, Ann.Geophys., 13, 1125-1126, 1995

5. Kozlovsky A.E., A.T. Turunen, W. Lyatsky, J. Manninen and V. Safargaleev, Opposite change of electron temperature in the E and F layers for strong electric field events, Proc. of workshop "Plasma instabilities in the ionospheric E-region", Lindau, Germany, 24-26 Oct. 1995, pp. 57-60, Cuvillier Verlag, Gottingen, 1996

6. Kozlovsky A.E. and W.B. Lyatsky, AlfVen wave generation by disturbance of ionospheric conductivity in the field-aligned current region, J. Geophys. Res., 102A, 17297-17303, 1997

Автореферат

ta

КОЗЛОВСКИИ Александр Евгеньевич

НЕУСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТОСФЕРНОЙ КОНВЕКЦИИ И ПРОЦЕССЫ В ОБЛАСТИ ПРОДОЛЬНЫХ ТОКОВ И ДУГ ПОЛЯРНЫХ сияний

Технический редактор В.А.Ганичев

Лицензия ПЛД № 54-12 от 18 августа 1995 г.

Подписано к печати 10.10.97.

Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.печ.л. 0.93. Уч.-изд.л. 0.65. Усл.краско-от. 0.93. Заказ № 73. Тираж 100 экз.

Ордена Ленина Кольский научный центр им.С.М.Кирова РАН 184200, Апатиты, Мурманская область, Ферсмана, 14