Низкочастотные магнитные поля в переходной области за головной ударной волной кометы Галлея тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РГ6 од

'I ;; • ; ?

На правах рукописи

МАСЛЕНИЦЫН Сергей Фёдорович

НИЗКОЧАСТОТНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ В ПЕРЕХОДНОЙ ОБЛАСТИ ЗА ГОЛОВНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНОЙ КОМЕТЫ ГАЛЛЕЯ

01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Михайлов Ю.М.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Иванов К.Г.

кандидат физико-математических наук Мартьянов С.А.

Ведущая организация : Институт космических исследований РАН.

Защита состоится и 1-0 ы<л 1997 г. в -М3 час. на заседа-

нии диссертационного совета Д.002.83.02 в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН.

Адрес: 142092, г.Троицк, Московская обл., ИЗМИРАН. Проезд: автобус №531 от метро "Тёплый стан" до остановки "ИЗМИРАН".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАН. Автореферат разослан

ч ь» ¿/и 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Ерошенко Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Научный интерес к кометам и актуальность их исследования обусловлены представляемой возможностью изучения происхождения и процессов формирования Солнечной системы, поскольку кометы в большей степени сохранили вещество, из которого образовались планеты. Отсутствие собственного магнитного поля у комет делает привлекательным исследование их и как модель для изучения взаимодействия магнитоактивной плазмы солнечного ветра (СБ) с атмосферами планет со слабым магнитным полем и без него.

Плазменная структура комы и "хвоста" комет является естественным и уникальным индикатором физических условий в межпланетной плазме и на Солнце. Успешное использование комет в качестве космических зондов требует понимания плазменных и волновых процессов, возникающих при взаимодействии плазмы солнечного ветра с кометной плазмой. Для этого необходимы прямые измерения электромагнитных полей и компонент плазмы в непосредственной близости от кометы с помощью космических аппаратов. Такие исследования не могут быть заменены наземными наблюдениями.

Экспериментальное обнаружение и прямое исследование низкочастотных магнитных полей в атмосферах активных комет на расстояниях от Солнца около 1 а.е. стало возможным в результате проведения плазменных и волновых экспериментов на борту космических аппаратов (КА) при пролетах комет Джакобини-Циннера (сентябрь 1985 г.; "ICE"), Гал-лея (март 1986 г.; "Вега-1", "Suisei", "Вега-2", "Sakigake", "Giotto", "ICE") и Григга-Скьеллерупа (июль 1992 г.; "Giotto"). Интенсивные флуктуации магнитного поля, появление которых было связано с приближением кометы, имели частоты / ~ Ю-2 Гц, т.е. порядка гирочастот тяжелых комет-ных ионов, в основном водной группы. Они представляют собой альвенов-ские волны, возбуждаемые ионно-циклотронной неустойчивостью пучка кометных ионов в потоке плазмы СВ, которые появляются в результате фотоионизации солнечной радиацией сублимирующих молекул с поверхности ядра кометы. Характерное время фотоионизации ~ 10б с, поэтому

альвеновские колебания начинали регистрироваться уже на расстоянии в несколько миллионов километров от ядра.

Пролеты КА в непосредственной близости от комет Джакобини-Циннера, Галлея и Григга-Скьеллерупа дали уникальный фактический материал, который невозможно получить наземными наблюдениями, для исследования волновых и плазменных процессов в окрестностях комет и стимулировали начало формирования общей физической картины взаимодействия их с СВ на расстояниях от Солнца около 1 а.е. Эти обстоятельства указывают на актуальность изучения низкочастотных магнитных полей в окрестностях комет — темы настоящей диссертации — и новизну содержащихся в ней результатов.

Целью работы является изучение низкочастотных магнитных полей в переходной области (кометошите) между головной ударной волной и кометопаузой на основе данных измерений магнитного поля на КА " Вега-1", "Вега-2" и "Giotto" при пролете кометы Галлея. При этом решались следующие основные задачи:

1. Проведение спектрального анализа НЧ-магнитного поля на разных участках траекторий КА "Вега-1", "Вега-2" и "Giotto" в кометошите кометы Галлея современными цифровыми методами: "быстрого" преобразования'Фурье, модифицированных периодограмм и максимальной энтропии.

2. Исследование возможности применения спектрального анализа данных по измерению НЧ-магнитного поля на КА "Вега-1", "Вега-2" и "Giotto" в кометошите кометы Галлея для определения ионного состава кометной плазмы.

3. Поиск магнитогидродинамических разрывов в течении плазмы за головной ударной волной кометы Галлея на основе измеренных НЧ-магнитных полей;

4. Исследование уровня флуктуаций магнитного поля и спектральной плотности энергии этих флуктуаций;

5. Сравнение с результатами экспериментов, проведенных на КА "ICE" и "Giotto" при исследовании комет Джакобини-Циннера и Григга-Скьеллерупа.

Научная новизна. В диссертационной работе выполнен детальный анализ низкочастотных магнитных полей в кометошите кометы Галлея на основе прямых измерений, полученных на К А "Вега-1", "Вега-2" и "Giotto". Впервые показано существование крупномасштабного вращательного разрыва в течении плазмы СВ на плазменной границе во внешнем кометошите за головной ударной волной, исследованы его свойства и сделана оценка времени его жизни.

Тонкая структура спектров НЧ-магнитных полей в кометошите позволила определить ионный состав кометной плазмы. Показано, что метод спектрального анализа НЧ-магнитного поля может быть использован в качестве средства волновой диагностики при отказе работы аппаратуры для прямых плазменных измерений, как это произошло на КА "Giotto" во время сближения с кометой Григга-Скьеллерупа.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Обосновано применение спектрального анализа НЧ-магнитных полей как волнового метода диагностики ионного состава кометной плазмы на основе прямых измерений полей на КА в окрестностях комет Галлея и Григга-Скьеллерупа.

2. По данным прямых измерений магнитного поля на борту К А "Giotto" определен ионный состав плазмы в окрестности кометы Григга-Скьеллерупа.

3. Рассчитана зависимость энергии МГД--турбулентности от расстояния до ядра в кометошите кометы Галлея в диапазоне частот 5-10~3 Гц < / < 3 • 10~2 Гц.

4. Показано соответствие инерционного интервала в спектре турбулентности с законом Колмогорова-Обухова в кометошите кометы Галлея.

5. Оценен уровень флуктуаций НЧ-магнитного поля и показана его стабилизация в кометошите кометы Галлея по данным КА "Вега-1" и "Вега-2".

6. Доказано присутствие крупномасштабного вращательного разрыва в течении плазмы СВ в районе внешней "странной" границы в кометошите кометы Галлея, определены его свойства, этапы эволюции и сделана оценка времени его жизни.

Научная и практическая значимость работы. Работа выполнена в рамках научных планов лаборатории НЧ-излучений и электромагнитной совместимости ИЗМИРАН в период 1993-1996 гг. Результаты ее внесли вклад в решение ряда фундаментальных и практических задач, а именно:

1. Формирование общей физической картины взаимодействия маг-нитоактивной плазмы СВ с кометной плазмой на расстояниях от Солнца около 1 а.е.

2. Применение спектрального анализа НЧ-магнитного поля как волнового метода диагностики ионного состава кометной плазмы.

Личный вклад автора. Автором обоснован выбор алгоритмов и составлены программы обработки первичных экспериментальных данных. Им выполнен детальный спектральный анализ УНЧ и НЧ-магнитных полей, измеренных на КА вблизи комет Галлея и Григга-Скьеллерупа, и дана физическая интерпретация результатов анализа.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на конференциях преподавателей ЯГПУ (1993-1996 гг.); на семинарах лаборатории НЧ-излучений и электромагнитной совместимости, а также лаборатории магнитных космических измерений в ИЗМИРАН; на международном семинаре " Малые тела Солнечной системы, физика Солнца и релятивистская астрофизика" в г.Киеве (ноябрь 1994 г.); на семинаре в ИКИ РАН; на семинаре в Институте метеорологии и геофизики в г.Кельне (март 1995 г.); на международном симпозиуме "Спутниковые исследования магнитосфер-ных и ионосферных процессов" (ИЗМИРАН, декабрь 1995 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ в отечественных и зарубежных изданиях.

Структура диссертации. Диссертация, набранная в издательской системе ВД^Х, состоит из введения, пяти глав основного текста и заключения. Общий объем — УЗ9 стр., из них: 40 рисунков, 3 таблицы и список литературы из /39 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и основные положения, выносимые на

защиту, показаны новизна, научная и практическая значимости работы, личный вклад автора.

Первая глава посвящена обзору и систематизации результатов волновых и плазменных экспериментов на К А "Вега-1", "Вега-2" и "Giotto", полученных в кометошите кометы Галлея — переходной области между головной ударной волной (УВ) и кометопаузой 1.2 х 106 и ~ 1.6 х Ю5 км от ядра соответственно).

На основе результатов измерений магнитного поля на К А "Вега-1" и " Вега-2" на подлетной части их траекторий к ядру в кометошите обнаружены две плазменные границы на расстояниях (8 —7) х 105 и (4 —3) х 105 км. На границах; наблюдались всплески волновой активности в диапазоне частот 102 — 103 Гц, изменение скорости торможения течения плазмы СВ, депрессии модуля магнитной индукции, изменение ориентации ее вектора и скорости роста магнитного поля. Толщина границ составила величину ~ (2 — 4) х 104 км. В литературе они получили следующие названия: граница VV (или " вторичная" волна) и граница М1 (граница мантии тяжелых ионов). Другое часто употребляемое их название — внешняя и внутренняя "странные" границы. Из теоретических: представлений и моделей, сложившихся до полетов КА к указанным трем кометам, существование этих границ не следовало.

Плазменные эксперименты, проведенные на борту КА "Giotto", также показали наличие двух границ за УВ на расстояниях 8.5 х 105 и 5.5 х 105 км от ядра, которые выделяют так называемую "загадочную" область.

Являются ли эти границы характерными для всех активных комет на расстоянии около 1 а.е. от Солнца, или они есть результат временнь1х и нестационарных явлений. В настоящее время общепринятый физический механизм их формирования отсутствует, поэтому в главе рассматриваются возможные варианты интерпретации, связанные с развитием плазменных неустойчивостей и перезарядкой тяжелых кометных ионов.

Вторая глава посвящена спектральному анализу УНЧ-магнитных полей в кометошите кометы Галлея на основе измерений, проведенных на КА "Вега-1", "Вега-2" и "Giotto". В ней обоснован выбор современных ме-

тодов спектрального анализа, применяемых в работе: метод "быстрого" преобразования Фурье (БПФ), модифицированных периодограмм (ММП) и максимальной энтропии (ММЭ). Показана эффективность их использования для анализа единичных измерений.

В третьем параграфе проанализирован доплеровский сдвиг частот, возникающий при переходе от системы координат СВ к системе координат КА, и ширина его полосы в зависимости от угла между вектором магнитной индукции В и вектором скорости солнечного ветра Vsw ■ Показано, что если вектор В примерно параллелен вектору Vsw на некотором участке траектории КА, то для такого "квазипараллельного" участка возможно получение тонкой структуры в спектре УНЧ-магнитного поля и отождествление максимумов с гирочастотами типов или групп ионов. В спектрах для "квазиперпендикулярных" участков траекторий, где вектор В примерно перпендикулярен к Vsw, происходит расплывание спектральных максимумов и идентифицировать в спектрах индивидуальные гармоники ионов становится невозможно. В приведенных в параграфе спектрах спектральные максимумы отождествлены с циклотронными частотами тяжелых кометных ионов (С+, N+, 0+, Н20+, iV2+, CN+, 5+, СО$, Fe+ ).

Четвертый параграф обосновывает возможность применения спектрального анализа УНЧ-магнитных полей как метода волновой диагностики ионного состава кометной плазмы. Продемонстрированы наблюдение циклотронных волн ионов Fe+ и динамики изменения тонкой структуры спектра магнитного поля во время серии напусков в космическое пространство азота из системы охлаждения инфракрасного спектрометра ИКС на КА "Вега-1" и "Вега-2".

Третья глава посвящена спектральному анализу УНЧ-магнитных полей кометы Григга-Скьеллерупа, которые были измерены магнитометром MAG на КА "Giotto" при сближении с ядром кометы 10 июля 1992 г. Амплитудные спектры получены описанными во второй главе методами. Для спектрального анализа выбран интервал подлетной части траектории КА "Giotto", начало и конец которого удалены от ядра кометы на расстояния 42.0 и 24.0 тыс. км соответственно. Среднее значение модуля магнитной индукции со среднеквадратическим отклонением для этого ин-

тервала равно 19.67 ± 1.32 нТл. Результаты измерения магнитного поля на данном интервале являются реализацией стационарного, нормального и эргодического случайного процесса, для которого применение методов спектрального анализа корректно. Близость интервала к УВ и ядру дала возможность наблюдения в спектрах гирочастот тяжелых ионов, определяющих состав кометной плазмы.

В главе методом спектрального анализа НЧ-магнитного поля определен ионный состав плазмы вблизи ядра кометы Григга-Скьеллерупа. Спектры показали, что наибольшая спектральная плотность соответствует максимумам, принадлежащим ионам #2<Э+ и СОМенее интенсивные максимумы соответствуют ионам С"1", Ы*, 0+, N3 , Ре+.

В четвертой главе исследуется энергия НЧ-магнитных флуктуаций и уровень их вариаций в кометощите кометы Галлея.

Интенсивные флуктуации НЧ-магнитного поля на частотах / ~ Ю-2 Гц начали регистрироваться магнитометром МИША на борту КА "Вега-1" и "Вега-2" уже на расстоянии ~ 107 км от ядра кометы Галлея. Энергия магнитных флуктуаций увеличивалась по мере приближения КА к головной УВ и достигла на ней локального максимума. В диссертации получена зависимость энергии флуктуаций магнитного поля У/ от расстояния К до ядра кометы в диапазоне частот 5 ■ Ю-3 < / < 3 ■ Ю-2 Гц после прохождения аппаратом УВ. По измерениям на КА "Вега-1" функция IV(Н) в целом довольно стабильная постепенно уменьшается до района кометопаузы, а затем растет и достигает своего максимума 105 нТл2) в точке наибольшего сближения с ядром. Четко выраженные максимумы функции Ш{Я) наблюдались в районе внешней "странной" границы и в момент выброса азота из системы инфракрасного спектрометра на расстояниях от ядра кометы ~ 800 тыс. км и ~ 640 тыс. км соответственно. По измерениям на К А "Вега-2" функция Ш(Н) ведет себя в целом аналогичным образом.

По данным обоих аппаратов "Вега" рассчитана зависимость уровня вариаций магнитного поля 5В2 от расстояния Л до ядра. Величина 8В2 определялась как 8В2 +§В2)/3 после вычитания линейного тренда.

По измерениям обоих КА "Вега" величина ЬВ"1 увеличивается при подлете

к У В, а затем имеет постоянное значение по порядку величины с незначительным уменьшением до района кометопаузы, после которого начинается быстрый рост, что согласуется с наблюдениями на КА "Giotto".

Указанные особенности зависимостей W(R) и 6B2(R) являются основанием для вывода о стабилизации уровня МГД-турбулентности в ко-метошите кометы Галлея.

Для различных районов кометошита были рассчитаны спектры турбулентности, в инерционном интервале которых зависимость спектральной плотности от частоты P(f) ~ удовлетворительно описывается законом Колмогорова-Обухова с а = —5/3. В районах "странных" границ и выброса азота из системы инфракрасного спектрометра, где наблюдались всплески волновой активности и увеличение магнитного поля, зависимость спектральной плотности от частоты в инерционном интервале спектра ближе к закону Ирошникова-Крейчнана P(f) ~ /~3/2.

В пятой главе детально рассмотрены морфологические особенности магнитного поля на плазменных границах W и Ml в кометошите кометы Галлея. На обеих границах по данным КА "Вега-1" и "Вега-2" происходит резкий скачок величины компонент Вх и Ву вектора магнитной индукции, сопровождающийся изменением знака и последующей антикорреляцией Дс и Ву; депрессия величины модуля В до 20 — 30 % на пространственном масштабе (40 — 50) • c/upi, где wpi- — протонная плазменная частота; изменение амплитуды высокочастотных вариаций В в 2-3 раза после пересечения границы; рост волновой активности в диапазоне частот 80—1000 Гц по данным анализатора низкочастотных плазменных волн.

В третьем параграфе показано, что на границе W на расстоянии 755 тыс.км от ядра кометы выполняются граничные условия для вращательного разрыва в анизотропной плазме, полученные К.Г.Ивановым,/ которые содержат данные магнитного поля и плотность плазмы. Методом Зоннерупа-Кахилла рассчитан вектор нормали к фронту вращательного разрыва. Фронт разрыва параллелен фронту УВ.

Годограф магнитного поля в плоскости вращательного разрыва имеет S-образную форму, характерную для вращательных разрывов, наблюдаемых в плазме СВ, у которых угол 06П между вектором магнитной ин-

дукции В и нормалью к фронту разрыва находится в пределах от 30 до 60°. Правостороннее вращение на годограмме сменяется левосторонним.

В четвертом параграфе показано, что вращательные разрывы в области границы W, наблюдаемые на КА "Вега-1" и "Вега-2", являются по существу одним и тем же разрывом. Таким образом, представляется уникальная возможность наблюдать как прошла его эволюция за 3 суток: угол ©j„ уменьшился от значения 59 до 34°, а конфигурация магнитной годограммы обнаружила тенденцию к сглаживанию S-формы. На данных КА "Giotto", пролет которого вблизи ядра кометы Галлея произошел через 4 сут. после КА "Вега-2", подобной структуры в магнитном поле не обнаружено. Полученные результаты согласуются с данными численного моделирования и позволяют сделать вывод, что время жизни рассмотренного вращательного разрыва составляет не менее нескольких суток.

В Заключении приведены основные результаты работы, выносимые на защиту.

Публикации по теме диссертации

1. Михайлов Ю.М., Масленицын С.Ф. Низкочастотные волновые процессы в кометошите кометы Галлея // Тез. докл. Межд. семинара "Малые тела Солнечной системы, физика Солнца и релятивистская астрофизика", 14-17 ноября 1994 г. Киев: 1996. С.43-44.

2. Mikhailov Yu.M., Mashnitsin S.F. The rotational discontinuities of the magnetic field on the outer cometosheath boundary near comet Halley // Ann. Geophys. 1995. V.13. Pt.III. P.668.

3. Михайлов Ю.М., Масленицын С.Ф. Области и границы в течении плазмы за головной ударной волной кометы Галлея // Астрон. вестн. 1995. Т.29. №4. С.291-303.

4. Михайлов Ю.М., Масленицын С.Ф. Структура магнитного поля и вращательный разрыв на плазменной границе во внешнем кометошите кометы Галлея // Астрон. вестн. 1995. Т.29. №5. С.425-434.

5. Михайлов Ю.М., Масленицык С.Ф» Спектральная плотность энергии альвеновских колебаний у кометы Галлея по данным измерений магнитного поля // Тез. докл. Межд. симпозиума "Спутниковые исследования ионосферных и магнитосферных процессов" 11-13 декабря 1995. М.: ИЗМИР АН, 1995. С.6.

6. Михайлов Ю.М., Масленицын С.Ф. Спектральный анализ УНЧ-магнитных полей как метод волновой диагностики ионного состава кометной плазмы // Там же. С.6-7.

7. Михайлов Ю.М., Масленицын С.Ф. Наблюдение эволюции вращательного разрыва на плазменной границе около кометы Галлея // Там же. С.12.

8. Михайлов Ю.М., Масленицын С.Ф. Низкочастотные флуктуации магнитного поля за головной ударной волной кометы Галлея // Там же. С.12-13. .

9. Mikhailov Yu.M., Maslenitsin S.F. Structure of magnetic field and rotational discontinuities on the plasma boundaries in the outer cometosheath of comet Halley by base on Yega-1 and Vega-2 spacecrafts data // 2nd National Symp. PLASMA 95 "Research and applications of plasmas" June 26-28, 1995. Warsaw. V.l. P.261-264.

10. Михайлов Ю.М., Масленицын С.Ф. Спектральный анализ ультранизкочастотных магнитных полей кометы Григга-Скьеллерупа // Космич. исследов. 1996. К'-З. С.283-288.

11. Михайлов Ю.М., Масленицын С.Ф., Нойбауэр Ф.М., Глассмайер К.-X. Спектральный анализ ультранизкочастотных магнитных полей кометы Григга-Скьеллерупа по данным КА Giotto // Межвуз. сб. научных трудов " Астрономические исследования". Ярославль: Изд-во ЯГПУ. 1996. С.89-100.

12. Mikhailov Yu.M., Maslenitsin S.F. Regions and boundaries in the plasma flow after Halley comet's bow shock // Preprint IZMIR AN. №4 (1089). M.:1996. 34 p. „