Распространение магнитогидродинамических возмущений в солнечном ветре и околоземном пространстве тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Бархатов Николай Александрович

РАСПРОСТРАНЕНИЕ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗМУЩЕНИЙ В СОЛНЕЧНОМ ВЕТРЕ И ОКОЛОЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Специальность - 01.04-03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нижний Новгород, 1997

Работа выполнена в Нижегородском государственном педагогическом университете

Научный консультант:

доктор физ.-мат. наук, профессор Беспалов П.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Трахтенгерц В.Ю.

доктор физико-математических наук, профессор Петрухин Н.С.

доктор физико-математических наук, профессор Чашей И.В.

Ведущая организация: Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН (Московская область, г. Троицк)

Защита состоится __ 1997 г. в часов на заседа-

нии Диссертационного совета Д064.05.01 при Научно-исследовательском радиофизическом институте (НИРФИ) по адресу: г. Нижний Новгород, 603000, ул. Большая Печерская, 25.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИРФЙ. Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат физ.-мат. наук, с.н.с. l . S

Виняйкин E.H.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Вопросы переноса магнитогидродинами-ческих волн (МГД) и связанного с ним формирования поля возмущений в солнечном ветре и околоземном пространстве на протяжении последних двух десятилетий остаются актуальной темой экспериментальных и теоретических исследований. В значительной степени интерес к таким исследованиям обусловлен тем, что низкочастотные волны и условия их распространения тесно связаны с ключевыми процессами в космическом пространстве и, следовательно, содержат информацию о состоянии межпланетной среды. Волны, регистрируемые на земной поверхности, частично приходят из солнечного ветра. Это открывает возможность дистанционной диагностики околоземного пространства по наземным данным. Земная магнитосфера, представляя собой сложную замагниченную плазменную оболочку, также является значительным источником низкочастотных волн. Эти возмущения тесно связаны с процессами взаимодействия волн и частиц, происходящими непосредственно в магнитосфере и их наблюдение также имеет отношение к проблеме гидромагнитной диагностики.

Естественно, что в случае использования низкочастотных волн для целей диагностики даже при решенных проблемах генерации, необходимо изучение их распространения в околоземном пространстве и теоретическое подтверждение возможности проникновения в магнитосферу. Для решения этох: задачи следует рассматривать аспекты формирования поля ультранизкочастотных (УНЧ) ( 0,01-1 герц) возмущений в солнечном ветре, в области отошедшей ударной волны, переходной области и в магнитосфере; моделировать процессы соответствующих МГД возмущений.

В диссертации предложены механизмы эволюции УНЧ волн в солнечном ветре и околоземном космическом пространстве, разработаны методы диагностики параметров межпланетной среды, основанные на наблюдениях низкочастотных возмущений. Обоснованы дополнительные возможности применения низкочастотных волн для дистанционного мониторинга условий в околоземном пространстве. Рассмотрена динамика сильно нелинейных и ударных МГД волн методами вычислительного эксперимента. С помощью численного моделирования проанализирована зависимость амплитуд низкочастотных волн от параметров межпланетной среды. Разработанные количественные методы эффективны для интерпретации наблюдаемых особенностей магнитной и плазменной возмущенностей. Полученные результаты анализа некоторых видов внутримагнитосферных колебаний использованы для разви-

тия методов диагностики параметров внутримагнитосферной плазмы.

Актуальность анализа особенностей переноса низкочастотных возмущений в околоземном пространстве определяется тесной связью поставленных задач с решением таких прикладных научных проблем, как локализация источников волн, анализ условий распространения и эволюция волн, перенос волновой энергии, диагностика параметров межпланетной и магнитосферной среды.

Цель и задачи работы. Диссертация посвящена построению картины распределения поля возмущений в межпланетном пространстве и магнитосфере Земли, адекватной спутниковым наблюдениям, и разработке методов возможной дистанционной диагностики параметров среды и магнитного поля, основанных на изучении особенностей распространения МГД волн. Задачи работы обусловлены необходимостью создания теоретического описания эволюции низкочастотных возмущений при их переносе в неоднородном космическом пространстве со сверхальве-новскими скоростями для интерпретации экспериментальных данных.

Методы исследования. Изучение закономерностей переноса и формирования поля альвеновских возмущений в солнечном ветре представляет собой комплексную задачу. Этим обусловлен метод исследования в виде постановки и решения группы реалистичных модельных задач, посвященных анализу распространения низкочастотных возмущений от локального коронального источника в земную магнитосферу. Успешное решение задач обеспечивается учетом наиболее принципиальных плазменных и магнитных особенностей среды, а также удачным выбором оригинальных аналитических или численных методов. В работе применены современные средства компьютерного моделирования. Полученные результаты сопоставляются с данными наблюдений.

Научная новизна работы. В диссертации обращается внимание на особенности окружающего космического пространства, которые являются важными, часто не принимаемыми во внимание и поэтому новыми, для рассмотрения вопросов распространения низкочастотных волн. В диссертационной работе впервые:

- исследовано рассеяние волн Альвена, в том числе резонансное, в другие типы МГД волн на стационарных неоднородностях плотности и магнитного поля в солнечном ветре; найден декремент затухания аль-веновской волны в результате резонансного рассеяния на случайных мелкомасштабных неоднородностях;

- определена экстинкпия альвеновских волн вследствие параметрических процессов их взаимодействия с другими МГД волнами на фоне заданной турбулентности солнечного ветра; проанализирована зави-

симость экстинкшш от характерного масштаба турбулентности и расстояния от Солнца;

- решена задача о переносе альвеновских волн в неоднородном свер-хальвеновском потоке солнечного ветра с учетом сферичности солнечного ветра и спиральности межпланетного магнитного поля; найдено анизотропное пространственное и угловое распределение плотности энергии и трассы (двойное лучепреломление) распространения для альвеновских волн, с том числе гауссова пучка;

- изложены результаты линейного взаимодействия альвеновских волн и их усиления вследствие энергообмена с потоком солнечной плазмы в области нарушения геометрической оптики; исследована зависимость усиления волн от начального спектра их поперечных масштабов; вычислены коэффициенты рефракции и отражения альвеновских волн от неоднородного потока авроральной магнитосферной плазмы и отмечены закономерности их изменения в зависимости от условий конвекции:

- выяснены новые особенности, связанные с генерацией быстрого и медленного альвеновских пучков естественными излучателями различных размеров в движущейся плазме; определены условия сильной асимметрии их излучения;

- проведен сравнительный анализ пространственно-временной динамики переноса низкочастотных возмущений в движущейся плазме типа солнечного ветра для режимов слабох! и сильной нелинейности;

- проанализирована амплитудная и поляризационная трансформация волн, падающих на модельную стационарную структуру, иллюстрирующую профиль отошедшей ударной волны;

- исследовано распространение УНЧ волн в переходной области за земной ударной волной; получено дисперсионное соотношение и условия просветления переходной области для слабозухающих волн; получена пространственно-временная динамика и исследована ее зависимость от диссипативных процессов для заданного магнитного возмущения в различных районах переходной области;

- предложен метод диагностики плазменных уплотнений отделившихся от плазмосферы в периоды магнитной возмушенности по записям магнитных вариаций на внутримагнитосферных спутниках:

- на основе замеченного изменения в зависимости пространственного масштаба распределения амплитуд геомагнитных пульсаций вдоль геомагнитного меридиана от периода пульсаций, связанного с индексом магнитной активности, предложен метод диагностики скоростей альвеновских волн на разных магнитных оболочках.

Научное и практическое значение работы. Полученные результаты

способствуют более глубокому пониманию ключевых волновых процессов в космическом пространстве, связанных с переносом возмущений, а также с их распределением в земной магнитосфере. Изучение МГД волн на основе аналитического моделирования процессов позволяет интерпретировать наблюдения низкочастотных колебаний.

В работе теоретически рассмотрена такая важная в научном и практическом отношении проблема, как распространение МГД волн в неоднородных средах движущихся со скоростями, превышающими скорости нормальных волн. Приняты во внимание процессы взаимодействия волн, эффективного обмена энергией с потоком плазмы и процессы эффективного столкновения частиц с неоднородностями среды. Сделаны выводы о локализации солнечного источника низкочастотных волн по спектральным наблюдениям регистрируемого пучка, найдены трассы переноса пучков альвеновских волн от коронального источника. Анализ пространственно-временной динамики переноса низкочастотных возмущений в движущемся солнечном ветре и переходной области за земной ударной волной позволяет делать выводы о распределении МГД ПОЛ!.

Предложенный механизм эффективного затухания низкочастотных волн, вследствие их резонансного рассеяния на неоднородностях плотности и магнитного поля, необходим для объяснения значительной доли магнитозвуковых возмущений в солнечном ветре. Изучение процессов параметрического взаимодействия МГД волн на фоне волновой турбулентности солнечного ветра позволило определить сферические слои околосолнечного пространства, которые могут быть ответственны за альвеновские волны тех или иных масштабов, регистрируемые в окрестности Земли и объяснить распределение характерных масштабов турбулентности в солнечном ветре.

Результаты, полученные при рассмотрении возбуждения альвеновских пучгов естественными излучателями различных размеров в свер-хальвеновском потоке плазмы, свидетельствуют об удобстве привлечения планет солнечной системы как предсказуемых неоднородностей -источников низкочастотных колебаний - для анализа условий распространения: волн.

Полученная модельная структура отошедшей земной ударной волны и анализ прохождения через нее низкочастотных волн из солнечного ветра иллюстрируют эксперименты по наблюдению волновых явлений на аппаратах, пересекающих ударные профили в межпланетном пространстве. Исследование распространения УНЧ волн в переходной области дало возможность определить вид слабозатухающих волн

и интерпретировать экспериментальную зависимость амплитуды вне-магнитосферных пульсаций от скорости солнечного ветра.

Проанализирован ряд характерных внутримагнитосферных колебаний, наблюдение которых может иметь отношение к диагностике параметров внутримагнитосферной плазмы. Предложены методы диагностики возникающих в магнитосфере в периоды высокого уровня магнитной активности плазменных образований по наблюдениям низкочастотных колебаний на геостационарных спутниках и структуры поля внутрдмагнитосфсрных альвеновских скоростей на основе анализа колебаний регистрируемых на магнитных станциях, расположенных вдоль геомагнитного меридиана.

Диссертация написана по результатам работ автора, выполненных в рамках инициативных и ответственных тем, посвященных проблемам распространения волн в космической плазме. Часть работ выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных исследований в рамках проекта N 94-02-06108, научным руководителем которого являлся автор. Работа была поддержана грантом Международного Научного Фонда.

Тематика диссертационной работы согласуется с целями, поставленными Международными программами по солнечно-земной физике.

Основные защищаемые научные положения.

1. В условиях характерных для солнечного ветра показано существование резонансного рассеяния альвеновских волн в медленные маг-нитозвуковые и альвеновские волны на стационарных неоднородностях плотности и магнитного поля. Исследовано излучение протяженных и компактных токовых низкочастотных источников в магнитоактивной плазме. Получена зависимость рассеиваемой мощности от типа не-однородностей, их размеров и ориентации по отношению к внешнему магнитному полю. На основе этого исследования предложен новый механизм затухания альвеновских волн и вычислен декремент их затухания, объяснена значительность доли магнитозвуковой возмущенности в солнечном ветре.

2. Исследование процессов параметрического взаимодействия альвеновских волн с другими нормальными волнами на фоне заданной волновой турбулентности солнечного ветра позволило определить величины соответствующих относительных затуханий альвеновских волн. В области крупномасштабной, по отношения к длине пробной волны, турбулентности, преобладающим установлен процесс слияния альве-новской волны с фоновой быстрой магнитозвуковой турбулентностью. В области мелкомасштабной турбулентности значительно взаимодей-

ствце заданной альвеновской волны с медленной магнитозвуковой и альвсновской волнами в присутствии, соответственно, быстрой и медленной магнитозвуковой турбулентности. При учете распределения параметров потока плазмы, магнитного поля и характерных масштабов турбулентности в солнечном ветре установлено, что эффективность экстинкции альвеновских волн падает с увеличением расстояния от Солнца и с увеличением длины пробной волны. Глубокие слои солнечного ветра ответственны за регистрируемые в окрестности Земли альвеновские волны больших масштабов, внешние слои - за волны малых масштабов.

3. При рассмотрении переноса альвеновских волн в среде солнечного ветра со сферическим сверхальвеновским потоком и спиральным магнитным полем найдено явление двойного лучепреломления. Лучевые траектории волнового пакета для волн с противоположными по знаку проекциями волновых векторов на магнитное поле ("быстрых" и "медленных" ) не совпадают. Вдоль лучевых траекторий альвеновских волн формируются анизотропные угловые распределения плотности энергии. В любой точке околосолнечного пространства спектр альвеновских волн является суперпозицией спектров пакетов волн, пришедших в нее по двум разным траекториям.

4. Изучено распространение пучка альвеновских волн от локального источника в солнечном ветре с учетом нарушения геометрикоопти-ческого приближения. Впервые обращено внимание на эффективное линейное взаимодействие между "быстрыми" и "медленными" альве-новскими волнами, Показано, что в результате такого взаимодействия происходит энергообмен с потоком плазмы и амплитуды волновых возмущений ниже по потоку солнечного ветра заметно возрастают. Определены границы области "засвеченной" усиленными волнами. Выяснена зависимость интенсивности регистрируемого пучка волн от его первоначального спектра. При равной интенсивности исходных пучков значительнее возрастают те, у которых шире спектр поперечных масштабов. Анализ наблюдаемого спектра пространственных поперечных масштабов альвеновских волн позволяет делать вывод о расположении источника волн.

5. Определены условия сильной асимметрии при генерации "быстрого" и "медленного" альвеновских пучков естественными излучателями различных размеров в движущейся плазме солнечного ветра. Найденные решения могут быть использованы для диагностики неод-нородностей плазмы солнечного ветра и скорости ее потока. Отмечено удобство привлечения планеты Меркурий как постоянно действующей

и предсказуемой неоднородности - источника низкочастотных колебаний - для анализа условий распространения альвеновских волн в солнечном ветре. Полученные аналитические формулы позволяют оценивать амплитуды возмущения магнитного поля в интенсивных альвеновских пучках, создаваемых малыми планетами солнечной системы.

6. Результаты сравнительного анализа пространственно-временной динамики заданного возмущения в неподвижной и движущейся среде солнечного ветра со слабой и значительной вязкостью свидетельствуют: сносовое движение среды способствует возникновению осциллирующих режимов; диссипативные процессы являются конкурирующим фактором. В случае умеренной нелинейности описание динамики нелинейных МГД волн делается на линейном языке распространения, трансформации и взаимодействия альвеновских и магнитозвуковых волн. Динамика крупномасштабных магнитных возмущений в движущейся плазме ведет к волновой трансформации осцилляций в медленный магнитный звук и объясняет значительную долю магнитной возмущенно-сти в солнечном ветре.

7. Прохождение низкочастотных волн из солнечного ветра в переходную область через модельный профиль отошедшей земной ударной волны, иллюстрирует эксперименты по наблюдению волновых явлений для разных условий в солнечном ветре: возрастает амплитуда заданных возмущений в несколько раз на скачке профиля; возникают биения между периодическими структурами плотности среды, скорости, магнитного поля в профиле и возмущениями в волне и, как следствие, амплитудная модуляция возмущений заданной частоты со значительной глубиной; энергия заданной альвеновской волны перекачивается в магнитозвуковую волну.

8. Результаты проведенного исследования распространения УНЧ волн в сильно турбулентной среде переходной области свидетельствуют о ее просветлении для необыкновенных правополяризованных волн. Это означает, что образующиеся в солнечном ветре УНЧ волны диапазона геомагнитных пульсаций могут проходить через переходную область и регистрироваться в магнитосфере Земли. Затухание волн уменьшается с ростом скорости солнечного ветра. Это объясняет экспериментальную зависимость амплитуды пульсаций в случае их вне-магнитосферного происхождения.

9. Регулярные внутримагнитосферные низкочастотные колебания с преобладающей осцилляцией в направлении геомагнитного поля, одновременно сопровождаемых его понижением, связаны с плазменными уплотнениями, образовавшимися в магнитосфере в результате геомаг-

нитной активности, и являются их собственными колебаниями. Предлагается метод диагностики отделившихся от плазмосферы плазменных облаков по записям магнитных вариаций на внутримагнитосфер-ных спутниках.

Апробация результатов. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на Всероссийских и Международных конференциях, в том числе, на: Всесоюзном семинаре по электрическим и магнитным полям в ионосфере и магнитосфере (Ленинград, 1974); Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (XI, Казань, 1975; XIII, Горький,1981); Международном симпозиуме по проекту "Геомагнитный меридиан" (Ленинград, 1976); Всесоюзном семинаре по ОНЧ излучениям (IV, Тбилиси, 1978; VI, Звенигород, 1983); Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитных волн с плазмой (Душанбе, 1979); Симпозиуме КАПГ по солнечно-земной физике (Ашхабад, 1979); XVII General Assembly IUGG (Canberra, 1979); Всесоюзном совещании "Геофизические явления в авроральной зоне" (Иркутск, 1988); Научно-техническом семинаре "Космонавтика и экология: концепции и технические решения", (Туапсе, 1990); XX General Assembly IUGG (Vienna, 1991); International summer school on Space plasma physics (Nizhny Novgorod - Uppsala, 1993); 30 th COSPAR Scientific Assembly (Hamburg, 1994); 20 th EGS General Assembly (Hamburg, 1995); 2nd International Workshop on "The Solar Wind-Magnetosphere System" (Graz, 1995); 21 th EGS General Assembly (The Hague, 1996).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 37 работ в журналах я сборниках [1 - 37].

Объем и структура работы. Диссертация содержит 264 страницы основного текста, 72 страницы с рисунками и таблицами. Список цитируемой литературы включает 209 наименований. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении дан анализ современного состояния изучаемых вопросов, отмечена важность известной проблемы (Гульельми A.B. МГД-волны в околоземной плазме. М.: "Наука", 1979, 139 с.) дистанционной диагностики космического пространства, сформулированы цели, задачи и методы их решения, изложено основное содержание работы.

В ГЛАВЕ I изучено распространение низкочастотных волн в солнечном ветре как в неизотермической " горячей" магнитоактивной плазме при учете рассеяния волн на неоднородностях плазмы и магнитного

поля обусловленных как стационарными структурами, так и волновой турбулентностью.

В разделе 1.1 и работах [1, 2, 4] изложены теоретические основы рассеяния альвеновскнх (А), медленных (ММЗ) и быстрых магнитозву-ковых (БМЗ) волн на неоднородностях в неизотермической магнито-активной плазме солнечного ветра. При пренебрежении столкновениями частиц, бесстолкновительным затуханием волн и больших альвеновскнх скоростях по сравнению со звуковой, тензор диэлектрической проницаемости плазмы записывается в диагональном виде. Оказалось, что поверхности волновых векторов ММЗ и А волн не замкнуты. Это обусловлено плазменными резонансами. В результате имеет место резкое возрастание соответствующих полей источников малых размеров. Резонансные явления такого типа разумеется известны (Беллюстин Н.С., Докучаев В.П. Известия ВУЗов "Радиофизика", 1975, Т. 18, С. 17.), однако, круг вопросов, относящихся к условиям в околоземной плазме, недостаточно изучен. В связи с этим в диссертации представлены результаты рассмотрения трансформации МГД волн солнечного ветра вследствие резонансного рассеяния их на неоднородностях концентрации и магнитного поля (Readhead А.С,S., Kemp M.С., Hewish А. Monthly Notices Res. Astr. Soc., 1978, V.185, P. 207.) как стационарных структурах.

В первом приближении теории возмущений неоднородность можно рассматривать как вторичный источник с заданным распределением тока (Денисов Н.Г. Изв. ВУЗов "Радиофизика", I960, Т.З, С. 393.), определяемым приращением к тензору диэлектрической проницаемости. Основной характеристикой рассеянного поля является мощность, излучаемая таким источником. Поле определяется волновым уравнением с заданной, правой частью, решение которого с помощью преобразования Фурье может быть записано в интегральной форме. Это позволяет представить излучаемую мощность в виде интегралов. Так как рассеяние в ММЗ и А волны носит резонансный характер, то наибольший интерес представляют источники малых размеров, которые обладают широким пространственным спектром.

В разделе 1.2 и работах [3 - 5] найдены зависимости резонансно рассеиваемой мощности пробной А волн от типа возможных неоднородно-стей среды солнечного ветра, их размеров и ориентации по отношению к внешнему магнитному полю. Здесь изучено рассеяние А волны на неоднородностях гауссовой формы. Мощность, рассеиваемая в ММЗ волну на мелкомасштабной изотропной неоднородности концентрации для типичных условий, в солнечном ветре преобладает. В солнечном

ветре наблюдаются неоднородности с масштабами 10тсмЧ- 109см. Анализ дисперсионного уравнения показывает, что затухание А волны на нижней границе интервала определяется трансформацией в ММЗ, в середине - в А и БМЗ волны, а для крупномасштабных неоднородностей - рассеянием в БМЗ волны.

Рассмотрено переизлучение А волн в другие моды, получены и оценены величины рассеиваемых мощностей на неоднородностях концентрации, связанных с "магнитной щелью", со сдвоенным контактным или ударным разрывом. Получены зависимости мощности пробной альвеновской волны от ориентации разрыва.

В разделе 1.3 и [4, 6] изучено резонансное рассеяние А волны на магнитных неоднородностях солнечного ветра: на случайных изотропных мелкомасштабных, на анизотропных (вытянутых вдоль ММП), на неоднородностях типа "магнитная щель". Здесь вычислены декременты резонансного затухания пробной А волны в солнечном ветре при рассеянии в ММЗ и А волны. В случае заполнения среды изотропными неоднородностями получено выражение для коэффициента затухания плотности потока падающей волны. На пути в одну астрономическую единицу - показатель экспоненты затухания ~ 5.

Проведенное исследование предлагает механизм трансформации МГД волн на неоднородностях солнечного ветра и ММП и объясняет экспериментальные данные, свидетельствующие о существенной доле маг-нитозвуковых колебаний в солнечном ветре. Последнее представлялось ранее удивительным, ввиду их значительного затухания Ландау.

Флуктуации параметров межпланетной среды могут быть связаны и с волновой турбулентностью (Генкин Л.Г., Ерухимов Л.М. Геом. аэрон., 1983, Т.23, N 1, С. 15; Чашей И.В. Геом. аэрон., 1989, Т.29, N 2, С. 210). Средние характеристики турбулентности в солнечном ветре считаются известными и определяются из наблюдений.

В разделе 1.4 и работе [7], реализован альтернативный подход к вопросу воздействия на А волны микроструктуры межпланетной среды. В связи с этим, изучена перекачка энергии А волн в магнитозвуко-вые, вследствие их параметрического взаимодействия на фоне заданной фоновой турбулентности. Оценено соответствующее эффективное затухание А волн. В расчетах учитывается сферичность солнечного ветра и спиральность ММП, которые на значительных трассах следует принять во внимание.

Рассеяние А волн турбулентностью учитывается введением правой части в кинетическое уравнение для функции распределения

плазмонов в неоднородной среде, - спектральная плотность

энергии волн. Это уравнение изучается в сферической системе координат для стационарного распределения спектральной плотности энергии А волн с дисперсионными уравнениями и>л — К{Ут ± Уаг) ± к1рУлч> ( Уг - радиальная составляющая скорости солнечного ветра, Уд - альвенов-ская скорость, знаки ± отвечают волнам с волновыми векторами вдоль и против ММП, т.е. "быстрой" и "медленной" альвеновским, соответственно). Принимая масштаб изменения макропараметров межпланетной среды большим масштаба нелинейного взаимодействия, в связанной с лучевой траекторией системе координат, кинетическое уравнение упрощается и его интегрирование вдоль лучевой траектории дает искомое решение. Согласно нашим предположениям и на основе монографии (Электродинамика плазмы. Ред. Ахиезер А.И. М.: "Наука",1974, 720 с.) находится выражение для эффективной частоты соударений характеризующей рассеяние А волны.

Необходимая для расчетов спектральная плотность энергии турбулентности определяется на основе экспериментально полученного спектра неоднородностей в солнечном ветре и при выборе в качестве модели фона турбулентности Батчелора. Тогда спектральная плотность энергии турбулентности представляется выражением, в которое входят коэффициенты определяемые исходя из выше упомянутых экспериментов, как функции расстояния от Солнца, Выбирая необходимые трех-плазмонные процессы, записываются соответствующие условия синхронизма и вычисляются вероятности процессов. Таким образом находится |/е//(г). Затем определяются и анализируются величины экс-тинкций А волн в солнечном ветре. Результаты параметрического взаимодействия МГД волн на фоне заданной турбулентности сопоставляются с результатами полученными при изучении эффективного затухания вследствие рассеяния А волн на стационарных неоднородностях. Исследование свидетельствует о преобладании резонансного рассеяния низкочастотных А волн в ММЗ и их затухания из-за параметрического возбуждения ММЗ волны в случае мелкомасштабной неоднородности и турбулентности, а также о преобладании параметрического взаимодействия для крупномасштабной турбулентности с перекачкой энергии в БМЗ, т.е. в высокочастотном диапазоне А волн. Важно, что результат о рассеянии А волн в БМЗ на верхнем крае рассмотренных масштабов стационарных неоднородностей стыкуется с результатом их параметрического взаимодействия, которое также обеспечивает перекачку в БМЗ.

В ГЛАВЕ II в приближении геометрической оптики и с учетом возможности его нарушения изучаются условия и трассы распростране-

ния, а также эволюция пространственного спектра пакета А волн, в том числе гауссова пучка, возбуждаемого локальным источником в солнечной короне. Анализируется нелинейный режим распространения МГД волн в сверхальвеновском потоке солнечного ветра.

В разделе 2.1 и работе [7] в рамках геометрической оптики изучена эволюция спектра А волн, заданного в точке на сферической поверхности, с изменением расстояния от Солнца. В расчетах учитывается неоднородность среды солнечного ветра и спиральность ММП. Для стационарного распределения спектральной плотности энергии А волн решается кинетическое уравнение для функции распределения п л ал мо-нов. Форма характеристик этого уравнения отвечает двум несовпадающим лучевым траекториям волновых пакетов для А волн с противоположными по знаку проекциями волновых векторов на магнитное поле ("быстрых" и "медленных"). Определена эволюция их углового спектра. Представлены результаты численного расчета лучевых траекторий заданного волнового пакета. Таким образом, найдено явление двойного лучепреломления и анизотропизация исходного изотропного углового спектра при распространении А волн вдоль лучей.

В разделе 2.2 и работах [8-11] внимание уделяется анализу условий распространения А волн в солнечной короне с учетом возможности нарушения геометрикооптического приближения. Особенности переноса А волн в солнечном ветре обусловлены неоднородным характером маг-нитоактивной плазмы, движущейся со сверхальвеновской скоростью. Кривизна магнитных силовых линий, неоднородность потока и распределения концентрации плазмы солнечного ветра приводят, как уже отмечалось, к изменению волновых векторов А волн вдоль лучевых траекторий. В результате может быть достигнута область, где показатели преломления "быстрой" и "медленной" А волн сближаются. Согласно общей теории линейного взаимодействия волн, в таких областях должна происходить линейная трансформация волн (Денисов Н.Г. Радиотехника и электроника, 1956, Т.1, N 6, С. 732; Железняков В.В., Злотник Е.Я. Астрономический журнал, 1963, Т. 40, С.633).

В МГД приближении решается модельная задача о переносе А волн в замагниченной плазме с двумерным течением V(0, Voy = и + йг, Voz = const), при этом анализируются поперечные волновые процессы в плоскости магнитного поля и скорости среды. Решение полученной системы ищется в виде неоднородных плоских волн (Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: "Наука", 1973, С. 124). Следуя общепринятой методике расчета эффективности линейного взаимодействия определяются, соответственно, коэффициенты взаимной трансформа-

ЦШ1 волн:

V1 И2 1

б^б = ея;р{7г^—Гм^б = [ехр{2тг^—^} - 1]*,

где В = Пи/(4куУ?), а- (3 = 2ПкуУм/{V* - |г=0) УАг = Дп/у^лрЛ?) — г - компонента А скорости, \гв - скорость звука,

Вычисляя изменение плотности потока энергии А волн, резонансно взаимодействующих с потоком плазмы отмечаем, что происходит перераспределением энергии между ними. В результате возможно увеличение амплитуд волн. Энергообмен зависит от скорости солнечного ветра. Исследована зависимость усиления волн от их начального спектра поперечных масштабов.

В реальных условиях источник А волн в солнечной атмосфере обладает конечным размером и ограниченной диаграммой направленности по волновым векторам. В связи с этим, для определения условий выхода ограниченного пучка А волн в удаленные области солнечного ветра, в разделе 2.3 и работах [12 - 15] рассмотрена модельная задача распространения гауссового пучка. С учетом коэффициентов трансформации получены интегральные выражения для полей А волн в пространстве выше источника. Продольные составляющие волновых векторов рассматриваемых волн записываются на основе дисперсионных уравнений. Результатом вычисления интегралов являются алгебраические выражения для магнитных полей в А волнах. Эти выражения были проанализированы численно на предмет выявления связи интенсивности пучка А волн с параметрами солнечного ветра (температура, скорость солнечного ветра). Определены размеры области повышенной волновой возмущенности в межпланетном пространстве, за которую ответственен источник волн, расположенный в солнечной атмосфере. Обращено внимание на зависимость интенсивности пучка от его первоначального спектра.

Важную роль в формировании общего поля МГД возмущений могут играть процессы рассеяния волн на неоднородностях, имеющих значительную скорость относительно потока солнечного ветра - планетах, кометах и других небесных телах, фронтах высокоскоростных потоков плазмы. В связи с этим в разделе 2.4 и работе [16] выяснены особенности, связанные с генерацией быстрого и медленного А пучков в движущейся плазме излучателями различных размеров. Задача решается в борновском приближении. Пространственное распределение монохроматического излучателя - неоднородности - задается в виде диполя, распределенного в области с характерным размером источника.

Решение системы МГД для векторных полей при выполнении условия излучения только А волн описывает два пучка распространяющихся без расходимости. Центры пучков смещаются в групповых направлениях. Если скорость переноса близка к альвеновской, то для источников средних размеров, почти вся излучаемая энергия приходится на "быстрый" А пучок. Для излучателей очень больших так и очень малых размеров энергия "быстрого" и "медленного" пучка сравнимы. Поэтому экспериментальное обнаружение асимметрии излучения А пучков двух типов может служить индикатором скорости сноса потока и размера излучателя. Здесь проводится расчет траекторий, их длина и время переноса по ним для А пучков переизлучаемых Меркурием, как неоднородностью. Учитывается, что параметры солнечного ветра изменяются при удалении от Солнца.

В разделе 2.5 и работе [17 - 20] рассмотрены некоторые вопросы нелинейной динамики распространения МГД волн в движущейся межпланетной плазме. В околоземном пространстве повсеместно регистрируются области повышенной интенсивности МГД волн. В этих случаях линейный подход неадекватен рассматриваемой ситуации. Ввиду сложности аналитических методов, позволяющих описать нелинейную волновую динамику, рассмотрение часто ограничивается рассмотрением распространения волн только вдоль магнитного поля (Cohen R.H., Kulsrud R.M. Phys. Fluids, 1974, V.17, N 12, P. 2215). Это значительно ограничивает их ценность, в то время как современные средства компьютерного моделирования позволили в данной работе обеспечить успешное решение вопроса. В разделе представлены результаты компьютерного анализа: случаев сильной нелинейности, где традиционная линейная классификация волн неприменима; конкуренции сноса среды и диссипативных процессов в отношении устойчивости нелинейных МГД волн; трансформации волн различных типов; образования фронтов ударных волн. Рассмотренная динамика крупномасштабных магнитных возмущений в потоке солнечного ветра свидетельствует о наличии эффективной генерации А и магнитозвуковых волн.

В ГЛАВЕ III в МГД и квазигидродинамическом (КГД) приближениях рассмотрено прохождение низкочастотных волн из солнечного ветра в переходную область через модельную структуру ударного фронта. Здесь применен получивший в последние годы широкое распространение новый способ исследования - численное моделирование процессов в космической плазме с использованием мощных компьютеров (Steinolf-son R.S. J. Geophys. Res., 1978, V.83, N A4, P. 1576).

УНЧ волны в виде геомагнитных пульсаций имеют отношение и к

событиям, происходящим вблизи головной ударной волны (Pudovkin M.I., Seraenov V.S. Space Phys. Rev., 1985, V.41, С. 1; Данилов B.C., Соболев A.B. Геом. аэрон., 1994, Т.34, С. 184). Здесь отмечено, что при умеренной геомагнитной возмушенности активность геомагнитных пульсаций Рс 3,4 на земной поверхности возрастает в периоды ММП квазипараллельного нормали к поверхности подсолнечной части фронта ударной волны. В эти периоды возрастает и МГД возмушен-ность в переходной области. Это связывается с генерацией МГД волн потоками протонов (Крымский Г.Ф. Докл. АН СССР, 1977, Т.234. N б, С. 1306) на квазипараллельных участках ударной волны. Однако, возможна альтернативная интерпретация этого явления. Она может быть связана с изменяющимися при повороте ММП условиями на фронте земной ударной волны.

В разделе 3.1 и работах [21, 22] исследуется прохождение низкочастотного импульса через фронт плоской ударной волны. Ударный фронт представляется как резкий скачок плотности, толщина которого много меньше длины волны по обе стороны границы раздела. Исходя из уравнений МГД и пренебрегая диссипативными процессами, получаются уравнения для тангенциальных к разрыву компонент возмущений магнитного поля и скорости А волны. Решение системы уравнений ищется методом характеристик. Оно представляет собой два пакета волн. Длина пакета волн с волновыми векторами направленными против потока, уменьшается, а амплитуда возрастает.

В разделе 3.2 и работах [23, 24] в упрощенном двухжидкостном приближении для достаточно разреженной и квазинейтральной плазмы рассчитывается модельная структура стационарной ударной волны. Окончательно для анализа получена система уравнений, отличие которой от уравнений МГД холодной плазмы заключается в наличии члена ответственного за эффективные столкновения частиц с магнитными неоднородностями и члена описывающего дисперсионные эффекты на частотах ш ~ Подобные уравнения (Кадомцев Б.Б. В Сб. Вопросы теории плазмы. М.: "Атомиздат", 1963, Вып.2, С. 132) называют уравнениями МГД с ионной дисперсией. Стационарное решение таких систем (Карпман В.И. ЖТФ, 1963, Т.33, С. 959.) описывает одномерный профиль поперечной составляющей магнитного поля в бесстолк-новительной ударной волне с плоскостью фронта ориентированной под углом к магнитному полю. В разделе приведены результаты численного решения системы стационарных дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта четвертого порядка. Граничные условия выбирались исходя из сопоставления получаемой структуры с регистриру-

емьши масштабами. Компьютерный анализ позволил восстановить пространственную структуру ударной волны в одномерном приближении, удовлетворительно согласующуюся с наблюдаемой на космических аппаратах. Отмечается зависимость параметров структуры модельных ударных волн от ориентации межпланетного магнитного поля к нормали плоскости ударного фронта. Квазипараллельному ММП соответствуют значительные осцилляции в профиле ударной волны.

В разделе 3.3 и работах [23, 24] рассматривается эффекты, связанные с прохождением низкочастотных волн через моделированную выше структуру стационарной земной ударной волны. Прохождение волн через моделированный профиль одномерной стационарной ударной волны рассмотрено в линейном приближении численными методами. Амплитуда заданных возмущений возрастает в несколько раз на скачке профиля; возникает амплитудная модуляция возмущений заданной частоты. Найденные особенности иллюстрируют эксперименты по наблюдению волновых явлений на космических аппаратах, пересекающих ударные профили.

В ГЛАВЕ IV рассматривается распространение УНЧ волн в переходной области за земной ударной волной при учете эффективного взаимодействия заряженных частиц со случайными флуктуациями магнитного поля и рассеяния волн на неоднородностях среды. Затухание волн в плазме переходной области, связанное с кулоновскими столкновениями, несущественно. В данном случае более сильным является взаимодействие частиц со случайными флуктуациями магнитного поля, (которые играют роль "тяжелых частиц". Согласно экспериментальным .данным (Fairfield D.H. Rev. Geophys. Space Phys., 1976, V. 14, P. 117). магнитной турбулентности переходной области можно приписать характерный пространственный масштаб и оценить величины эффективных частот столкновений частиц: vcn ~ 100, ~ 5с-1.

В разделе 4.1 и работах [25, 26] в приближении кинетического урав-•нения с интегралом столкновений, взятым в модельной форме Батнага-ра-Гросса-Крука (БГК) исследовано распространение УНЧ волн в переходной области. Известно, что при использовании модельного интеграла столкновений в этой форме удается получить общее выражение для тензора диэлектрической проницаемости (Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: "Наука", 1967, 684 е.). Для низкочастотных волн диапазона геомагнитных пульсаций в переходной области при наличии значительных эффективных соударений частиц с магнитными неоднородностями может применяться приближение двухжидкостной "холодной" плазмы. Анализ тензора ди-

электрической проницаемости для условий в переходной области (ш,

1Ут <С гл.,, < показывает, что через переходную область возможно прохождение слабозатухающих волн с волновыми векторами к || В0 и дисперсионным уравнением, описывающим необыкновенные правополяризованные волны. Таким образом, для них имеет место " просветление" среды.

В разделе 4.2 и работах [26] проведены оценки эффективного ослабления низкочастотных волн, вследствие их рассеяния на магнитной турбулентности и оценки затухания, обусловленного столкновитель-ным процессом. Ослабление излучаемой волны, обусловленное частичным затуханием рассеянной волны, зависит от ее частоты в движущейся системе координат. Оно может оказаться незначительным только для волн с волновыми векторами, направленными вдоль потока.

Ослабление волн, связанное со с.толкновительным затуханием, анализируется на основе дисперсионного выражения для слабозатухающей моды с учетом движения среды как целого и базовых неравенств для переходной области. Рассчитана зависимость прозрачности переходной области для низкочастотных волн от скорости сноса на фиксированных частотах. Затухание волн сильно зависит от частот столкновений частиц с магнитными неоднородностями. При слабых столкновениях оно определяется в основном соударениями протонов с неоднородностями, а при относительно сильных - соударениями электронов с неоднородностями. Движение плазмы расширяет полосу прозрачности переходной области по частоте и ослабляет затухание волн. Отмеченный факт объясняет экспериментально наблюдавшуюся закономерность увеличения амплитуд геомагнитных пульсаций внемагнитосферного происхождения при росте скорости солнечного ветра.

В разделе 4.3 и работах [27, 28] для переходной области на основе численного анализа рассмотрена пространственно-временная нелинейная динамика низкочастотного возмущения, сформировавшегося за земной ударной волной. Проанализирована зависимость его динамики от эффективности выбранного столкновительного процесса, уровня магнитной вязкости и других параметров. Получены модельные формы нелинейных волн на подходе к магнитопаузе. Динамика крупномасштабных магнитных возмущений представлена в виде мгновенных снимков МГД поля в переходной области.

Изучение нелинейного режима распространения МГД волн в замаг-ниченной движущейся среде переходной области показало,что даже через самую неблагоприятную, с точки зрения магнитной вязкости и эффективного затухания, ее подсолнечную часть возможно проникание

импульса магнитного возмущения или А возмущения. Распространение импульса сопровождается образованием магнитозвуковой волны, которая непосредственно примыкает к необыкновенным нормальным волнам получаемым в КГД приближении. Это соответствует полученному выше аналитическому результату, согласно которому, в переходной области возможно распространение слабозатухающих необыкновенных правополяризованных волн. В разделе также рассматривается влияние диссипативных процессов, определяемых магнитной вязкостью, на нелинейный режим распространения волн. Изучены перенос "быстрого" и "медленного" А возмущения и их столкновение. Возникающая при этом эволюция возмущений ведет к волновой трансформации их в магнитный звук и дает дополнительный вклад в магнитную возмущенность переходной области.

В ГЛАВЕ V изучаются колебания, зарегистрированные на геостационарном спутнике и на станциях меридианального профиля на земной поверхности. Цели этого анализа имеют отношение к диагностике параметров внутримагнитосферной плазмы (плазменных образований, возникающих в периоды магнитной возмущенности, и структуры поля альвеновских скоростей внутри магнитосферы). Действительно, изучение колебаний диапазона геомагнитных пульсаций в магнитосфере .дало возможность оценить ее структуру и общие свойства поляризации наблюдаемых внутримагнитосферных волн (Пудовкин М.И., Распопов О.М., Клейменова Н.Г. Возмущения электромагнитного поля Земли. 4.II. Л.: Изд-во ЛГУ, 1976, 270 е.). Развитие теоретических представлений о генерации низкочастотных волн в магнитосфере отражено в работах (Беспалов П.А., Трахтенгерц В.Ю. В Сб. Вопросы теории плазмы. М.: "Атомиздат", 1980, Вып.10, С. 88; Михайловский А.Б., Похотелов O.A. Физика плазмы, 1975, Т.1, С. 1004). Особенно полно разработаны методы интерпретации низкочастотных колебаний, имеющих отношение к собственным колебаниям всей магнитосферы и ее макрообластей. Вместе с тем, в магнитосфере известны и временно образующиеся плазменные области (Chen A.J., Giebowsky J.M. :Planet.Space Sei., 1978, V.26, P. 661) с концентрацией частиц, превышающей окружающую на два порядка и заметной волновой возмущен-ностью.

В разделе 5.1 и работе [29] анализируются морфологические особенности внутримагнитосферных колебаний в диапазоне периодов 50 150 сек, регистрирующихся на геостационарном спутнике ATS (Russell С.Т). и сопровождаемых значительным понижением полной составляющей магнитного поля. Проведена их статистическая обработка и со-

поставлены данные о них с известными результатами о внутримагни-тосферных плазменных уплотнениях, отделившихся от вечернего выступа плазмосферы во время магнитных возмущений.

В разделе 5.2 и работах [30 - 33] изучены собственные колебания внутримагнитосферных плазменных образований. Рассмотрена модель уплотнения, представляющего магнитную силовую трубку прямоугольного сечения постоянной кривизны, заполненную холодной идеально проводящей плазмой. Поперечные размеры уплотнения оценены исходя из времени пролета их спутником. Невозмущенное магнитное поле считается параллельным боковой стенке трубки, а торцы уплотнения лежат в области ионосферы. Справедливость рассмотрения собственных колебаний отделившейся плазмы обусловлена тем, что ввиду большого перепада концентраций на границе уплотнения колебания обладают высокой добротностью (Зайцев В.В., Степанов A.B. В Сб. "Иссл. геом., аэрон, и физике Солнца", Иркутск, 1975, Вып.37, С. 11). По условиям задачи изучаем колебания с преобладающей осцилляцией в направлении магнитного поля, поэтому рассмотрение ограничено возмущениями магнитозвукового типа и учетом поперечной неоднородности геомагнитного поля. Смещение в волне ищется в виде суперпозиции стоячих цилиндрических волн. Эти решения описывают наиболее общие свойства поляризации гидромагнитных волн в естественных плазменных образованиях и дают возможность оценить соотношения компонент их магнитных возмущений. В широком диапазоне номеров аксиальных мод для магнитных силовых трубок частота собственных колебаний и соотношения амплитуд компонент согласуются с результатами наблюдений на геостационарном спутнике: I ¿Vi I--H bzi |- Таким образом, утверждается, что изучаемые

внутримагнитосферные возмущения - собственные колебания плазменных уплотнений. На основе этой интерпретации в разделе предлагается метод диагностики отделившихся от плазмосферы плазменных облаков по записям магнитных вариаций на внутримагнитосферных спутниках.

В разделе 5.3 и работах [34, 35] решена обратная задача - нахождение распределения параметров замагниченной плазменной трубки постоянной кривизны, для которой собственные гидромагнитные колебания известны. Так как в лабораторных условиях имеется возможность изменения физических параметров, то с помощью предложенного метода можно получать колебания с известным аналитическим видом.

В разделе 5.4 и работе [36] проведен анализ синхронных записей геомагнитных пульсаций на станциях расположенных вдоль геомаг-

нитного меридиана. В основу исследования положена идея, изложенная в работе (Гохберг М.Б., Похотелов O.A., Троицкая В.А. Докл. АН СССР, 1976, Т.229, N 3, С. 587.), согласно которой пространственная структура геомагнитных колебаний, отражающая узлы и пучности стоячей магнитозвуковой волны в области, ограниченной ионосферой и магнитопаузой, может вследствие неоднородности среды с помощью А волн вдоль геомагнитного поля проецироваться на земную поверхность и наблюдаться вдоль геомагнитного меридиана.

В разделе по данным наземных наблюдений геомагнитных пульсаций вдоль геомагнитного меридиана отделены собственные колебания магнитосферы. Для этого привлечены синхронные наземные наблюдения геомагнитных пульсаций Рс. 3-5 вдоль геомагнитного меридиана (Баранский JI.H.), которые позволяют установить для МГД колебаний ' зависимость пространственного масштаба в распределении амплитуд от регистрируемого периода пульсаций. Изучено поведение этой зависимости от индекса магнитной активности Кр. связанного с размерами магнитосферы. Проанализирована связь величин периодов колебаний с параметрами солнечного ветра и модуля ММП.

Исследование показало немонотонное, с изменением индекса магнитной активности, изменение наклона линейной зависимости пространственного масштаба в распределении интенсивности собственных колебаний магнитосферы, регистрируемых вдоль геомагнитного меридиана, от их периода. Такая особенность является основой для выделения внутримагнитосферных колебаний из всего спектра регистрируемых пульсаций и согласуется с движением максимума в распределении внутримагнитосферной альвеновской скорости при изменении уровня магнитной активности. Рассмотренные колебания могут быть использованы для диагностики структуры поля скоростей альвеновских волн в магнитосфере Земли.

В разделе 5.5 и работе [37] рассмотрено влияние неоднородной маг-нитосферной конвекции на условия распространения косых А волн. Рассмотрены закономерности рефракции и отражения А волн от не. однородного потока магнитосферной плазмы.

Под действием электрического поля в магнитосфере в общем случае возникает неоднородная конвекция. При распространении А волн ' в неоднородном потоке, наряду с простым изменением их групповых скоростей, происходит эволюция волновых векторов и имеет место эффект уже отмеченный выше в разделе 2.2. В данном случае его результат можно интерпретировать как отражение и преломление падающей волны. Важность этого процесса объясняется тем, что условия удержа-

ния энергичных протонов в радиационных поясах и тонкая структура высыпания частиц в авроральную ионосферу во многом определяется косыми А волнами со сравнительно мелкими поперечными масштабами (Распопов О.М., Черноус CA., Ролдугин В.К., Похотелов O.A. Пульсирующие потоки частиц в магнитосфере и ионосфере. JL: "Наука", 1978, 240 е.).

Рассмотрение линейной трансформации А волн выполнено на основе расчетных операций, аналогичных представленным в разделе 2.2. Найдены коэффициенты линейной трансформации, т.е. коэффициенты отражения и преломления, и условия значительного отражения косых А волн. Установлено, что наличие конвективного потока существенно влияет на распространение А волн в авроральной ионосфере.

В Заключении перечислены основные результаты диссертации и сделан принципиальный вывод о возможности проникания УНЧ волн из космического пространства в магнитосферу Земли, что является необходимым условием для использования рассматриваемых волн в методах дистанционной диагностики околоземной среды.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

В диссертационной работе решена важная комплексная научная проблема переноса низкочастотных возмущений от локального корональ-ного источника в земную магнитосферу, включая построение адекватной спутниковым наблюдениям картины распределения поля возмущений в околоземном пространстве. Предложены новые методы диагностики параметров межпланетной среды.

1. Рассмотрены особенности рассеяния МГД волн на стационарных неоднородностях концентрации и магнитного поля в солнечном ветре.

а). Исследовано рассеяние волн Альвена в другие типы МГД волн на неоднородностях плотности и магнитного поля, существующих в солнечном ветре как неизотермической магнитоактивной плазме. Отмечен резонансный характер рассеяние в медленные магнитозвуковые и альвеновские волны. Вычислены резонансные мощности изучаемых волн, излучаемых неоднородностью как вторичным источником.

б). Получены зависимости резонансно рассеиваемой мощности альве-новскнх волн от типа неоднородностей, их размеров и ориентации по отношению к внешнему магнитному полю. Решен ряд модельных задач, в которых неоднородности имеют гауссову форму.

в). Вычислен декремент затухания альзеновской волны в результате рассеяния в медленные магнитозвуковые волны на случайных мелкомасштабных неоднородностях. Предложен механизм трансформации

МГД волн на неоднородностях солнечного ветра и ММП. что объясняет экспериментальные данные, свидетельствующие о существенной доле магнитозвуковых колебаний в возмущениях магнитного поля в солнечном ветре.

2. Изучено параметрическое рассеяние альвеновских волн на заданной волновой турбулентности солнечного ветра.

а). На основе экспериментальных данных по наблюдению возмущений среды и .магнитного поля в межпланетном пространстве и выборе модели турбулентности Батчелора, вычислена спектральная плотность энергии турбулентности.

б). Найдены преобладающие процессы взаимодействия и изменения эффективности перекачки энергии заданной волны по трассе. Выяснена зависимость экстинкции альвеновских волн от соотношения масштабов пробной волны и турбулентности. При учете распределения параметров потока плазмы и магнитного поля в солнечном ветре возможно установить сферические слои околосолнечного пространства, ответственные за альвеновские волны тех или иных масштабов, регистрируемые в окрестности Земли. Глубокие слои короны ответственны за принимаемые альвеновские волны больших масштабов, внешние слои - за волны малых масштабов.

■ в). Сопоставление результатов исследования эффективных затуханий вследствие рассеяния альвеновских волн на стационарных неоднород-ностях и параметрического взаимодействия волн, свидетельствует об общности этих процессов: рассеяние альвеновских волн в медленные •магнитозвуковые и альвеновские волны велико в присутствии мелкомасштабных неоднородностсй. Рассеяние в быструю магнитозвуковую

.волну мало.

Выводы пп. 1, 2 важны для объяснения значительной доли магни-тозвуковой возмущенности и распределения характерных масштабов турбулентности в солнечном ветре.

3; Найдены условия и трассы распространения, определена эволюция пространственного спектра альвеновских волн, исходящих от локального коронального источника в неоднородном сверхальвеновском потоке солнечного ветра в геометрикооптическом приближении. В расчетах учтена сферичность солнечного ветра и спиральность ММП.

■ Найдены лучевые траектории волнового пакета для волн с противопо-. ложными по знаку проекциями волновых векторов ("быстрых" и "медленных") на магнитное поле (двойное лучепреломление) и формирование анизотропных угловых спектров.

. 4. Изучено распространение пучка альвеновских волн от источника

в неоднородном сверхальвеновском потоке солнечного ветра с учетом возможности нарушения геометрикооптического приближения.

а). Изложены результаты линейного взаимодействия "быстрой" и "медленной" альвеновских волн и их энергообмена с потоком плазмы в области нарушения приближения геометрической оптики. Изучена зависимость знергообмена от скорости солнечного ветра. Исследована зависимость усиления волн от начального спектра их поперечных масштабов.

б). Рассмотрено прохождение пучка альвеновских волн от локального источника. Определены границы области усиления потока волновой энергии, обусловленного трансформацией между альвеновскими волнами, имеющими разные' групповые скорости. Найдена зависимость амплитуды пучка от скорости солнечного ветра и его температуры.

в). Вычислены коэффициенты рефракции п отражения альвеновских волн от неоднородного потока авроральной магнитосферной плазмы в зависимости от параметров конвекции. Найдены условия значительного отражения косых альвеновских волн.

5. Выяснены новые особенности, связанные с генерацией "быстрого" и "медленного" альвеновских пучков излучателями различных размеров в движущейся плазме. Выяснены условия на размер излучателя и скорость потока, при которых возможна сильная асимметрия в излучении альвеновских пучков двух типов. Получены трассы переноса пучка альвеновских волн переизлучаемых Меркурием, как неоднородностью, а также их длина и время переноса по ним. Рассчитана эволюция формы пучков вдоль трасс.

6. Рассмотрен нелинейный режим распространения МГД волн в движущейся межпланетной плазме. Показано, что снос среды и дисси-пативные процессы являются конкурирующими факторами в отношении устойчивости нелинейных МГД волн. Исследовано формирование ударных фронтов и отмечено образование его осцилляшга с перекачкой энергии потока в медленный магнитный звук. Найденная динамика крупномасштабных магнитных возмущений свидетельствует о генерации альвеновских и магнитозвуковых низкочастотных волн. Полученные результаты могут объяснить значительную долю магнитной возмущенности в солнечном ветре.

Выводы пп. 3-6 важны для решения задачи о локализации источника волн и оценке вклада альвеновских волн в возмушенность солнечного ветра.

7. В МГД и квазигидродинамическом приближениях рассмотрено прохождение низкочастотных волн из солнечного ветра через модель-

ную отошедшую земную ударную волну.

а). В МГД приближении рассмотрено падение пакета низкочастотных волн на земную ударную волну. Получено, что длина проходящего через нее пакета волн с волновыми векторами, направленными против потока в сопровождающей системе координат, уменьшается, а амплитуда - возрастает.

б). В квазигидродинамическом двухжидкостном приближении получена модель структуры ударной волны: пространственные изменения величин магнитного поля, скорости и плотности плазмы в профиле ударной волне характеризуются резкими скачками и оспилляциями. Структура профиля ударной волны исследована при разных условиях в потоке солнечного ветра, величинах и ориентациях ММП. Параметры полученной модельной ударной волны иллюстрируют наблюдения на космических аппаратах.

в). Проанализировано прохождение низкочастотных волн из солнечного ветра в переходную область через модельную структуру ударной волны. На ней происходит образование волновых пакетов. Отмеченные особенности сравниваются с экспериментами по наблюдению волновых явлений на космических аппаратах, пересекающих ударные волны в межпланетном пространстве.

8. Исследовано распространение УНЧ волн в переходной области за земной ударной волной.

а). Исследовано распространение УНЧ волн в переходной области в приближении кинетического уравнения с интегралом столкновений, взятым в модельной форме БГК. Определен тип волн обладающий наименьшим затуханием в переходной области.

б). Рассмотрены эффекты, вызванные рассеянием волн на неоднород-ностях среды переходной области. Дан анализ и физическое объяснение прохождения низкочастотных волн через переходную область, а также изучена зависимость их затухания от частоты столкновения частиц с магнитными неоднородностями. Интерпретирована экспериментальная зависимость амплитуды пульсаций от скорости солнечного ветра с точки зрения их внемагнитосферного происхождения.

в). Изучены нелинейные режимы распространения МГД волн в подсолнечной части переходной области и на ее флангах. Получена пространственно-временная динамика крупномасштабных магнитных возмущений. Эволюция возмущений ведет к волновой трансформации их в магнитный звук и обеспечивает вклад в магнитную возмущенность переходной области. Анализ влияния дисснпативных процессов, определяемых магнитной вязкостью и частотой эффективных столкновений.

свидетельствует о том, что они контролируют форму ударной волны.

Выводы пп. 7-8 принципиальны для подтверждения внемагни-тосферного происхождения части регистрируемых на Земле низкочастотных возмущений.

9. Рассмотрены некоторые виды внутримагнитосферных колебаний, наблюдение и анализ которых имеет отношение к диагностике параметров внутримагнитосферной плазмы.

а). Проанализированы морфологические особенности регистрируемых на геостационарном спутнике колебаний диапазона периодов 50 150 сек с преобладающей осцилляцией в направлении геомагнитного поля и сопровождаемых значительным понижением полной составляющей магнитного поля. Данные о них согласуются с известными результатами о внутримагнитосферных плазменных уплотнениях. Предложен метод диагностики отделившихся от плазмосферы плазменных облаков по записям магнитных вариаций на спутниках Земли.

б). Предложен способ нахождения распределения физических параметров по плазменной конфигурации, для которого структура гидромагнитного возмущения задается известной аналитической функцией.

в). Обнаружено немонотонное от индекса магнитной активности поведение зависимости пространственного масштаба в распределении амплитуд колебаний наблюдаемых вдоль геомагнитного меридиана от их периода. Это отражает немонотонное распределение величины альве-новской скорости в дневной магнитосфере. Колебания рассматриваемого типа могут быть использованы для диагностики структуры поля скоростей альвеновских волн в магнитосфере.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Barkhatov N.A., Bellustin N.S., Feldstein Ya.I. A new mechanism of Alfven wave attenuation in the solar wind. // Program and abstracts XVII IUGG General Assembly, Canberra, 1079, ed. N.Fukushima, Paris, 1979, P. 277.

2. Бархатов H.A. Затухание ультранлзкочастотных волн в солнечном ветре и переходной области. // Препринт N 142, изд.НИРФИ. Горький,1980, 52 с.

3. Бархатов H.A., Беллюстин Н.С. Рассеяние альвеновских волн в межпланетной среде. // Тезисы докладов XIII Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Т.1, Горький, 1981, М.: "Наука", 1981, С. 232.

4. Бархатов H.A., Беллюстин Н.С. Резонансное рассеяние альвеновских волн в солнечном ветре. // Известия ВУЗов "Радиофизика", 1983, Т.26, N 5, С. 519.

5. Бархатов Н.А., Беллюстин Н.С. Резонансное рассеяние альвеновских волн. // Тезисы докладов VI Всесоюзной школы-семинара по ОНЧ излучениям. Звенигород, 1983, ИЗМИР АН, М-: 1983, С. 11.

6. Бархатов Н.А., Беллюстин Н.С. Рассеяние альвеновских волн в солнечном ветре. // Сб. Магнитосферные исследования, N 8, Изд. Междуведомственного Геофизического комитета при Президиуме АН СССР, М.: 1986, С! ИЗ.

7. Бархатов Н.А., Беспалов П.А. Эволюция спектров альвеновских волн-в солнечном ветре. // Известия ВУЗов "Радиофизика", 1988, Т:31, N 2, С. 133.

8. Бархатбв Н.А., Беспалов П.А. Линейное взаимодействие альвеновских волн в солнечном ветре. // Геомагнетизм и аэрономия, 1988. Т.28, N 5, С. 727.

9. Бархатов Н.А., Беспалов П.А. Энергообмен альвеновских волн с потоком солнечного ветра. // Доклады НТ семинара "Космонавтика и экология: концепции и технические решения" Туапсе, 1990, С. 39.

:.-10. Barkhatov N.A., Bespalov Р.А. Influence of geometric: optic violation oil ULF beam transport in solar wind. // IAGA Program and absrac.ts of XX General Assembly IUGG. Vienna, August, 1991, P. 359.

11. Бархатов H.A., Беспалов П.А. Подпитка пучка альвеновских волн солнечным ветром. // Труды конференции "Космонавтика и экология", Туапсе, М.: "Наука", 1991, С. 10.

12. Barkhatov N.A. The propagation of Gaussian Alfven wave beam in the solar wind. // Program and abstracts of International summer school on Space plasma physics june 1993, ed. Thide et.al., Nizhnij Novgorod, Russia - Uppsala - Sweden, P. 41.

13. Бархатов H.A. Перенос пучка альвеновских волн солнечным ветром. // Геомагнетизм и аэрономия, 1994, Т.34, N 2, С. 1.

14. Barkhatov N.A. Transport of Alfven wave beam by sokr wind. // Book of abstracts of 30 th COSPAR Scientific Assembly, Hamburg. Germany, 11-21 July 1994, P. 262.

15. Barkhatov N.A. Transport of Alfven wave beam by solar wind. // Advances in Space Research, 1996, V.17. N.4/5, P. 331.

16. Бархатов H.A., Беллюстин Н.С. Излучение и распространение альвеновских волн в потоке солнечного ветра. // Геомагнетизм и аэрономия, 1995, Т.35, N 4, С. 22.

17. Barkhatov N.A., Belliustin N.S. Nonlinear transformation of solar wind Alfven waves. // Annales Geopliysicae, 1995, P. III. V. 13, P. 662.

18. Barkhatov N.A., Belliustin N.S. Nonlinear interaction of mag-netohydrodynamic waves in the solar wind flow. // The Solar Wind-

Magnetosphere System 2, Edited by П.К. Biernat, G.A. Bachmaier, S.J. Bauer, R..P. Rijnbeek, Österreichische Akademie der Wissenschaften, Wien, 1997 (accepted).

19. Barkhatov N.A., Belliustin N.S. Magnetohydrodynamic wave transformation in solar wind flow. // Annalcs Geophysicae, 1996, P. III, V. 14. P. C732.

20. Бархатов H.A., Беллюстлн H.C. Нелинейная трансформация магнитогидродинамических волн в движущейся плазме. // Известия ВУЗов "Радиофизика", 1996, Т.39, N 5, С. 579.

21. 'Бархатов H.A., Беспалов П.А. О низкочастотных волнах диапазона Ре. 3,4 в солнечном ветре и прохождении их через земную ударную волну. // Сб. Геомагнитные исследования, Вып. 20, М.: "Сов. Радио", 1977, С. 61.

22. Бархатов H.A., Беспалов П.А. Ковнер М.С. О прохождении пакета низкочастотных волн через отошедшую ударную волну. // Геомагнетизм и аэрономия, 1977, Т.17, С. 16.

23. Barkhatov N.A. Low-frequency transversal wave on solar wind shock structure within two-fluid model. // The Solar Wind-Magnetosphere System 2, Edited by H.K. Biernat, G.A. Bachmaier, S.J. Bauer, R.P. Rijnbeek. Osterreichische Akademie der Wissenschaften, Wien, 1997 (accepted).

24. Barkhatov N.A., Kiselev A.K., Pronin N.N. Modulation and transformation of low-frequency solar wind waves on model bow shock structure. // Annales Geophysicae, "l996, P. III, V. 14, P. C752.

25. Бархатов H.A. Об одной интерпретации зависимости активности Рс 3,4 от скорости солнечного ветра. // Геомагнетизм и аэрономия, 1977, Т.17, С. 767.

26. Бархатов H.A. Затухание ультранизкочастотных волн в переходной области. // Геомагнетизм и аэрономия, 1982, Т.22, С. 819.

27. Barkhatov N.A., Belliustin N.S. Low frequency wave dynamics in Earth's magnetosheath. // Annales Geophysicae, 1996, P. III, V. 14, P. C725.

28. Бархатов H.A., Беллюстин H.C. Динамика ультранизкочастотных волн в переходной области. // Геомагнетизм и аэрономия, 1997, Т.37 (в печати).

29. Бархатов H.A., Беспалов П.А. Диагностика плазменных уплотнений по записям магнитного поля на геостационарном спутнике. // Геомагнетизм и аэрономия, 1978, Т.18, С. 144.

30. Бархатов H.A. Собственные колебания внутримагнитосферных плазменных облаков. // Тезисы докладов IV Всесоюзного семинара по ОНЧ излучениям. Изд. Междуведомств.Геофизического комитета,

Тбилиси, 1978, С. 76.

31: Бархатов H.A. О поверхностных волнах диапазона Рс 4 на отделившейся плазмосферной плазме. // Тезисы докладов IV Всесоюзного семинара по ОНЧ излучениям. Изд. Между ведомств. Геофизического комитета, Тбилиси, 1978, С. 79.

32. Бархатов H.A. Собственные колебания внутримагнитосферных плазменных облаков. // Геомагнетизм и аэрономия, 1979, Т.19, С. 298.

33. Бархатов H.A. Проявление динамики магнитосферной плазмы в геомагнитных пульсациях. // Тезисы докладов Симпозиума КАПГ по солнечно- земной физике, Ашхабад, 1979, М.: "Наука", 1979, С. 56.

34. Бархатов H.A., Беспалов П.А. Условия существования заданных электромагнитных колебаний в тороидальной плазменной конфигурации. // Тезисы докладов Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитных волн с плазмой, Душанбе, 1979, С. 228.

, 35. Бархатов H.A., Беспалов П.А. МГД колебания плазменной конфигурации тороидальной формы со специальным распределением физических параметров. // Магнитная гидродинамика, 1979, N 3, С. 54.

36. Бархатов H.A. К вопросу о выделении собственных колебаний магнитосферы. // Геомагнетизм и аэрономия, 1989, Т.29. N 2. С. 316.

37. Бархатов H.A., Беспалов П.А. Отражение альвеновских волн от конвективного потока авроральной плазмы. // Труды Всесоюзного совещания "Геофизические явления и авроральной зоне", Иркутск. 1988. С. 5.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ.

I. ТРАНСФОРМАЦИЯ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ВОЛН В ПЛАЗМЕ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА.

1 1.1. Резонансное рассеяние альвеновских волн.

1.2. Рассеяние альвеновской волны на неоднородностях плотности.

1.3. Рассеяние альвеновской волны на магнитных неоднородно-• стях.

1.4. Параметрическое взаимодействие магнитогидродинамических

волн.

II. ПЕРЕНОС МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ВОЛН В ДВИЖУЩЕЙСЯ ПЛАЗМЕ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА.

2.1. Эволюция спектров альвеновских волн.

2.2. Линейное взаимодействие альвеновских волн в потоке солнеч-

ного ветра.

'2.3. Перенос пучка альвеновских волн солнечным ветром.

2.4. Излучение п распространение альвеновских волн в потоке солнечного ветра.

2.5. Нелинейное преобразование магнитогидродинамических волн в движущейся замагниченной плазме типа солнечного ветра.

III. МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ НА УДАРНЫХ ФРОНТАХ МЕЖПЛАНЕТНОГО ПРОСТРАНСТВА.

3.1. Прохождение пакета низкочастотных волн через отошедшую ударную волну.

3.2. Модельная стационарная структура ударной волны.

3.3. Преобразование низкочастотных волн на профиле ударного фронта.

IV. МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ПЕРЕХОДНОЙ ОБЛАСТИ.

4.1. Просветление переходной области для ультранизкочастотных волн.

4.2. Рассеяние низкочастотных волн на неоднородностях переходной области.

4.3. Динамика низкочастотных возмущений в переходной области.

V. ОСОБЕННОСТИ НЕКОТОРЫХ ВНУТРИМАГНИТОСФЕРНЫХ КОЛЕБАНИЙ.

5.1. Диагностика плазменных уплотнений по записям магнитного поля на геостационарном спутнике.

5.2. Собственные колебания внутримагнитосферных плазменных облаков.

5.3. МГД колебания тороидальной плазменной конфигурации со специальным распределением физических параметров.

5.4. Выделение собственных колебаний магнитосферы.

5.5. Отражение альвеновских волн от конвективного потока ав-роральной плазмы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.