Структура потоков солнечного ветра в межпланетной среде и в области взаимодействия с магнитосферой земли тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

* .

о ш о_

С-...

•«Ж IV.

российская академия наук институт космических исследований

' На правах рукописи

Аванов Левон Альбертович

СТРУКТУРА ПОТОКОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА В МЕЖПЛАНЕТНОЙ СРЕДЕ И В ОБЛАСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С МАГНИТОСФЕРОЙ ЗЕМЛИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

01.03.03 - гелиофизика и физика солнечной системы

Москва, 1995

♦ 4 V

Работа выполнена в Институте космических исследований РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Ерошенко Е.Г. (ИЗМИРАН)

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

ядерной физики МГУ Защита диссертации состоится " \1 " 1995г. на заседании

специализированного Ученого совета К 002.94.01 Института космических исследований РАН по адресу. г.Москаа, ул.Профсоюзная д.84/32.

Автореферат разослан

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН Ученый секретарь Совета

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

профессор Вайсберг О.Л.

кандидат физико-математических наук Ефимов АИ-(ИРЭ РАН)

Д.В.Титов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Солнечный ветер является одним из основных агентов, передающих возмущения от Солнца к Земле. Изменения характеристик плазмы и магнитного поля солнечного ветра, определяемые условиями на Солнце, оказывают непосредственное влияние на магнитосферу и атмосферу Земли и, как следствие, на многие стороны человеческой деятельности. Так, известны случаи выхода их строя дальних линий электропередач из-за больших токов, индуцированных * в них при сильных магнитных возмущениях. В последнее время накапливаются данные о возможных влияниях межпланетных и магнитосферных возмущений на атмосферу Земли.

Характеристики солнечного ветра определяются свойствами источника - солнечной короньг, которая, в свою очередь, является частью атмосферы Солнца. Исследования солнечного ветра являются одним из средств изучения Солнца и его активности.

Наконец, солнечный ветер является уникальной физической лабораторией, позволяющей исследовать поведение

бесстолкновительной плазмы в естественных условиях, когда, в отличие от лабораторной плазмы, на нее не оказывают влияния стенки лабораторной установки. Одним из наиболее ярких и важных примеров плазменных явлений, которые могут плодотворно исследоваться в космических условиях, являются бесстолкновительные ударные волны, в частности, околоземная ударная волна.

Структуры солнечного ветра на разных временных масштабах определяются характеристиками источника - солнечной короны, и, в меньшей степени, условиями распространения и взаимодействиями в межпланетной среде. Флуктуации солнечного ветра, в зависимости от их масштаба, также оказывают воздействие на магнитосферу Земли, причем крупномасштабные структуры оказывают влияние на крупномасштабную

динамику магнитосферы, а мелкомасштабные вариации влияют на процессы переноса энергии в геомагнитосферу. В частности, магнитный хвост Земли, который служит одним из основных резервуаров энергии, накопленной в магнитосфере, в большой мере контролируется характером взаимодействия с солнечным ветром, и изучение явлений в хвосте магнитосферы играет большую роль в изучении характера влияния солнечного ветра на околоземное космическое проЬтранство.

Таким образом, актуальность выбранной темы обуславливается как большим научным интересом, который вызывает солнечный ветер как естественная плазменная лаборатория и как продолжение солнечной атмосферы, так и исключительно большой ролью, который солнечный ветер играет как передаточный механизм солнечно-земных связей. Это потверждаегся тем большим интересом, которым пользуется солнечный ветер у научной общественности и той большой долей, которой проблемы, связанные с солнечным ветром, занимают в проектах основных космических Агенств.

Цели.и.зшчи .работы,

Целью данной работы являлось исследование характеристик солнечного ветра и его влияния на геомагнитосферу, в частности, изучение структуры солнечного ветра на разных временных масштабах, поиск фрактальных закономерностей в параметрах солнечного ветра, исследование. различных особенностей поведения плазмы солнечного ветра в магнитослое (переходной области) магнитосферы, и изучение крайне разреженной плазмы в долях хвоста магнитосферы Земли. Эта работа включала в себя:

разработку методов обработки и анализа измерений энергетических спектров, потока ионов, с целью определения параметроЬ плазмы;

- исследование временных рядов параметров солнечного ветра различными методами, включая фрактальный анализ;

- исследование процессов взаимодействия и перемешивания на границе двух потоков в солнечном ветре;

- исследование флуктуаций параметров плазмы магнитослоя, турбулизованной на фронте околоземной ударной волны;

- исследование энергетических спектров на основе неселективных и селективных измерений ионов в северной доле хвоста, с целью выяснения характеристик источника ионов, заселяющих долю хвоста; объясенение наблюдаемых сильных вариаций скорости (энергии) плазмы.

Научная новизна работы.

Впервые проведено исследование вариаций параметров ионных компонент солнечного ветра в широкой временной шкале - от нескольких секунд до нескольких суток, что дало возможность получения дополнительных сведений о динамических процессах в солнечном ветре и об условиях выхода ионов из солнечной короны.

По скоростным измерениям интегрального потока солнечного ветра (с частотой измерения 50 Гц) показано, что флуктуации потока связаны с флуктуациями плотности, а не скорости.

На основе измерений энергетических спектров солнечного ветра с высоким временным разрешением показано, что на границе двух потоков с разными скоростями происходит сильная турбулизация и перемешивание плазмы. Показано, что спектр турбулентности вблизи границы двух потоков является колмогоровским, а минимальный размер ячейки составляет ~ 5000+6000 км. Минимальная толщина границы между двумя потоками составляет величину < 1000 км, т.е. не более 10 характерных значений гирорадиуса протонов. Обнаружено перемешивание плазмы двух граничащих потоков.

Полученный фрактальный спектр длин скорости, рассчитанный по временному ряду скорости протонов солнечного ветра, имеет

различные наклоны для разных временных масштабов. Это свидетельствует о мультифрактальном поведении солнечного ветра.

На основе измерений энергетических спектров ионов солнечного ветра в переходной области (включая селективные измерения протонов и а-частиц) установлено, что флуктуации энергетических спектров и гидродинамических параметров ионов в переходной области на порядок величины превышают соответствующие вариации в солнечном ветре; при этом соотношение между скоростями протонов и а-частиц заметно отличается от подобных соотношений в солнечном ветре. В большинстве случаев скорость "ядра" функции а-частиц заметно выше, чем скорость "ядра" функции распределения протонов, что объясняется их различным торможением при прохождении потенциального барьера на фронте ударной волны.

По анализу разреженной плазмы в доле хвоста магнитосферы впервые оценен энергетический спектр источника, расположенного в узкой области вблизи каспа. Большие вариации скорости ионов с периодом порядка часа накладываются на общий тренд уменьшения скорости ионов при движении от высокоширотной магнитопаузы к плазменному слою.

Обнаружено, что эти вариации хорошо коррелируют с изменением АЕ индекса, и показано, что наиболее вероятной причиной этих вариации является.изменение электрического поля в полярной шапке.

Научная и практическая ценность работы.

• Полученные в диссертации результаты могут быть использованы для решения ряда проблем космической физики, а именно, в приложении к задачам переноса возмущений от солнечной короны посредством солнечного ветра к Земле их влияния на геомагнитосферу. Результаты исследований в магнитосле (переходной области) и в северной доле хвоста магнитосферы представляют самостоятельный

интерес и могут быть использованы для исследования процессов диссипации на бесстолкновительной ударной волне и для уточнения модели магнитосферы Земли.

Личный вклад автора.

Автор разрабатывал алгоритмы и программы обработки экспериментальных данных, а также непосредственно участвовал в:

- получении результатов физической обработки;

- анализе полученных результатов и их интерпретации в приложения к изучению структуры потоков солнечного ветра,

. потоков плазмы в переходной области и потоков разреженной плазмы в сверной доли хвоста магнитосферы.

Аппробапии работы.

Основные результаты, приведенные в диссертации были доложены

на:

- 6-ой научной сессии 1АОА, Эксетер, Великобритания, 1989г.;

- VII БТР-Бутровшт, Гаага, Нидерланды, 1990г.

- XXVII сессии КОСПАР, Гаага, Нидерланды, 1990г.

- XVIII генеральной сессии Европейского Геофизического союза, Висбаден, Германия, 1993г.;

- на XXX сессии КОСПАР, Гамбург, Германия, 1994г.;

Объем работы. Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения. Она содержит страниц, 42 рисунков и 2 таблицы. Библиография включает 70 наименований

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 10 работ, список которых приведен в конце автореферата.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении формулируются цели и задачи, решаемые в данной работе, их актуальность; дается краткое содержание диссертационной работы.

В первой главе содержится описание условий проведения плазменных экспериментов на высокоапогейном спутнике Прогноз-8. Спутник Прогноз-8 был выведен на орбиту Земли 25.12.81 г. с высотой апогея « 200000 км. и высотой перигея 550 км, с наклонением орбиты 65°. Период обращения спутника вокруг Земли составлял « 96 часов. Спутник Прогноз-8 был запущен в вечерний сектор, т.е. начальный угол между линией апсид и направлением на Солнце составлял « 90°. Спутники серии Прогноз имеют одноосную стабилизацию. Стабилизация спутника в пространстве осуществлялась вращением аппарата вокруг оси, направленной на Солнце, с периодом обращения »120 с.

Для решения экспериментальных задач, связанных с изучением быстрых процессов в плазме солнечного ветра, на спутнике Прогноз-8 был установлен советско-чехословацкий плазменный спектрометр Монитор. В состав Монитора входили два идентичных электростатических анализатора цилиндрического типа. Ось зрения одного из анализаторов направлена на Солнце, тогда как у другого отклонена от этого направления на 7°. В качестве детекторов ионов использовались вторичные электронные умножители открытого типа. Угол, зрения каждого анализатора составлял 3° (полная ширина на половине высоты), геометрический фактор 1.1-Ю4 см2,ср. В приборе Монитор проводилось непрерывное измерение энергетических спектров ионов обоими анализаторами синхронно за время 1.36с со сканированием в диапазоне энергий 0.16 + 4.2 кэВ/заряд, логарифмически эквидистантно разделенном на 32 ступени. Кроме этого, для измерения интегрального потока ионов, а также определения

направления прихода потока плазмы, в состав прибора Монитор входил трехколлекторный цилиндр Фарадея, секторы которого имели угловые диаграммы с осями, отклоненными от Солнца на 15° и эквидистантно распределенными по азимутальному направлению. Ширина суммарной угловой характеристики (по трем коллекторам) составляла ± 55°, а форма ее подобрана таким образом, что в пределах ±20° от оси датчика суммарный ток трех коллекторных секторов почти не зависел от угла прихода частиц.

В состав аппаратуры спутника Прогноз-8 также входил плазменный спеюрометр СКС-04. СКС-04 представлял собой многоканальный комбинированный спектрометр, предназначенный для измерения энергетических и угловых распределений ионной и электронной компоненты плазмы, а также селективных измерений энергетических спектров протонов и а -частиц. Оси зрения одного из неселективных анализаторов и двух селективных анализаторов были направлены на Солнце, тогда как оси зрения двух других неселективных анализаторов были отвернуты от этого направления на ~ ±7.5° . Электростатические анализаторы спектрометра СКС-04 одновременно проводили измерения энергетических спектров ионов в диапазоне энергий от 0.23 до 4.6 кэВ/заряд. Энергетический диапазон был разбит на 24 логарифмически эквидистантно расставленных ступени. Время измерения скорости счета на отдельной энергетической ступени составляет 10.24 с, так что полное время измерения одного энергетического спектра составляет 4 мин.

Далее в первой главе подробно описана процедура обработки энергетических спектров с целью определения гидродинамических параметров плазмы.

Вторая глава посвящена исследованию изменчивости ионных комопенет плазмы солнечного ветра на разных временных маштабах. Из

исследования крупномасштабных вариаций В солнечном ветре (в масштабе времени от нескольких месяцев до нескольких суток) следует, что средняя постоянная, времени составляет ~ 60 часов, а также наблюдаются рекуррентные структуры с периодом 27 суток. Это означает, что корональные области, ответственные за происхождение солнечного ветра с относительно постоянной скоростью, имеют долготную протяженность1- около 30° и могут существовать в течение нескольких вращений Солнца. Наклон спектров мощности флуктуаций (в диапазоне от нескольких суток до нескольких минут) скоростей протонов и а-частиц, концентрации и межпланетного магнитного поля оказывается, в среднем, одинаков для всех параметров с показателеем степени 3 + 5 для низкочастотной области спектров (10-5+10"4 Гц) и 0.3+1 для высокочастотной области спектров (10_4+10-3 Гц). Уровень флуктуаций на низких частотах можно считать характеристикой корональных структур, генерирующих солнечный ветер, потому что период флуктуаций сравним со временем распространения.

Уменьшение крутизны энергетических спектров в области частот 10'3+10-4 Гц может быть связано со свойствами источника флуктуаций, но мы предпологаем, что более вероятным является то, что спектр формируется посредством частотно-зависимого затухания флуктуаций. В этом случае особенности спектра мощности в области частот Ю'МО*1 Гц, по всей видимости, связаны с турбулентными процессами в солнечном ветре.

Далее подробно рассмотрены данные по измерениям энергетических спектров с высоким временным разрешением. Показано, что в исследуемый период времени плазма солнечного ветра состоит из двух разноскоростных потоков и что на границе двух потоков с разными скоростями, отличающимися на приблизительно 50 км/с и имеющими разное направление, и температурами,, отличающимися в ~ 2 раза, происходит сильная турбулизация и перемешивание плазмы.

Высокоскоростной поток движется из области, лежащей заметно ниже плоскости эклиптики. Переход с одного режима течения плазмы на другой зачастую происходит за время измерения одного энергетического спектра, т.е. за время порядка 1 с. Показано, что минимальный размер границы между двумя потоками составляет величину < 1000 км, т.е. не более 10 характерных значений гирорадиуса протонов.

Получен фрактальный спектр длин, расчитанный по временному ряду скорости протонов солнечного ветра, длительность которого составляет приблизительно 1 месяц, с временным разрешением 3.5 минуты. Спектр имеет различные наклоны для разных временных масштабов, что свидетельствует о мультифрактальном поведении солнечного ветра и хорошо согласуется с моделью солнечного ветра, основанной на фрактальном распределении силовых трубок магнитного поля в фотосфере Солнца.

В третьей главе приводятся результаты исследования динамики плазмы в магнитослое (переходной области). Показано, что главное отличие функции распределения ионов плазмы в переходной области от функции распределения в невозмущенном солнечном ветре связано с тем, что она испытывает существенную-деформацию после прохождения плазмы солнечного ветра через головную ударную волну. Энергетическое распределение ионов в переходной области может быть разделено на три основные части: "ядро" функции распределения, "плечо" и "хвост".

Флуктуации энергетических спектров и гидродинамических параметров ионов в переходной области на порядок величины превышают соответствующие вариации в солнечном ветре; при этом соотношение между скоростями протонов и а-частиц заметно отличаются от подобных соотношений в солнечном ветре. В большинстве случаев скорость ядра функции а-частиц заметно выше,

чем скорость ядра функции распределения протонов, что объясняется их различным торможением при прохождении потенциального барьера на фронте ударной волны.

Четвертая глава посвящена исследованию разреженной плазмы в северной доле хвоста магнитосферы Земли, проведенному на основе длительных измерений с помощью плазменного комплекса СКС-04. Благодаря большому времени измерения энергетических спектров, составлявшему 4 минуты, чувствительности ионных, анализаторов был о достаточной, чтобы надежно регистрировать эту разреженную плазму. Сравнительный анализ энергетических спектров ионов, измеренных селективными и неселективными анализаторами показал, что регистрируемая плазма не является ни протонной, ни гелиевой, что позволило сделать вывод о том, что эта плазма вероятней всего состоит из ионов кислорода ионосферного происхождения, плотность которого меняется в пределах от 4-Ю"3 до I см 5. При движении спутника вглубь хвоста средняя скорость ионов уменьшается, что объясняется действием геомагнитного фильтра скоростей, обусловленного движением частиц в скрещенных электрическом и магнитном полях.

На общий тренд уменьшения скорости по мере продвижения от магнитопаузы к плазменному слою накладываются существенные временные вариации энергии и концентрации ионов с периодом порядка I часа. Сравнительный анализ вариаций энергии направленного движения ионов с одновременными измерениями магнитного поля в солнечном ветре для рассматриваемого интервала измерений по данным 1МР-8 показал, что в магнитном поле солнечного ветра не наблюдаются вариаций, которые можно было бы непосредственно скоррелировать с вариациями энергии' ионов. Однако, эти вариации энергии хорошо коррелируют с изменением АЕ индекса. Расмотрение возможных причин наблюдаемых вариаций позволяет придти к выводу, что они

могут быть объяснены изменением величины электрического поля конвекции.

1. На основе измерений энергетических спектров на границе двух потоков в солнечном ветре высоким временным разрешением показано что:

- спектр турбулентности вблизи границы двух потоков является колмогоровским,

- минимальный размер ячейки составляет ~ 5000-г-6000 км,

- толщина границы, разделяющий два потока составляет <1000 км, т.е. не более 10 характерных значений гирорадиуса протонов

- показано, что на этой границе происходит перемешивание двух потоков;

- на малых временных масштабах, порядка секунд, флуктуации интегрального потока солнечного ветра обусловлены флуктуациями плотности плазмы.

2. Фрактальный анализ временного ряда скорости протонов показывает, что спектр фрактальных длин имеет разные наклоны и, соответственно, разные фрактальные размерности на разных временных масштабах, что свидетельствует о мультифрактальном поведении солнечного ветра на гелиоцентрическом расстоянии равном 1 А.Е. Найденная мультифрактальность хорошо согласуется с моделью солнечного ветра, основанной на фрактальном распределении силовых трубок магнитного поля в фотосфере Солнца.

3. Анализ селективных измерений протонов и а -частиц в переходной области показал, что:

приведены основные результаты диссертационной

работы.

- энергетическое распределение ионов, установившееся за фронтом ударной волны на сравнительно коротком расстоянии (несколько сотен километров) остается почти неизменным на всем протяжении магнитослоя (десятки тысяч километров), т.е. какого-либо выравнивания между "ядром" функции распределения и ее частями (или термализацик функции распределения) не происходит;

- флуктуации энергетических спектров и гидродинамических параметров ионов в переходной области на порядок величины превышают соответствующие вариации в солнечном ветре;

4. Анализ крайне разреженной плазмы, регистрируемой в доле хвоста магнитосферы, показал, что:

- наблюдаемая плазма вероятней всего состоит из ионов 0+ ионосферного просихождения;

- наблюдаемый узкий энергетический спектр ионов свидетельствует о локализованном источнике этой плазмы, однако, рассчитанный в работе энергетический спектр источника, предположительно находящегося в области каспа, весьма широк;

- наблюдаемые большие временные вариации скорости с периодом порядка одного часа тесно коррелируют с вариациями АЕ индекса;

- эта корреляция и большая величина временных вариаций скорости обусловлены, в основном, изменением величины электрического поля в полярной шапке.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Л.А.Аванов, Г.Н..Застенкер, ОЛ.Вайсберг, Наблюдение мелкомасштабной структуры солнечного ветра на фронте резкого возрастания скорости потока плазмы. Космич.исслед., 1984, т.22, вып.5, с.774-779.

2. L.Avanov, A.Leibov, Z.Nemecek, J.Safrankova, O.Vaisberg, Yu.YermoIaev, Q.Zastenker, Fast measurements of solar wind parameters by the Monitor instrument, in: Intershock Project, ed. S.Fisher, Publ. No.60 of the Astronomical Institute, Ondrejov, 1985, p.60-72

3. Avanov L., Borodkova N., Nemecek Z., Omeltchenko A., Safrankova J„ Skalski A., Yermolaev Yu., Zastenker O., Some features of solar wind protons, alpha particles and heavy ions behavior: the Prognoz 7,8 experimental results, Czech. Journ. of Physics, ser. B, No, pp. 759-774, 1987.

4. И.В.Чашей, Т.Д.Шишова, Л.А.Аванов, Спектры флуктуаций плотности межпланетной плазмы по измерениям на спутнике Прогноз-8, Космические исследования, T.XXVI, 2, с.289-297, 1988.

5. G.N.Zastenker, Yu.I.Yermolaev and L.A.Avanov, Variation of Solar wind protons and heavy ion fluxes: Prognoz-7,8 and 10 observations, Abstracts, 6th Scientific assembly, IAGA Bullleten N53, Exeter, UK, p.269,1989.

6. Zastenker G., Avanov L., Yermolaev Yu., Bochsler P., Nemecek Z., Safrankova J., Variability of coronal structures and ion components in the solar wind, Czech. J. Phys., v.4I, No.10, pp. 1001-1008, 1991.

7. G.N.Zastenker, L.A.Avanov, N.Borodkova, Z.Nemecek, O.Vaisberg, Yu.YermoIaev, Magnetosheath plasma dynamics, Abastracts, XX General Assembly IUGG (IAGA), Viena, Austria, p.478, 1991.

8. Г.Н.Застенкер, Л.А.Аванов, Н.Л.Бородкова, Ю.Юхневич, Динамика плазмы в магнитослое. 1. Поведение основных ионных компонентов. Космич. исслед., т.31, 4, с.235-245, 1993

9. L.A.Avanov, G.N.Zastenker, Search of fractal regularity in the solar wind plsama, Abastracts, XVII Genaeral Assembly meeting, ST7, Wiesbaden, Germany, p. 110, 1993.

10. O.L.Vaisberg, L.A.Avanov, J.L.Burch and J.H.Waite, Measurements of • plasma in the-magnetospheric tail lobes. Abstracts, 30th COSPAR Scientific

Assembly, p.202, 1994.

055(02)2 Ротапринт ИК.И PAH

Москва, 117810, Профсоюзная 84/32

Подписано к печати 30.03.95.

Заказ 87 формат 70x108/32 Тираж 100 0,6уч.-изд.л