Тепловые ионы полярной ионосферы и магнитосферы тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

ЗИНИН Леонид Викторович

ТЕПЛОВЫЕ ИОНЫ ПОЛЯРНОЙ ИОНОСФЕРЫ И МАГНИТОСФЕРЫ: ИЗМЕРЕНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Iг"сиіи

Москва-2013

005538432

005538432

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО Балтийский федеральный университет им. И. Канта

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой информатики МФТИ Петров Игорь Борисович

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН Сасоров Павел Васильевич

доктор физико-математических наук, профессор кафедры телекоммуникационные системы Иркутского государственного университета путей сообщения Попов Георгий Васильевич

Ведущая организация: Институт космических исследований РАН

Защита состоится 5 декабря 2013 года в 11 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.024.03 при Институте прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН по адресу: Москва, 125047, Миусская пл., 4, корп. «А»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПМ им. М.В.Келдыша

РАН.

Автореферат разослан

13 года

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 002.024.03 доктор физико-математических наук

Змитренко Н.В.

Диссертация содержит результаты математического моделирования и экспериментальных исследований макропараметров тепловой плазмы полярной ионосферы и магнитосферы, проведенных на основе разработанных моделей среды, взаимодействия плазмы и спутника и данных отечественных космических аппаратов «Ореол-3» и «Интербол-2».

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Исследование движений тепловых ионов в магнитосфере, процессов оттока ионосферных ионов в магнитосферу является одной из важнейших задач физики ионосферно-магнитосферных взаимодействий. В настоящее время основным механизмом выноса легких тепловых ионосферных ионов Н+ и Не+ в магнитосферу считается так называемый полярный ветер, стационарная теория которого была предложена в 1968-1969 гг. Бэнксом и Холзером, в последующие четыре десятилетия эта теория развивалась и уточнялась. Были разработаны модели, в основе которых лежало не только гидродинамическое приближение, но и кинетическое, квазикинетическое, 13-моментное приближения. Существуют модели, основанные на методах Монте - Карло и крупных частиц, однако основные принципы, положенные в основу гидродинамической модели полярного ветра, оставались неизменными.

Классический стационарный полярный ветер на больших высотах представляет собой поток легких ионов ионосферного происхождения, движущихся под действием сил амбиполярной диффузии со сверхзвуковыми скоростями вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Величина такого потока для ионов Н+ достигает значения 108 см 2 с"1, а его скорость «20 км с"1 и более на высотах нескольких Более тяжелые

ионы 0+ вследствие гравитационного притяжения в стационарных условиях способны достичь лишь небольших скоростей в несколько десятков метров в секунду. Поэтому считается, что поток ионов за счет классического полярного ветра состоит только из легких ионов Н+ и Не+.

Повышение интереса к процессам выноса ионосферных ионов в магнитосферу произошло в начале 80-х годов. Оно было связано, с одной стороны, с существенным прогрессом в области масс-спектрометрии тепловой плазмы со спутников, что позволило получить ряд экспериментальных фактов, которые не укладывались в рамки стационарной теории полярного ветра. С другой стороны, развитие нового подхода к моделированию системы ионосфера-магнитосфера и появление нестационарных моделей тепловой плазмы в магнитных силовых трубках позволило количественно подойти к описанию таких нестационарных процессов, как "ионный фонтан" в каспе, нагрев и ионизация в авроральном овале, заполнение опустошенной в результате магнитной бури плазмосферной силовой трубки и др.

Экспериментальные данные, полученные в последние годы указали на наличие дополнительных, а в ряде случаев и более эффективных, процессов инжекции ионов (в особенности, ионов 0+) в магнитосферу из высокоширотной ионосферы. Значительные восходящие потоки тепловых ионов 0+, были зарегистрированы еще в 80-х годах на высотах до радиуса Земли на спутнике S3-3 и на высотах до 4 радиусов Земли на спутнике Дайнэмикс Эксплорер, что было затем подтверждено измерениями на спутниках Интербол, Polar и Akebono и других. Они наблюдались преимущественно в каспе и авроральной зоне, т. е. именно там, где различные нестационарные процессы в тепловой плазме (нагрев и ионизация вторгающимися частицами, ускорение продольным и

поперечными электрическими полями, значительные развороты скорости конвекции и т.п.) наиболее характерны. Наши измерения на высотах до 2000 км со спутника Ореол-3 позволили впервые получить характеристики потоков ионов 0+ в области зарождения ионного «фонтана» в каспе и ионного «обвала» в полярной шапке.

Новый этап в исследовании тепловой плазмы полярной магнитосферы связан с международным проектом ИНТЕРБОЛ. Благодаря экспериментальным измерениям со спутника Интербол — 2 удалось решить актуальную задачу - подтвердить существование «классического» полярного ветра и получить его характеристики в около полуночном секторе полярной шапки в летний сезон, исключив из рассмотрения явления, связанными с другими механизмами энергизации и ускорения.

В силу низкой энергии истекающих потоков возникает проблема самих измерений тепловых ионов. На высотах в несколько тысяч километров спутник, как правило, заряжен положительно вследствие фотоэлектронной эмиссии и баланса токов на поверхности спутника. Наличие даже небольшого потенциала существенно искажает измеренную функцию распределения. Особенно это существенно для измерений легких ионов Н+ и Не+. Таким образом, изучение процессов взаимодействия космического аппарата и окружающей плазмы становится отдельной актуальной задачей. Ряд моделей распределения электрического потенциала вокруг спутника предложен в наших работах. Предложены также модели измерений энерго - угловыми масс спектрометрами с учетом потенциала спутника и температурной анизотропии. Вместе с тем, задача в общем виде, с учетом сложной формы спутника и конечного радиуса Дебая еще долгое время будет актуальна.

Цель работы состоит в теоретическом (путем построения математических моделей тепловой плазмы, взаимодействия спутник -плазма, моделей измерений) и экспериментальном (по данным измерений на космических аппаратах) исследовании процессов в тепловой плазме полярной ионосферы и магнитосферы. При этом основное внимание уделялось комплексному подходу к исследованию тепловой плазмы, который включает в себя:

1. Построение математических моделей измерений, которые используются для конструирования приборов и обработки данных.

2. Разработка математических моделей взаимодействия спутник -плазма и пространственного распределения электрических полей вокруг спутника.

3. Экспериментальное исследование полярного ветра и динамики тепловых ионов в каспе и полярной шапке.

4. Построение нестационарной гидродинамической модели полярного ветра и исследование на ее основе различных нестационарных процессов в полярной магнитосфере.

Научная новизна работы.

В диссертации приведены результаты, полученные автором (в ряде случаев с соавторами) в период с 1984 по 2012 год.

1. Впервые были произведены прямые измерения продольных скоростей ионов 0+ со спутника Ореол-3 в области высот полярной верхней ионосферы (400-2000 км). Обнаружено, что в условиях низкой геомагнитной активности существуют локальные области генерации восходящих потоков тепловых ионов 0+ со скоростями 0,3-0,6 км/сек. Характерными областями генерации этих "ионных фонтанов" являются

дневной полярный касп и полярная граница аврорального овала на ночной стороне.

2. Впервые по измерениям со спутника Ореол-3 экспериментально доказано существование области нисходящих потоков ионов 0+ в полярной шапке со скоростями несколько сот метров в секунду на высотах до 2000 км при низкой геомагнитной активности и восходящих потоков при высокой активности.

3. По измерениям со спутника Интербол-2 экспериментально доказано существование «классического» полярного ветра. Измеренные величины потоков и скоростей тепловых ионов Н+ в летней полярной шапке на ночной стороне соответствуют теоретически предсказанным.

4. Построена модель измерений энерго - масс - угловыми спектрометрами с учетом потенциала спутника и температурной анизотропии. Модель использовалась для обработки измерений со спутников Ореол-3 и Интербол-2 и определения режимов работы прибора Гиперболоид. Показано, что наличие температурной анизотропии и положительного потенциала спутника значительно влияет на величину ионных потоков и их угловое распределение.

5. Разработаны модель распределения электрического поля вокруг космического аппарата сложной формы в сильно разреженной плазме и модели взаимодействия заряженного космического аппарата с окружающей плазмой для конечного радиуса Дебая. Получены характерные особенности такого взаимодействия.

6. Разработана семиионная (Н+, Не+, 0+, N2*, 02+, Ж)+) нестационарная гидродинамическая модель тепловой плазмы в магнитной силовой трубке, которая позволила теоретически исследовать динамику тепловых ионов для таких явлений как нестационарный полярный ветер, ионный фонтан в каспе, отток,

вызванный быстрыми конвекционными потоками.

Практическая и теоретическая ценность работы

Полученные в диссертации экспериментальные и теоретические результаты, касающиеся тепловых ионов в полярной верхней ионосфере, важны для понимания процессов заполнения магнитосферы тепловой ионосферной плазмой, формирования таких явлений как полярный ветер, "ионный фонтан" в каспе, продольных пучков ионов при быстрых конвекционных движениях и других факторов взаимодействия полярной ионосферы с магнитосферой. Эти результаты были использованы в ряде хоздоговорных НИР ИКИ РАН и БФУ им. И. Канта. Физические подходы к задачам моделирования нестационарных процессов в высокоширотной силовой трубке, и соответствующие алгоритмы, разработанные в данной диссертационной работе, были использованы при построении модулей пакета прикладных программ АРМИЗ, разработанного в Калининградском госуниверситете (ныне БФУ им. И.Канта) и внедренного в Мировом Центре Данных Б. Полученные результаты могут применяться и для увеличения надежности прогнозирования космической погоды.

Модели взаимодействия космического аппарата с окружающей плазмой и измерений спектрометрами тепловой плазмы могут быть использованы как при проектировании КА и приборов, так и при интерпретации экспериментальных измерений.

Достоверность результатов обеспечивается физически корректной постановкой задач моделирования, обоснованием использованных методов математического моделирования, сравнением результатов моделирования с экспериментальными данными и другими модельными расчетами, сравнением полученных экспериментальных результатов с

экспериментальными измерениями с других космических аппаратов. Апробация и внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы были представлены более чем в 30 докладах на различных научных конференциях и семинарах в нашей стране и за рубежом:

• Всесоюзном семинаре «Актуальные вопросы ионосферно-магнитосферного взаимодействия» (г. Мурманск, 1983г.),

• Всесоюзном семинаре по ОНЧ - излучениям (г.Звенигород, 1983 г.).

• Всесоюзном семинаре по математическому моделированию ионосферных процессов (г. Иркутск, 1984г.),

• Международной конференции по результатам проекта АРКАД-3 (г. Тулуза, 1984 г.).

• Всесоюзном совещании «Полярная ионосфера и магнитосферно-ионосферные связи» (г. Апатиты, 1984 г.).

• Всесоюзном семинаре по моделированию ионосферы (г. Ростов-на-Дону, 1986 г.).

• 10-м семинаре по моделированию ионосферы (г. Казань, 1990)

• Международной конференции «Dynamics of the magnetosphere and its coupling to the ionosphere on multiple scales from INTERBALL, ISTP satellites and ground-based observations», (г. Звенигород, 1999)

• 7-й Международной конференции «Spacecraft Charging Technology Conference», ( Noordwijk, The Netherlands, 2001)

• Конференции COSPAR «Plasma processes in the near-Earth space: Interball and beyond», (Sofia, Bulgaria, 2002)

• Ассамблеях EGS (27-й в Ницце, Франция, 2002, 28-й й в

Ницце, Франция, 2003, 30-й в Вене, Австрия, 2005, 31-й в Вене, Австрия, 2006),

• NATO Advanced Research Workshop «Effects of Space Weather on Technology Infrastructure (ESPRIT)» (Rhodes, Greece, 25-29 March 2003

• Международной конференции памяти Ю. И. Гальперина «Auroral Phenomena and Solar-Terrestrial Relations», (г. Москва, 2003)

• 35-й ассамблее COSPAR (Paris, France, 2004)

• Международной научной конференции, приуроченной к 200-летию со дня рождения К. Г. Якоби (Калининград, 2005)

• 3-й Международной научной конференции «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования» (Воронеж, 2009)

• Международной конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» (Воронеж, 2009, 2012),

а также на семинарах ИКИ РАН, СЕТР (Франция) и БФУ им.И. Канта. Автор являлся руководителем грантов РФФИ 03-02-16749-а, 09-01-00628-а, 10-01-90717-моб-ст, 12-01-00477-а; исполнителем грантов РФФИ 98-01-00222-а, 01-01-00718-а, 04-01-00830-а, 05-01-10019-г, 10-01-05019-6, 11-01-00098-а, 11-01-00558-а, NASA grant JURRISS- NAG-8638. Результаты исследований зарегистрированы в ВНТИЦ (№ госрегистрации 01040002271).

Личный вклад автора

Практически во всех исследованиях, представленных в диссертационной работе, автору принадлежат постановка научной задачи,

разработка методики исследований, проведение обработки данных, проведение вычислительных экспериментов, анализ результатов, их интерпретация.

Благодарности.

Автор выражает благодарность соавторам своих научных работ, сотрудникам ИКИ РАН и БФУ им. И. Канта, французским коллегам из СЕТР которые оказали неоценимую помощь при выполнении этой работы.

Особая благодарность моим учителям Гальперину Ю. И. и Латышеву К. С., без отеческой опеки которых, работа никогда бы не состоялась.

Основные публикации.

По теме диссертационной работы опубликована 71 работа, включая 22 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертаций. Основное содержание диссертации отражено в работах [1-42].

Содержание диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы.

Во введении сформулирована проблематика, актуальность, и цели исследования тепловой плазмы полярной ионосферы и магнитосферы Земли, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе приведен обзор развития представлений о процессах оттока ионосферной плазмы в магнитосферу, рассмотрено современное

состояние проблемы с экспериментальной и теоретической точек зрения.

Рассмотрена классическая стационарная модель полярного ветра, предложенная Бэнксом и Холзером. Обсуждаются результаты, полученные с помощью нестационарных моделей, основанных на кинетическом, гидродинамическом подходе, методе Монте- Карло и крупных частиц.

Второй параграф посвящен обзору экспериментальных измерений тепловой плазмы, полученных с зарубежных спутников Дайнэмикс Эксплорер, Акебоно, Полар и др. и отчественных космических аппаратов Ореол-3 и Интербол-2. Измерения, в целом, показывают повышенное содержание ионов 0+ и указывают на наличие дополнительных механизмов ускорения ионов.

Во второй главе «Теория масс - спектрометрических измерений тепловой плазмы на космических аппаратах» рассмотрена модель измерений масс — энерго — угловых спектрометрами.

Анализ и обработка масс-спектрометрических измерений тепловой плазмы с космических аппаратов требует построения математической модели прибора, которая позволяет получать количественную зависимость измеряемых ионных потоков от значений макропараметров тепловой плазмы (относительной скорости плазмы и спутника, температуры, показателя анизотропии, концентрации ионов). Математическая модель определяется конструктивными особенностями прибора, а также включает основные свойства окружающей плазмы и потенциала спутника, влияющие на траектории ионов перед входом в апертуру прибора.

Хорошо известно, что положительный заряд спутника в несколько вольт и более (что весьма типично для освещенного Солнцем высотного спутника, если не принято мер по компенсации заряда) может существенно

исказить измерения ионов и значительно затруднить их анализ, поэтому учет потенциала спутника в таких математических моделях является обязательным.

В рассматриваемой математической модели предполагается, что заряженный спутник с потенциалом иш окружен тепловой анизотропной плазмой с показателем анизотропии а,. Векторная сумма скорости спутника и потоковой скорости плазмы дает скорость V плазмы относительно спутника. Схематично, прибор, регистрирующий заряженные частицы по одному из направлений, представляет собой детектор, имеющий цилиндрический коллиматор с углом раствора 2а. Направление оси коллиматора обозначим через со (вектор направлен от входа коллиматора к детектору перпендикулярно плоскости входного окна). В коллиматоре приложен потенциал V (для общности, будем полагать, что потенциал и может быть как положительным, т.е. "задерживающим", так и отрицательным, т.е. "ускоряющим"). Прибором регистрируются лишь частицы, достигающие детектора без соударений со стенками коллиматора.

В данной главе рассмотрена анизотропная бимаксвелловская функция распределения тепловых ионов. Невозмущенная функция распределения, нормированная на концентрацию ионов, имеет вид:

где п - ионная концентрация, а( =-р анизотропия температур,

Экспоненциальную часть анизотропной функции распределения можно записать в виде:

Ґ = п — ЕаЕ,

м

Еа = exp у— ^ sin28 + V2sin2£ — 2v0Vsin 8 sin e eos x)J

E = exp(—p(vQcos 8 — Veos £)2)

В формулах использованы следующие обозначения: Т— температура (перпендикулярная и параллельная, соответственно), m — ионная масса, V— переносная (массовая) скорость ионного потока относительно спутника, к — постоянная Больцмана, v0 - невозмущенная «микро» скорость ионов, a -угол между вектором магнитного поля и скоростью ионного потока V, 8 -угол между магнитным полем и скоростью vQ, х - угол между плоскостью содержащую вектор магнитного поля Н и вектор скорости ионов V и плоскостью Н - со, где со - направление оси детектора прибора.

Ионный поток может быть вычислен как

iv = fvVmaxLf(p,r)v2v4ndv,

^min 1La

здесь f(y, г) - функция распределения на входе в детектор, ííd - телесный угол раствора коллиматора, Vmi„, Vmax - пределы интегрирования по скоростям, v" - компонента скорости частиц, параллельная оси коллиматора, равная

V11 = yjv2n2 - 2д ,

где д = ^ , fj=cos9, U - задерживающий (ускоряющий) потенциал в

коллиматоре. Телесный угол запишем как dü=sind сЮ dtp. Таким образом, выражение для расчета ионного потока можно записать в виде:

271 1 Утах

М

№ = п — а{

I йср I й(г I уг^у^ц2-2дЕЕайв

О Ртт ^тшп

тшп

Пределы интегрирования зависят от траекторий частиц вблизи спутника и внутри коллиматора, которые в свою очередь зависят от знаков соответствующих потенциалов и угла скорости частицы с направлением оси коллиматора. Значение УтЫ зависит от знака к, который, в свою очередь определяется знаком потенциала спутника. Предельные значения параметров интегрирования можно найти, используя уравнения движения частиц в электрическом поле спутника и коллиматора.

Эта модель была использована для моделирования измерений прибора ДИКСИОН (энерго-масс-углового спектрометра тепловых ионов с задерживающим потенциалом), при этом показатель анизотропии был принят равным 1. Были проведены модельные расчеты зависимостей потоков ионов 0+ и Н+ от угла у при нулевом задерживающем потенциале 1¥=/(у) (угловая зависимость) и от задерживающего потенциала \У=/(С!) при у = 0 (энергетическая зависимость). Расчеты выполнялись как в предположении >4, = 0, так и = со, при этом варьировались потенциал спутника и5Ш , относительная скорость плазмы и спутника V, температура ионных компонент плазмы. Полученные модельные зависимости значений ионных потоков были использованы для обработки данных прибора ДИКСИОН.

На борту спутника Авроральный зонд проекта ИНТЕРБОЛ для целей измерения потоков тепловых ионов использовался прибор ГИПЕРБОЛОИД, который является ионным масс-спектрометром способным определять 3-х мерную функцию распределения низкоэнергичных ионов Н+, Не+, О44" и 0+, начиная от энергий (в системе

отсчета прибора) -0.1 эВ и до 80 эВ. В отличие от уже рассмотренной ситуации указанный прибор производит измерения по энергиям на фиксированных энергетических ступеньках, и модель была адаптирована для этого случая.

На основании рассмотренной модели было проведено моделирование измерений для различных ситуаций в тепловой космической плазме, скоростей спутника, его электрических потенциалов, ориентаций магнитного поля Земли. Подобные расчеты были выполнены автором во время подготовки эксперимента, и на их основе были

определены режимы работы прибора,

которые затем

использовались в

реальных измерениях.

На рисунке 1 представлен пример результатов моделирования измерений тепловых потоков прибором Гиперболоид. В избранном режиме работы прибора производится сканирование по энергиям и углам для четырех сортов ионов Н+, Не+, 0+ и 0++. В каждой из четырех панелей, показанных на рисунке, по горизонтальной оси отложены значения энергии в эВ, по вертикальной оси - номер окошка прибора К, в котором производится детектирование ионов. Соседние окошки отстоят друг от друга на 10 градусов. Величины рассчитанных потоков кодируются различными цветами. В приведенном примере моделирования использовались следующие параметры для всех

0.8 1.3 22 3.8 Ь.З 10.7 18.0 30.5 51.5 0.8 1.3 2.2 3.8 6.3 10.7 18.0 30.5 31.5

Е.эВ

Рис. 1. Моделирование измерений прибора Гиперболоид. Цвет соответствует величине потока. По оси У - номер окошка (угол), по оси X - энергия в эВ

сортов ионов: концентрация n = 103 см"3, относительная скорость спутника и плазмы V= 8.78 км с"1, изотропная температура Т = 5500 К, потенциал спутника Usat = -0.7 В.

Модельные расчеты потоков были использованы для анализа влияния на измерения температурной анизотропии и потенциала спутника. Для этого были выбраны характеристики и особенности прибора Гиперболоид. Для математической модели измерений эти особенности сводятся к параметрам интегрирования функции распределения ионов, энергетическому разрешению и углу раствора коллиматора. Естественно, что результаты моделирования, для приборов, имеющих другие конструктивные особенности, будут различаться. Более того, в приведенных ниже расчетах не учитываются реальные траектории частиц в электрическом поле сложной конфигурации, такой учет в настоящее время не представляется возможным.

Для моделирования влияния температурной анизотропии и потенциала спутника была использована следующая геометрия. Для каждого случая магнитное поле располагалось вдоль оси OY. Угол между магнитным полем и скоростью плазмы (относительной скоростью между плазмой и спутником) равен 10 градусам. Отметим, что этот параметр имеет значение только в случае наличия анизотропии температур. Вектор со соответствует направлению оси коллиматора прибора, т. е. направлению измерений. Модельные расчеты приводились в плоскости, содержащей вектор магнитного поля и вектор скорости плазмы. Для каждой энергетической ступеньки принималось во внимание направление измерений. Энергия раскладывалась на компоненты вдоль осей X и Y, в соответствии с направлением измерения. «Отрицательные» значения энергии вдоль оси X соответствуют «левой» полусфере (полуплоскости, содержащей вектор

магнитного поля и вектор, противоположный направлению скорости), «отрицательные» значения вдоль оси У соответствуют потокам из «нижней» полусферы (рисунок 2).

Расчеты, которые проводились для различных спутниковых потенциалов, скоростей и температур плазмы. Угол между направлением скорости и магнитным полем составлял 10° . Для каждого набора параметров расчеты производились для 4 значений температурной анизотропии Трегр/Траг = 1, 1.5, 2 и 3.

Пример модельных расчетов

-20

для параметров

концентрация ионов

НМОО см"3, ияа1=+5 В, "

У=10 км с" , Т=5000° Рис.2. Моделирования влияния температурной

анизотропии на потоки ионов Н+. Прямая линия К приведен на соответствует направлению максимуму потока

рисунке 2. Значения анизотропии 1 и 1,5 в верхней части рисунка, 2 и 3 - в

нижней. Очевидно, что наличие анизотропии существенно меняет энерго -

угловые характеристики функции распределения. Для анизотропии 2 , 3 и

более вид функции распределения имеет явные характеристики

конического пучка, при этом положительный потенциал только усиливает

эффект. При небольших значениях анизотропии вид функции

распределения меняется незначительно. Угол прихода, изображенный на

рисунке прямой линией, является основным параметром при

экспериментальном определении направления ионных потоков. Показано,

что наличие даже небольшой анизотропии значительно меняет величину

угла прихода. Положительный потенциал спутника также увеличивает это

влияние анизотропии.

Построенная модель может быть использована для проектирования режимов работы и обработки данных измерений различных энерго -угловых масс спектрометров.

В третьей главе «Моделирование пространственного распределения электрического поля вокруг космических аппаратов» рассмотрен ряд математических моделей пространственной структуры электрического поля вокруг спутников для различной величины дебаевского радиуса.

Математическая постановка задачи о вычислении распределения электрического потенциала вокруг спутника в сильно разряженной плазме сводится к решению уравнения Лапласа

д2и д2и д2и _ ф

дх2 ду2 дт.2

в трехмерном пространстве с внутренними граничными условиями

и| = Ф0(х,у,г),

где у - поверхность спутника, Фо(х,у,г) - распределение потенциала на поверхности, предполагающееся известным. Весьма сложная конфигурация внутренней границы у не дает возможности использовать известные координатные преобразования, сводящие внешнюю задачу к внутренней задаче. Следовательно, для численного решения необходимо дополнить уравнения условиями на внешней границе

Ч|г= Ф1(х,у,г)

Внешнюю границу Г целесообразно выбрать достаточно простой формы (например, поверхность куба или шара), она должна быть

достаточно удалена от внутренней границы, чтобы распределение потенциала на внешней границе можно было с достаточной точностью описать формулой

и,г= аг-1(х,у,2)

Таким образом, исходная задача сводится к решению уравнения Лапласа в кубе с вырезанной областью, ограниченной поверхностью у с внутренними и внешними граничными условиями. Шаг разностной сетки определяется минимальным пространственным масштабом поверхности у, это приводит для равномерных сеток к чрезвычайно большому суммарному числу узлов N-10' -10ю, что превосходит возможности доступной вычислительной техники как по объему памяти так и по времени сходимости итерационного процесса. В связи с этим, предлагается использовать многосеточный алгоритм, реализованный на совокупности равномерных сеток с различными шагами.

При проведении расчетов была использована следующая, несколько упрощенная, модель спутника Авроралъный зонд: корпус спутника представляет собой прямой круговой цилиндр радиусом 0,75 м и высотой 1,60 м. Начало координат расположено на оси цилиндра в точке, смещенной на 0,05 м вверх от ее середины, так что верхняя «крышка» цилиндра имеет координату Ъ = 0,75 м, а нижняя Ъ = - 0,85 м.

Четыре плоские батареи, расположенные симметрично в плоскости 7 = 0, имеют максимальную ширину 1,20 м и длину 2,65 м. Каждая батарея снабжена штангой длиной 7,45 м. Штанги расположены в плоскости батарей и совпадают с положительным и отрицательным направлением осей X и У. В плоскости Ъ = -0,75 м находятся четыре антенны эксперимента ПОЛЬРАД длиной по 6,54 м, укрепленные на цилиндре и развернутые в плоскости ХУ соответственно под углом 45°, 135°, 225° и

Для решения использовались 6 пространственных сеток: «дальняя зона» (80 м х 80 м х 30 м), «ближняя зона» (24 м х 24 м х 6 м), и 4 сетки для солнечных батарей (5 м х 2 м х 1 м для Х+ батареи). Общее число узлов составило 683 140.

Результаты модельных расчетов электрического поля вокруг спутника

Авроралъный зонд представлены на

рисунке 3. Заряд спутника +1 В. Рисунок (а) - распределение потенциала (эквипотенциали) вокруг спутника в плоскости ХУ для 0, т.е. в плоскости солнечных батарей, (б) - распределение потенциала в плоскости ХУ для Ъ - -0.75 м, т.е. в плоскости антенн радиоспектрометра ПОЛЬРАД, пересекаемой, кроме того, вертикальной штангой, расположенной вблизи конца горизонтальной, (в) - распределение потенциала в плоскости ХЪ для X = 0, т.е. в плоскости, пересекающей цилиндр (корпус спутника) и проходящей через у-штанги и вертикальную штангу, (г) - показывает более подробное распределение потенциала в окрестностях одной из солнечных батарей в плоскости Ъ = 0. По мере удаления от заряженной поверхности спутника распределение потенциала

Рис. 3. Эквипотенциали электрического поля в плоскостях 2=0 (а), 2=-0.15 м (6), Х=0 (в) и вблизи солнечной батареи (г).

асимптотически стремится к сферически симметричному распределению потенциала точечного заряда. Усложненная модель с отдельной сеткой вблизи прибора Гиперболоид использовалась для анализа траекторий измеряемых ионов.

Наиболее сложной и важной задачей в настоящее время можно считать задачу с конечным радиусом Дебая.

Заменим реальную ситуацию взаимодействия плазмы с движущимся в ней заряженным телом (спутником) следующей модельной ситуацией. Спутник считается проводящим и на поверхности имеет положительный потенциал Ф0. Невозмущенная плазма движется относительно тела с постоянной скоростью и0. Воспользуемся электростатической аппроксимацией, важным следствием которой является пренебрежение магнитным полем, образованным движущимися заряженными частицами. Рассмотрены два метода решения данной задачи: с помощью системы гидродинамических уравнений и с помощью метода крупных частиц (Р1С).

Гидродинамический подход к задаче о взаимодействии заряженного тела с плазмой заключается в том, что плазма в данной модели рассматривается как сплошная среда, состоящая из электрически заряженных частиц: электронов и ионов, состояние которой описывается следующими функциями: компонентами скорости 17, концентрацией А', постоянной температурой Т0, давлением Р. Эти величины удовлетворяют уравнениям непрерывности и движения газовой динамики:

дг

+ О. • 0) + N ■ {0 ■ V) • и =

д(

(Е + --11хН),

т т

с

где т- масса иона или электрона, е - заряд электрона, с - скорость света в вакууме, Ё- электрическое поле, Н- геомагнитное поле. В уравнении движения, используемом в этой модели, мы пренебрегли членами, которые учитывают трение, в силу их незначительного вклада в конечный результат за характерное для данной модели время.

Система уравнений замыкается конечным соотношением - уравнением состояния Р = N к Т0, связывающим термодинамические характеристики среды Р, N. Т0 в каждой пространственно - временной точке. Уравнения дополняются начальными данными, заданными функциями и, Р, N в момент времени Г = 0, и краевыми условиями на внутренней и внешней границах окрестности. На внешней границе все искомые функции имеют граничное условие первого рода, согласованное с начальными данными, а на внутренней границе - условия первого или второго рода, равные нулю, в зависимости от направления вектора скорости.

На каждом временном шаге уравнение Пуассона \?2Ф = -— для

ео

электрического поля и газодинамические уравнения решаются самосогласованно. Электрическое поле Ё из газодинамического уравнения движения удовлетворяет уравнению Ё = -УФ, где Ф- электростатический потенциал.

Ниже приведен пример модельных расчетов со следующими физическими параметрами. Спутник представлял собой цилиндр, диаметром 2 метра и высотой также 2 метра. Расчетная область - куб величиной 24 метра. Потенциал спутника +10 вольт. Концентрация электронов и ионов Н+ в невозмущенной области составляла 10 см"3 . Относительная скорость плазмы и спутника - 20 км с"1 , она направлена вдоль оси О У, параллельно магнитному полю. Температуры электронов и

ионов - 5000 К. Радиус Дебая для избранных условий составил приблизительно 1 метр. Шаг по времени составлял 10"ш сек, общее расчетное модельное время 2x104 сек.

На рисунке 4 приведено пространственное распределение потенциала электрического поля в Вольтах в плоскостях Х=0,

У=0, 7=0. Потенциал вблизи поверхности быстро падает, что соответствуют экспоненциальной зависимости от расстояния до заряженного тела. Вместе с тем сферическая симметрия отсутствует. Особенно сильно это проявляется на расстоянии в несколько радиусов Дебая.

Выделяются две области пространственной плотности отрицательного заряда вблизи спутника: область, локализованная вблизи У=0, вокруг всего спутника и область непосредственно за спутником. Первая область возникает в результате избытка, дрейфующих в магнитном поле, а вторая - следствие недостатка ионов за спутником, так называемой «ионной тени» (на

У ст Х.ст X. ст

Рис. 4. Пространственное распределение электрического поля вокруг КА в плоскостях Х=0, У=0, Х=0. Гидродинамическая модель.

Z,cm Z.zm Уст

Рис. 5. Рассчитанные значения ионной концентрации (шкала справа). Гидродинамическая модель. Скорость спутника вдоль оси У.

рисунке 5). В силу гидродинамического приближения в рассмотренной выше модели, решения получаются достаточно гладкими, статистические флуктуации отсутствуют.

Вторая рассмотренная в диссертации изотермическая модель основывается на методе крупных частиц (Р1С-методе), в силу чего представляет собой своеобразный «сплав» гидродинамического и кинетического подходов к моделированию плазмы. Так, с одной стороны, в расчете принимает участие большое количество заряженных частиц, а с другой, решается гидродинамическое уравнение движения. В основу данной модели также положены метод тяжелых электронов (в этом случае для большей устойчивости численных схем масса электрона умножается на 100), метод заряженных облаков, (когда частица «раздает» свой заряд 64 соседних с ней узлам). Данная модель описывает, так называемые, макрочастицы, представляющие собой совокупность большого количества реальных частиц одного сорта. Максвелловское распределение частиц по скоростям при этом не учитывается. Не учитывается также наличие «догоняющих» электронов, имеющих тепловые скорости на порядок большие относительной скорости спутника и плазмы.

В момент времени 1=0 моделируемая система заполнена частицами в соответствии с концентрацией Ы0 и температурой Т0. На каждом последующем временном шаге предполагается, что электроны и ионы втекают из плазменного резервуара, окружающего моделируемую область, внутрь системы. Инжекция заряженных частиц осуществляется на плоскость у=0 с начальной скоростью £/0 вдоль оси ординат. Отметим, что распределение по скоростям частиц не учитывается при инжекции, которая происходит с постоянной скоростью вдоль избранного направления О У, и отражается только в наличии изотропной температуры То- Далее частицы

движутся в соответствии с уравнением движения, которое решается РІС-методом. В этом методе переход за малое время г от величин на временном слое п к величинам на слое п+1 осуществляется в два этапа, на каждом из которых основные физические величины меняются за счет процесса только одного типа. Следовательно, при решении уравнения движения сначала учитываются изменения импульса за счет градиентов давления и электромагнитных сил, а потом за счет процессов переноса. Таким образом, на первом этапе решается уравнение

ди V/3 ы-е - 1 - -

N-----±-(Е + -•£/ х Н) ,ана втором

51 т т с

^Е^И + и ■ V (N ■ 0) + N ■ ф ■ V) • 0 = 0 . д г

Принятое предположение о постоянном потенциале приводит к тому, электроны, 2ст уст

поглощенные теломЧ

необходимо]

инжектировать в расчетную область

заново. В данной їст Хст Хст

модели они Пространственное распределение

электрического поля. РІС метод

инжектируются в

расчетную область случайным образом со скоростью и„ вдоль оси ординат. Шаг по времени составлял 10'8 сек, общее расчетное время 10 3 сек.

Пространственное распределение потенциала электрического поля через 8x104 е. после начала моделирования по Р1С-методу представлено на рисунке 6.

2,ст ¿,ст у,ст

У.ст Х.ст Х,ст

Рис. 6. Пространственное распределение электрического поля. РІС метод

Распределение ионной концентрации представлено на рисунке 7. Интенсивная ионная тень располагается за спутником, при этом ионная

проведенные ДЛЯ У.ст Х.сш Х.ст

другой ориентации Рис. 7. Пространственное распределение ионной

концентрации. Р1С метод.

магнитного поля

(магнитное поле параллельно ОТ) для двух рассмотренных моделей показали, что пространственное распределение электронной концентрации и плотности заряда сильно зависит от ориентации магнитного поля, в то время как распределение ионной концентрации практически не меняется.

На основании рассмотренных результатов численного моделирования можно определить некоторые особенности распределения плазмы вблизи заряженного спутника. Обе численные модели показывают наличие глубокой ионной тени за спутником. Длина этого следа превышает 10 радиусов Дебая, а концентрация ионов в этой области падает с 10 частиц в кубическом сантиметре практически до нуля. Такая особенность пространственного распределения тепловых ионов значительно искажает угловое распределение и в некоторых случаях может привести к невозможности корректных экспериментальных измерений. Распределение пространственного заряда определяется, кроме всего прочего, и направлением магнитного поля, точнее углом между направлением относительной скорости и магнитным полем. Возникающий пространственный заряд оказывает значительное влияние на форму эквипотенциалей на расстоянии нескольких радиусов Дебая от спутника и

следовательно приводит к искажению траекторий измеряемых частиц. Еще более сложную картину следует ожидать в случае, когда форма спутника приближена к реальной.

В четвертой главе «Моделирование нестационарных процессов в тепловой плазме полярной магнитосферы» рассматривается семиионная модель TUBE - 7 и численные эксперименты, проведенные на основе этой модели.

Математическая модель TUBE7 позволяет рассчитывать концентрации, температуры и скорости ионов 0+, Н+, Не+, 1ST, 02+ , NO+, Ni+ и электронов в интервале высот от 125 км до нескольких радиусов Земли. Ионосферные параметры вычисляются вдоль силовой линии геомагнитного поля, взятого в дипольном приближении. Силовая линия может считаться замкнутой, либо уходящей в хвост магнитосферы (в дальнейшем - "разомкнутая" силовая линия). Понятия "замкнутости" и "разомкнутости" представляют различные подходы к постановке граничных условий модели и, вообще говоря, соответствуют либо режиму плазмосферной силовой трубки, либо режиму свободного истечения плазмы типа полярного ветра. Силовая линия может вращаться вокруг Земли вместе с верхней атмосферой (коротировать как в плазмосфере) либо двигаться вдоль дрейфовых траекторий конвекции. Для всех учитываемых сортов ионов решается система уравнений непрерывности, движения и теплового баланса в гидродинамическом приближении. Предполагается квазинейтральность плазмы. В отличие от подавляющего большинства математических моделей ионосферы, В которых для молекулярных ИОНОВ С>2+, NO+ И N2+ решаются только уравнения фотохимического равновесия, в модели TUBE7 в полной мере учтена динамика "тяжелых" ионов. Такой подход позволяет исследовать поведение молекулярных ионов в нестационарных

процессах в ионосферной плазме, таких как электронный нагрев в каспе и авроральной зоне, и поляризационный джет.

Математическая модель TUBE7 основана на уравнениях непрерывности, движения и теплового баланса, записанных в проекциях на силовую линию магнитного поля и решаемых для каждого сорта заряженных частиц.

дпа 1 дАпаиа

-w+A-irL+L< = Q-

диа диа 1 дРа

-г— + иа —— +--— = Fa

at os тапа ds

3 /дТ дТа\ РадАиа 1д( дТа\ _ кПа[— + ua —J + - — (ЛАа —J =

Здесь А - расходимость силовых линий, а а - индекс сорта заряженных частиц, который принимает значения 0+, Н+, Не+ N^, 02+, NO+, та пФ w® Та Ра -масса, концентрация, продольная скорость, температура и давление заряженных частиц сорта a, La и Qa - коэффициент рекомбинации и функция ионизации ионов сорта a, Fa - ускорение от внешней силы, к - постоянная Больцмана, Л» - коэффициент теплопроводности, <9U- разность скоростей нагрева и охлаждения заряженных частиц. Ускорение от внешних сил задается как

Fa = -g sin / + Y SaJ (uj -ua) + Ra(Vnx eos / - ua) - —^-r-

dPe

N„ ds

Здесь g - ускорение силы тяжести, I - магнитное наклонение, -коэффициент силы трения ионов сорта а и сортаЯа - коэффициент силы трения ионов сорта а с нейтральными частицами, У„х- меридиональная

составляющая скорости нейтрального ветра, Ыс, и Рс - электронная концентрация и давление. В силу принятого предположения о квазинейтральности плазмы электронная концентрация равна сумме концентраций положительных ионов: Ые = па. Распределение частиц сорта а считается максвелловским, и потоками тепла пренебрегается.

Для вычисления концентраций нейтральных составляющих верхней атмосферы 02, N2, О, IV, Н, Не, температуры нейтральной атмосферы и градиентов давления нейтрального газа используется эмпирическая модель нейтральной атмосферы МБГЗ. Концентрации ионных составляющих пересчитываются в соответствии со скоростью ионизации и скоростями химических реакций.

На левой границе расчётной области (125 км) принимаются условия фотохимического равновесия для всех сортов ионов и = 0, Ьп = Температуры ионов и электронов равны температуре нейтральной атмосферы. На правой границе замкнутой силовой трубки задаются аналогичные условия, а для «разомкнутой» силовой трубки верхние граничные для скоростей и концентраций ставятся специальным образом: система уравнений непрерывности и движения записывается без учёта фотохимических процессов и сил трения. В соответствующих разностных уравнениях полагается нулевое значение концентрации в N+1 точке, расстояние до которой значительно превышает обычный шаг по высоте. Решение этих уравнений и дает значения скоростей и концентраций на верхней границе. Для уравнений теплового баланса на верхней границе ставится условие равенства нулю высотного градиента.

Важным фактором анализа нестационарных процессов являются времена установления или релаксации. Как показал численный

эксперимент, времена установления квазистационарного решения сильно различаются для ионов Н+ и 0+. Время релаксации для ионов Н+ порядка 1 часа, тогда когда для ионов 0+ оно сильно зависит от начальных условий и может варьироваться от нескольких часов до даже нескольких суток. Необходимо отметить, что продольные скорости ионов 0+ могут достигать величин до нескольких км с"1 во время таких релаксационных процессов, что невозможно в стационарных или квазистационарных условиях. Если учесть, что время пересечения трубкой полярной шапки составляет 1-2 часа, можно заключить, что высотные распределения ионов на большинстве дрейфовых траекторий никогда не достигают стационарного состояния.

Рассмотрим результаты моделирования движения ионов 0+ в трубке, конвектирующей через дневной полярный касп.

Начальные условия были получены методом установления для магнитной силовой трубки L = 7 при средней солнечной активности Fw7= 150, низкой геомагнитной активности, равноденственного сезона и 12 ч местного времени. Скорость нагрева тепловых электронов (основным источником такого нагрева являются сверхтепловые фотоэлектроны) задавалась при этом равной 10'3 эВ с"1. Рассчитанные таким образом невозмущенные распределения ионосферных параметров полностью соответствуют режиму "чистого" полярного ветра - скорости ионов 0+, N+, N2+, NO+ и 02+ мало отличаются от нуля, в то время как ионы Н+ и Не+ со сверхзвуковыми скоростями истекают вверх вдоль силовой линии геомагнитного поля. Максимальная скорость ионов Н+ превосходит 20 км/с, а максимальная скорость ионов Не+ - 10 км/с.

Дополнительный электронный нагрев и ионизация в каспе

моделировались путем увеличения скорости нагрева электронов до 4* КГ1 эВ с"1 (эксперимент 1) и 10~2 эВ с"1 (эксперимент 2). Дополнительная корпускулярная ионизация учитывалась путем увеличения в 1.5 раза скоростей ионизации всех основных нейтральных составляющих. Через 10 мин скорость нагрева и ионизации уменьшалась до первоначальных значений и исследовался процесс релаксации возмущенных распределений ионосферных параметров. Увеличение скорости нагрева приводит к быстрому росту электронной температуры с характерными временами от 1 до 3 мин на разных высотах. Превышения электронной температуры над невозмущенными значениями составляют примерно 1.5 раза в эксперименте 1 и примерно 2 раза в эксперименте 2.

Охлаждение электронного газа после уменьшения скорости нагрева происходит примерно с теми же

характерными временами. Все

ионные температуры возросли весьма

незначительно (изменение составило около 200 К на высотах порядка 1000 км), что объясняется малой скоростью теплообмена ионов с электронами. Однако даже кратковременное повышение электронной температуры привело к радикальному изменению скоростей

Рис. 8. Продольные скорости ИОНОВ 0+ И N4- для двух величин электронного разогрева. Кривые соответствуют моментам времени 10, 20,40, 60 мин

ИОНОВ 0+, 1ЧО+ И С>2+ и к возникновению возмущений в высотных

профилях скоростей ионов Н+ и Не+. В свою очередь изменение скоростного режима вызвало изменения в распределении концентраций ионов практически по всей длине магнитной силовой трубки.

С точки зрения изменения скоростного режима семь учитываемых в модели сортов ионов четко разделяются на три группы: ионы 0+ и "тяжелые" ИОНЫ Ы2+, N0* и (V и "легкие" ионы Н+ и Не+. В профилях скорости ионов 0+ и к 10-й минуте на высотах 1000-2000 км формируется восходящий поток ионов, имеющих продольную скорость от 1 до 3 км/с. На рисунке 8 приведены профили скоростей для 10, 20, 40 и 60 минут после начала слабого (слева) и сильного (справа) разогрева.

Скорости "легких" ионов Н+ и Не+ за время дополнительного разогрева электронного газа возрастают на несколько километров в секунду в интервале высот 1000-10000 км, а затем постепенно релаксируют к исходным невозмущенным значениям. Пространственные распределения концентраций ионов также претерпевают заметные изменения вследствие изменения режима движения. Электронная концентрация увеличивается в несколько раз, ионный состав тоже меняется.

Механизм описанного процесса представляется следующим: повышение электронной температуры приводит к увеличению градиента давления электронного газа и, за счет амбиполярной диффузии, к ускорению ионов. Электронная концентрация существенно возрастает как ниже, так и выше Рг-слоя. Молекулярные ионы после снижения электронной температуры быстро приходят к равновесному состоянию, так как приобретенное ими ускорение недостаточно для преодоления силы тяжести. Ионы 0+ и 1Ч+ формируют восходящие потоки, которые и после

охлаждения электронного газа продолжают распространяться вверх, достигая высот в десятки тысяч километров. Возмущения в скоростях и концентрациях ионов Н+ и Не+ имеют примерно такой же характер, но не изменяют радикально установившийся режим полярного ветра.

V par 0+ m/sec

Рис. 9. Сравнение модельных расчетов продольных движений ионов 0+ в каспе на высотах 1 ООО и 2 ООО км с экспериментальными измерениями.

N.cm 3 J ООЕ + 5

Oan«lty J at valocily • 3 km/He

Сравнение с экспериментальными измерениями скоростей ионов 0+, измеренных со спутника Ореол-3 на высотах ~1 ООО - 1 500 км (орбита 767) показало вполне удовлетворительную качественную сходимость. Результаты сравнения приведены на рисунке 9.

Моделирование быстрых конвективных движений («поляризационного джета») было проведено для замкнутой силовой трубки L = 3.5 при уровне солнечной активности F10.7 = 150 в зимний сезон равноденствия. Начальные условия были получены расчетом

нескольких суточных

вариаций до достижения квазипериодического решения. В 22 часа местного

Рис. 10. Моделирование ионного состава в Р - области ионосферы в поляризационном джете. Ион N0* становится доминантным.

времени для имитации роста скорости конвекции к западу в полосе поляризационного джета задавалось возмущение в ^-составляющей скорости нейтрального ветра: в течение 5 мин она линейно возрастала от фонового значения до 3 км/с, затем в течение 5 мин оставалась равной 3 км/с и в течение следующих 5 мин линейно уменьшалась до фоновых значений. После этого продолжался расчет суточной вариации от полученного возмущенного состояния.

Среди всех ионных компонент наиболее радикально изменяется концентрация ионов МО4 и 0+ (рис. 10). На высотах от Б - слоя до примерно 1000 км концентрация >Ю+ возрастает, причем ион Ж)+ становится доминирующим ионом.

Причина указанных изменений в ионном составе - изменение ионных температур, которые вызваны разогревом ионов вследствие столкновения с нейтралами в результате быстрого дрейфа. Температура очень быстро, в течение первых 5 минут разогрева возрастает почти до 10 000°К, что очень велико по сравнению с фоновыми значениями. Скорости тяжелых ионов кратковременно повышаются до величин примерно 1 км/сек, затем поднявшиеся ионы опускаются вниз с аналогичными скоростями.

В пятой главе «Экспериментальные измерения ионов Н+ и 0+ в полярной ионосфере и магнитосфере» содержаться экспериментальные данные измерений тепловой плазмы с приборов Диксион и Гиперболоид. Рассмотрены данные измерений ионов 0+ в области каспа и полярной шапки на высотах до 2 000 км и классического полярного ветра на высотах до 20 000 км.

Типичные измерения ионов 0+ на восходящем витке 825 со спутника Ореол-3 в магнитоепокойное время в северном полушарии приведены на

рисунке 11.

Явно просматриваются 3 характерные зоны небольшой кратковременный подъем ионов 0+ в области каспа со скоростями к 0.4 -0.5 км с"1, область интенсивных нисходящих ионных потоков в полярной шапке, область подъема в области аврорального овала.

При дальнейшем

движении в шапку спутник Ореол-3 пересек широкую полосу нисходящих потоков ионов 0+ со скоростями 1.0,-1.5 км с'1, причем наиболее значительные скорости наблюдались экваториальнее, т.е. ближе к полярному каспу.

Температура ионов 0+ незначительно растет в области каспа и аврорального овала, но почти в два раза выше в области быстрых нисходящих потоков 0+. Такое значительное повышение, вероятно, связано с джоулевым разогревом ионов при столкновении с нейтралами, которых на данной высоте еще значительное количество. Концентрация ионов в шапке падает и только в области овала увеличивается за счет дополнительной корпускулярной ионизации.

Увеличение геомагнитной активности, очевидно, приводит к возрастанию потоков ионов 0+ из ионосферы. В качестве примера

ЛиЯЕСХ-З ОУСЛОМ Р1 Ыс|~аПдпес| О меЛосШез 825 огЬИ. 23.11.81

Рис. 11. Измерения скоростей тепловых ионов 0+ со спутника Ореол-3 в каспе, полярной шапке и авроральном овале.

приведем измерения продольных скоростей в полярной шапке в сильно возмущенный период на

шапке объясняется, С Рис. 12 Измерения продольных скоростей одной стороны, ростом ионов 0+в возмущенный период.

интенсивности потоков

высыпающихся частиц, увеличением волновой активности, электронного и ионного разогрева, приводящие, в конечном счете, к формированию как низкоэнергичных ионных потоков 0+ типа полярного ветра, так и конических пучков; с другой стороны- усилением конвекционных движений, быстро сносящих нагретую в каспе плазму в шапку. В спокойных условиях возмущение, вызванное прохождением через касп достаточно быстро начинает релаксировать, что в сочетании с сравнительно небольшими скоростями конвекционного дрейфа и дает картину движения ионов в шапке вниз. В возмущенных условиях воздействие на тепловую плазму в каспе гораздо интенсивнее, следовательно, и после выхода из каспа в течение некоторого времени

витке 2878 (рис.12). Кр в течение 6 часов было на уровне 5. В отличие от ситуаций, рассмотренных выше, на данном витке наблюдается движение ионов 0+ вверх во всей шапке со скоростями в среднем около » 0.4 км с"1 на высотах от 1650 км до 1900 км. Существование таких ионных потоков в

Орео/гЗ 3SJ8 вагон Продольные '

-1

18

(несколько минут и более) потоки ионов 0+ в силовой трубке будут направлены вверх. Кроме того, явления нагрева, вызванные, например, полярным дождем, могут быть достаточно интенсивными во всей шапке. Интенсивная конвекция также может служить одной из причин нагрева ионов на малых высотах вследствие ион-нейтральных взаимодействий. Этот нагрев в свою очередь вызывает движение ионов вверх. Отметим также, что в течение всего пролета 2878 во всей шапке зафиксированы потоки мягких (< 1 кэВ) электронов и протонов значительной интенсивности. Значительные скорости ионов 0+ вверх (до 2 км/сек и более) вызваны интенсивными высыпаниями электронов и протонов в субавроральной и авроральной областях.

На основе измерений тепловых и сверхтепловых ионов масс-спектрометром ГИПЕРБОЛОИД, установленным на спутнике ИНТЕРБОЛ-2, было проведено исследование полярного ветра. Анализировались пролеты через полярную шапку в течение 1996 - 1997 гг. Было проведено селектирование пролетов с учетом одновременных измерений электронов в диапазоне 100 эВ — 22 кэВ прибором ИОН. Отобраны интервалы измерений, когда северная полярная ионосфера была полностью освещена Солнцем или была полностью в тени. Это соответствует двум различным ситуациям в ионосфере. Первая, когда в магнитной силовой трубке присутствуют сверхтепловые фотоэлектроны, которые заметно усиливают амбиполярное электрическое поле, при этом плотность ионов в Р-слос велика и их температура выше, чем зимой. Вторая, когда фотоэлектроны практически отсутствуют и плотность и температура ионов в Б-слое заметно ниже. Эти факторы оказывают определяющее воздействие на формирование и характеристики полярного ветра.

Для анализа были выбраны орбиты, когда спутник пересекал "открытые" силовые линии над полярной шапкой. Под "открытыми" линиями здесь подразумевается, что в них нет интенсивных высыпаний частиц из плазменного слоя, и могут наблюдаться только небольшие интенсивности электронов с энергиями не более 400 эВ (таким образом, силовые трубки каспа./клефта из анализа исключались). На основе вышеприведенного метода был отобран 141 временной интервал, приходящийся на зимний период, и 90 интервалов, приходящихся на летний период.

Анализ отобранных измерений позволил идентифицировать «классический полярный ветер»). Пример экспериментальных данных приведен на рис. 13. Верхняя панель - измерения низкоэнергичных электронов прибором ИОН. Область детектирования полярного ветра (на рисунке TYPE 1) демонстрирует отсутствие потоков вторгающихся электронов. Из рисунка видно, что измерения до 12.45 UT приходятся на полярную шапку. Ниже на рисунке - измерения тепловых ионов Н+. Приведен энергетический и угловой спектр. Средняя панель представляет угловое (по оси Y - номер окошка) распределение ионов Н+, усредненное в диапазоне энергий 5 - 12.5 эВ. Символ X указывает направление антипараллельно магнитному полю - от Земли в северном полушарии. Энергетический спектр ионов 0+ (самая нижняя панель) показывает отсутствие соответствующих ионов тепловых энергий. Для энергетических спектров данные были суммированы по всем угловым детекторам.

Таким образом, в летний период (подстилающий F - слой освещен), когда в измерениях электронов малых энергий детектируется только фон прибора ИОН или слабый полярный дождь, видны только потоки ионов Н+ («классический полярный ветер»). Когда же детектируется усиленный

полярный дождь или полярный душ, видны как ионы Н+, так и ионы 0+.

2В/М/97 ОгЬН : 1375

10000 -

Рис. 13. На рисунке приведены измерения со спутника Интербол-2 26 июля 1997 г. Верхняя панель - измерения низкоэнергичных электронов по данным прибора ИОН. Средняя панель - энергетический и угловой спектры ионов Н+. Нижняя панель -энергетический спектр ионов О4. Цветовая шкала справа показывает величину измеренных потоков. Внизу верхней панели показан питч-угол а.

В зимний период около 80% интервалов измерений приходится на фон прибора Гиперболоид. При этом основной поток ионов не достигает детектора из-за положительного потенциала спутника и малой скорости потока ионов.

Показано, что увеличение интенсивности электронов полярного дождя или ливня сильно влияет на величину восходящего потока ионосферных ионов 0+.

"Зона истощения ионов", которая была выделена из измерений со спутника АкеЬопо, почти совпадает с выбранной областью, где наиболее вероятны измерения полярного ветра без примеси ионов, принесенных конвекцией от "ионного фонтана в каспе".

Таким образом, средние характеристики потоков ионосферных ионов Н+, которые были измерены прибором ГИПЕРБОЛОИД ближе других отражают свойства «чистого» полярного ветра на высотах 2-3 11Е.

В Заключении приводятся основные результаты работы.

Положения выносимые на защиту.

1. Разработана семиионная (Н+, Не+, 0+, Т^Г, 02+, N0') нестационарная гидродинамическая модель магнитной силовой трубки с тепловой плазмой. Численно смоделированы процессы формирования ионного фонтана в каспе. Показано, что в результате электронного нагрева скорости ионов 0+ составляют несколько сот м/с в магнитосферу на высотах порядка 1-2 тысяч км. При моделировании «поляризационного джета» впервые показано, что эффекты, связанные с джоулевым разогревом ионов, приводят к доминированию ионов Ж)4 в Б-слое. Данные модельных расчетов подтверждены экспериментально.

2. На основе разработанных математических моделей энерго - масс —

угловых анализаторов найдены угловые и энергетические зависимости измеряемых ионных потоков. Впервые показано, что влияние положительного потенциала спутника и ионной температурной анизотропии на величину, пространственное распределение и углы прихода ионных потоков является определяющим.

3. Разработанные модели распределения электрического потенциала вокруг спутника в вакууме и плазме позволили получить детальную пространственную структуру электрического потенциала и параметров плазмы вокруг спутника. Показано, что движущийся заряженный спутник приводит к созданию ионной тени длиной несколько радиусов Дебая.

4. По измерениям со спутника Ореол - 3 на высотах ниже 2000 км впервые экспериментально обнаружена зона формирования фонтана ионов 0+ в каспе. Показано, что в результате явлений нагрева и ускорения, скорости ионов 0+ от Земли в дневном полярном каспе составляют несколько сот метров в секунду в магнитоспокойное время. На высотах ниже 2000 км со спутника Ореол - 3 обнаружены нисходящие потоки ионов 0+ в полярной шапке. Скорости в таких потоках достигают нескольких сот метров в секунду и более при спокойных геомагнитных условиях. В возмущенные периоды скорости ионов 0+ в шапке составляют несколько сот метров в секунду от Земли.

5. По измерениям со спутника Интербол - 2 впервые экспериментально доказано существование классического полярного ветра. В приполуночном секторе полярной шапки на высотах до 20 000 км в летний период его характеристики составляют N(H+)=0.5 - 2 cm"3, V(H+)= 18-30 km/sec

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах

Х.Белов Б. А., Гальперин Ю. К, Зимин Л. В., Левитин А. Е., Афонина Р. Г., Фельдштейн Я. И. Конвекция плазмы в полярной ионосфере: сравнение измерений со спутника "Космос-184" с моделью, зависящей от вектора ММП // Космические исследования. 1984. Т. 22. Вып.2. С. 201-212.

2. Зинин Л. В. Моделирование продольных движений тепловых ионов 0+ и Н+ в магнитной силовой трубке, конвектирующей через дневной полярный касп // Космические исследования. 1984. Т. 22. Вып. 4. С. 629631

3. Зинин Л. В., Маркова М. Ю., Белов Б. А. Анализ корреляционной модели электрического поля по измерениям скорости конвекции плазмы в полярной ионосфере // В кн.: "Геомагнитные вариации и электрические поля". М. ИЗМИРАН. 1984. С. 132-136

4. Зинин Л. В. Полярный ветер: влияние начальных условий в теории полярного ветра на расчеты наблюдаемых макроскопических параметров высокоширотной верхней ионосферы // "Магнитосферные исследования". М. Междуведомственный геофизический комитет. 1985. N 7. С. 90-93

5. Григорьев С. А., Зинин Л. В., Латышев К. С. Влияние электронного нагрева на продольные скорости ионов 0+ в магнитных силовых трубках // Космические исследования. 1986. Т. 24. Вып. 5. С. 787-790

6. Roux £)., Berthelier J.-J., Gladyshev V. A., Zinin L. V., Maslov V. D., Pivovarov M. L. Vertical transport of 0+ ions at high latitudes // In: Results of the ARCAD 3 project and of the recent programmes in magnetospheric and ionospheric physics. CNES. CEPADUES-EDITIONS. Toulouse. France. 1985. P. 381-390

7. Zinin L. V., Galperin Yu. /., Latyshev K. S„ Grigoriev S. A. Nonstationary field-aligned fluxes of thermal ions 0+ and H+ outside the plasmapause: refinement of the polar wind theory // In: Results of the ARCAD 3 project and of the recent programmes in magnetospheric and ionospheric physics. CNES. CEPADUES-EDITIONS. Toulouse. France. 1985. P. 391-408

8. Zinin L. V., Galperin Yu. I., Latyshev K. S. Field-aligned motions of 0+ and H+ thermal ions in a magnetic field tube convected across the dayside polar cusp: model calculations // In: Results of the ARCAD 3 project and of the recent programmes in magnetospheric and ionospheric physics. CNES. CEPADUES-EDITIONS. Toulouse. France. 1985. P. 409-416

9. Lefeuvre F., Rauch J. L., Dee V. I., Titova E. E., Yurov V. E., Molchanov O. A., Mogilevsky M. M., Maltseva O. A., Zinin L. V., Корка П.,

Reitveld M. T., Stubbe P., Dowden R. I. Detection from Aureol-3 of the modulation of auroral electrojet by HF-heating from ELF signals in the upper ionosphere above Tromsoe // In: Results of the ARCAD 3 project and of the recent programmes in magnetospheric and ionospheric physics. CNES. CEPADUES-EDITIONS. Toulouse. France. 1985. P. 609-620

10. Соловьев В. С., Гальперин Ю. И., Зинин Л. В., Сивцева Л Д., Филиппов В. М„ Халипов В. Л. Диффузная авроральная зона. IX. Экваториальная граница диффузных вторжений электронов плазменного слоя как граница крупномасштабной конвекции в магнитосфере (плазмопауза) // Космические исследования. 1989. Т. 27. Вып. 2. С. 232-247

11. Зинин Л. В., Коняхина Л. В., Латышев К. С., Медведев В. В. Соколова Г. С., Юшкевич О. Г. Программное обеспечение геофизических исследований. Выпуск 8. Пакет прикладных программ АРМИЗ. Функциональное наполнение // М. Изд-во МГК при президиуме АН СССР. 1989. 84 с.

12. Зинин Л. В., Соловьев В. С., Гальперин Ю. И., Гладышев В. А., Григорьев С. А. Измерения продольных движений ионов 0+ в субавроральной верхней ионосфере со спутника "Ореол-3" // Космические исследования. 1990. Т. 28. Вып.6. С. 886 - 889.

13. Гальперин Ю. И., Зинин Л. В., Григорьев С. А., Гладышев В. А. Математическая модель отклика бортовых энерго - масс - угловых спектрометров ДИКСИОН (спутник "Ореол-3") и ГИПЕРБОЛОИД (спутник "Авроральный зонд", проект ИНТЕРБОЛ) с учетом потенциала спутника // Препринт. Институт космических исследований РАН. Пр-1878. 1993

14. Гальперин Ю. И., Григорьев С. А., Зинин Л. В., Гладышев В. А. Расчеты распределения электрического потенциала вокруг спутника "Авроральный зонд" проекта ИНТЕРБОЛ // Препринт. Институт космических исследований РАН. Пр-1879. 1993

15. Girard L., Berthelier J-J., Covinhes J., Godefgoy M., Gogly G., Guillou J., Illiano J. M., Leblanc F., Le Goff F., Stepourginski W., Vivat F., Mularchik T. M„ Galperin Yu. /., Gladyshev V. A., Zinin L. V. HYPERBOLOID: The low energy ion mass-spectrometer on the INTERBALL auroral probe // In: INTERBALL. Mission and payload. CNES-IKI. 1995. P. 284-308

16. Зинин Л. В., Гальперин Ю. К, Гладышев В. А., Григорьев С. А., Жирар Л., Мулярчик Т. М. Математическая модель измерений тепловой анизотропной плазмы энерго - масс - угловыми спектрометрами ионов на заряженном спутнике // Космические исследования. 1995. Т. 33. № 6, С. 563-571

17. Ридлер В., Торкар К., Веселое М. В., Гальперин Ю. И., ПедерсенА., Шмидт Р., Аренде X., Руденауэр Ф. Г., Ферингер М.,

Перро С., Зинин Л. В. Эксперимент РОН по активному регулированию электростатического потенциала космического аппарата // Космические исследования. 1998. Т.36. № 1. С. 53-62

18. Дюбулоз И., Бертелье Ж.-Ж., Малингр М, Жирар Л., КовинЖ., Гальперин Ю. И., Чугунин Д. В., Годефруа М., Гогли Ж., Герен К., Илиано Ж. М„ Косса П., Лебланк Ф„ Легофф Ф., Мулярчик Т. М., Пари Ж., Сцепуржинский В., Виват Ф., Зинин Л. В. Наблюдения эффектов нагрева и ускорения ионосферных ионов в полярных широтах масс -спектрометром ГИПЕРБОЛОИД на высотах 2-3 радиуса Земли // Космические исследования. 1998. Т. 36. № 1. С. 4-15

19. Зинин Л. В., Гальперин Ю. И., Григорьев С. А., Мулярчик Т. М. Об измерениях эффектов поляризационного джета во внешней плазмосфере // Космические исследования. 1998. Т. 36. № 1. С. 42-52

20. Dubouloz N.. Berthelier J.-J., Malingre M., Girard L., Galperin Yu. /., Covinhes J., Chugunin D., Godefroy M., Gogly G., Guerin C., llliano J.-M., Kossa P., Leblanc F„ Legoff F„ Mularchik Т., Paris J., Stzepourginski IV., Vivat F., Zinin L. Thermal ion measurements on board INTERBALL Auroral probe by the HYPERBOLOID experiment // Ann. Geophys. 1998. V. 16. P. 1070

21. Torkar K., Veselov M. V., Afonin V. V., Arends II., Fehringer M., Fremuth G., Fritzenwallner K., Galperin Yu. /., Kozlov A. I.. Perraut S., Riedler W., Rudenauer F., Schmidt R., Smit A., Zinin L. V. An experiment to study and control the Langmuir sheath around INTERBALL-2 // Ann. Geophys., 1998. V. 16. P. 1086-1096.

22. Григорьев С. А., Зинин Л. В., Василенко И. Ю., Лыновский В. Э. Многоионные одномерные МГД - модели динамики высокоширотной ионосферы. 1. Математическая модель ионосферы, учитывающая семь сортов положительных ионов // Космические исследования. 1999. Т. 37. № 5. С. 451-462.

23. Зинин Л. В., Григорьев С. А., Чугунин Д. В., Гальперин Ю. И., Лыновский В. Э., Василенко И. В., Латышев К. С., Дюбулоз Н. Многоионные одномерные МГД - модели динамики высокоширотной ионосферы. 2. Ионный фонтан в каспе/клефте: сравнение модели TUBE-7 с измерениями масс-спектрометром ГИПЕРБОЛОИД на спутнике ИНТЕРБОЛ-2 // Космические исследования. 2000. Т. 38. № 1. С. 5-15.

24. Hamelin М., Bouhram М., Dubouloz N., Malingre М., Grigoriev S. A., Zinin L. V. Combined effects of satellite and ion detector geometries and potentials on the measurements of thermal ions. The Hyperboloid instrument on Interball // In Proc.7th Spacecraft Charging Technology Conference. 23-27 April. 2001. ESTEC. Noordwijk. The Netherlands. ESA SP-476. P. 569-574.

25. Bouhram M„ Dubouloz N„ Hamelin M„ Grigoriev S. A., Malingre M., Torkar K., Veselov M. V., Galperin Y., Hanasz J., Perraut S., Schreiber R., Zinin L. V. Electrostatic interaction between Interball-2 and the ambient plasma. 1. Determination of the spacecraft potential from current calculations // Ann. Geophys. 2002. V. 20. N 3. P. 365-376.

26. Hamelin M„ Bouhram M., Dubouloz N.. Malingre M., Grigoriev S. A, Zinin L. V. Electrostatic interaction between Interball-2 and the ambient plasma. 2. Influence on the low energy ion measurements with Hyperboloid // Ann. Geophys. 2002. V. 20. N 3. P. 377-390.

27. Рылина И. В., Зинин Л. В., Григорьев С. А., Веселое М. В. Гидродинамический подход к моделированию распределения тепловой плазмы вокруг движущегося заряженного спутника // Космические исследования. 2002. Т. 40. № 4. С. 395-405 .

28. Чугунин Д. В., Зинин Л. В., Гальперин Ю. И, Дюбулоз Н., Бухрам М. Наблюдение полярного ветра на ночной стороне полярной шапки на высотах 2-3 Re по измерениям спутника ИНТЕРБОЛ-2 // Космические исследования. 2002. Т. 40. № 4. С. 416-433

29. Sazykin S„ Fejer В. G., Galperin Yu. I., Zinin L. V., Grigoriev S. A., Mendillo M. Polarization jet events and excitation of weak SAR arcs // Geophys. Res. Lett. 2002. V. 29, N 12.. doi: 10.1029/2001GL014388

30. Григорьев С. А., Зинин JI. В. , Ишанов С. А. Математическое моделирование нестационарных процессов в околоземной космической плазме // Вестник КГУ. 2003. Вып. 3 Сер Информатика и телекоммуникации. С. 46-59

31. Zinin L., Grigoriev S., Rylina /. The models of electric field distributions near a satellite // Proceedings of the conference in memory of Yuri Galperin, eds: L. M. Zelenyi, M. A. Geller, J. H. Allen, CAWSES Handbook-001, P 76-83,2004.

32. Berthelier J. J., Bouhram M„ Chugunin D„ Dubouloz N, Gladyshev V., Hamelin M„ Malingre M, Mularchik Т., Zinin L. Ion escape from cusp and cleft ionosphere. Results from AUREOL-3 and INTERBALL // Proceedings of the conference in memory of Yuri Galperin, eds:L.M.Zelenyi, M.A.Geller, J.H.Allen, CAWSES Handbook-001, P. 45-56, 2004.

33. Chugunin D. V., Zinin L. V., Dubouloz N. Polar wind observations on INTERBALL-2 satellite Auroral phenomena and solar-terrestrial relations // Proceedings of the conference in memory of Yuri Galperin, eds:L.M.Zelenyi, M.A.Geller, J.H.Allen, CAWSES Handbook-001, P. 57-76, 2004.

34. Григорьев С. А., Зинин JI. В., Ишанов С. А. Нестационарные процессы, возникающие при воздействии на космическую плазму // Математическое моделирование. 2006. Т. 18. № 7. С. 115-128.

35. Латышев К. С., Зинин Л. В., Ишанов С. А. Математическое

моделирование околоземной космической плазмы. // Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Серия Б. Том VII-1. Математическое моделирование в низкотемпературной плазме. Часть 3. М., изд-во «Янус -К», 2008. С. 337-349.

36. Зинин Л. В. Моделирование взаимодействия заряженного космического аппарата с окружающей плазмой // Материалы III Международной научной конференции «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования», 2-7 февраля 2009 г. Ч. 2. Воронеж. 2009. «Научная книга». С. 59 - 61

37. Зинин Л. В. Моделирование спутниковых измерений потоков тепловых ионов в ионосфере Земли // Сборник трудов Международной конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики», 22 - 24 июня 2009 г. Ч. 1. Воронеж. 2009. Изд-во ВГУ. С.190- 193.

38. Зинин Л. В. Моделирование измерений тепловых ионов Н+ на заряженном спутнике с учетом температурной анизотропии // Вестник РГУ им. И.Канта. Сер. Физико-математические науки. 2009. Вып. 10. С. 56-63.

39. Зинин Л. В., Цибулъникова А. В., Никулин Н. М. Моделирование нестационарного полярного ветра в условиях магнитосферной конвекции // Вестник РГУ им. И.Канта, Сер. Физико-математические науки. 2010. Вып. 10. С. 126-132.

40. Мациевский С. В., Зинин Л. В. Результаты моделирования неустойчивостей экваториального Б-слоя ионосферы // Вестник БФУ им. И.Канта, Сер. Физико-математические науки. 2011. Вып. 10. С.55-63.

41. Зинин Л. В., Ишанов С. А., Шарамет А. А., Мациевский С. В. Моделирование распределения ионов вблизи заряженного спутника методом молекулярной динамики. 2-0 приближение // Вестник БФУ им. И. Канта. Сер. Физико-математические науки. 2012. Вып. 10. С. 53 - 60.

42. Ишанов С. А., Зинин Л. В., Кожурова А. И., Мациевский С. В. Математическое моделирование активных воздействий на околоземную плазменную среду: сборник трудов Международной конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики». 26- 28 ноября 2012 г. Ч. 1. Воронеж. 2012. Изд-во ВГУ. С. 160 -163.

Леонид Викторович Зинин

ТЕПЛОВЫЕ ИОНЫ ПОЛЯРНОЙ ИОНОСФЕРЫ И МАГНИТОСФЕРЫ: ИЗМЕРЕНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Подписано в печать 12.09.13 г. Формат 60x90 Бумага для множительных аппаратов. Ризограф. Усл. печ. л. 2,9. Тираж 100 экз. Заказ 133.

Отпечатано типографическим участком Издательства Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта 236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14

ФГАОУ ВПО Балтийский федеральный университет им. И.Канта

На правах рукописи

05201351961

ЗИНИН Леонид Викторович

Тепловые ионы полярной ионосферы и магнитосферы: измерения и моделирование

(Специальность 01.02.05 — Механика жидкости, газа и плазмы)

^иссер I ация

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва-2013

Оглавление

Введение.......................................................................................................................5

Глава 1. Теоретические и экспериментальные исследования инжекции ионосферных ионов в магнитосферу (обзор).........................................................22

1.1. Стационарные и нестационарные модели полярного ветра......................23

1.2. Экспериментальные исследования восходящих потоков ионосферных ионов.......................................................................................................................42

Глава 2. Теория масс - спектрометрических измерений тепловой плазмы на космических аппаратах.............................................................................................55

2.1 Моделирование спутниковых измерений функций распределения и макропараметров тепловой плазмы.....................................................................58

2.2 Моделирование измерений энерго - угловыми масс - спектрометрами... 65

2.2.1 Прибор ДИКСИОН...................................................................................65

2.2.2 Прибор ГИПЕРБОЛОИД..........................................................................83

2.3 Влияние температурной анизотропии и потенциала спутника..................89

Глава 3. Моделирование пространственного распределения электрического поля вокруг космических аппаратов.....................................................................103

3.1 Моделирование распределения электрического поля вблизи космических аппаратов для сильно разреженной плазмы.....................................................107

3.1.1. Численная схема и многосеточный алгоритм решения.....................107

3.1.2 Адаптация вычислительного алгоритма для спутника Авроральный зонд....................................................................................................................111

3.1.3 Результаты модельных расчетов электрического поля вокруг спутника Авроралъный зонд............................................................................................114

3.2 Модель ленгмюровского слоя вблизи космического аппарата простой формы....................................................................................................................120

3.2.1 Геометрия модели...................................................................................122

3.2.2 Гидродинамический подход. Кинетический алгоритм.......................123

3.2.3 Метод крупных частиц (PIC метод)......................................................126

3.2.4 Результаты численного моделирования...............................................130

3.2.5 Влияние магнитного поля......................................................................135

Глава 4. Моделирование нестационарных процессов в тепловой плазме полярной магнитосферы.........................................................................................140

4.1. Нестационарная гидродинамическая модель тепловой плазмы TUBE7.142

4.1.1 Система уравнений модели....................................................................142

4.1.2. Геометрия модели..................................................................................143

4.1.3 Нейтральная атмосфера и скорость ионизации...................................144

4.1.4. Химические реакции..............................................................................145

4.1.5 Силы трения.............................................................................................149

4.1.6. Коэффициенты теплопроводности, скорости нагрева и

охлаждения........................................................................................................151

4.1.7 Вычислительные алгоритмы. Скорость нейтрального ветра.............152

4.1.8. Вычислительные алгоритмы. Температуры заряженных частиц.....154

4.1.9 Вычислительные алгоритмы. Концентрации и скорости ионов........155

4.2 Моделирование нестационарных процессов в тепловой плазме полярной магнитосферы.......................................................................................................159

4.2.1 Влияние начальных условий на режим истечения тепловой плазмы и характерные времена установления...............................................................159

4.2.2 Моделирование движений тепловой плазмы при электронном разогреве............................................................................................................163

4.2.3 Моделирование быстрых конвективных движений («поляризационного джета»)..........................................................................174

Глава 5. Экспериментальные измерения ионов Н+ и 0+ в полярной ионосфере и магнитосфере...........................................................................................................184

5.1. Измерения тепловых ионов 0+ на высотах до 2 ООО км со спутника Ореол-3..................................................................................................................184

5.2. Наблюдение полярного ветра на ночной стороне полярной шапки на высотах 2-3 RE по измерениям спутника Интербол-2.....................................194

Заключение..............................................................................................................220

Список литературы.................................................................................................222

Введение

Диссертация содержит результаты математического моделирования и экспериментальных исследований макропараметров тепловой плазмы полярной ионосферы и магнитосферы, проведенных на основе разработанных моделей среды, взаимодействия плазмы и спутника и данных российских и зарубежных космических аппаратов. Актуальность проблемы

Исследование движений тепловых ионов в магнитосфере, процессов оттока ионосферных ионов в магнитосферу является одной из важнейших задач физики ионосферно-магнитосферных взаимодействий. В настоящее время основным механизмом выноса легких тепловых ионосферных ионов Н+ и Не+ в магнитосферу считается так называемый полярный ветер, стационарная теория которого была предложена в 1968-1969 гг. в работах {Banks and Holzer, 1968 [16], Banks and Holzer, 1969 [14, 15], Banks, 1970 [13], Holzer, 1970 [104]), в последующие четыре десятилетия эта теория развивалась и уточнялась. Были использовано не только гидродинамическое приближение, но и кинетическое, квазикинетическое, 13-моментное приближения, модели, основанные на методах Монте Карло и частиц в ячейке (см., например, обзор Moore and Horwitz, 2007 [173]), однако главные физические принципы, положенные в основу модели полярного ветра, оставались неизменными.

Классический стационарный полярный ветер на больших высотах представляет собой поток легких ионов ионосферного происхождения, движущихся под действием сил амбиполярной диффузии со сверхзвуковыми скоростями вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Величина такого потока для ионов НГ достигает значения 108 см"2 с"1 , а его скорость « 20 км с"1. Более тяжелые ионы 0+ вследствие гравитационного притяжения в стационарных условиях способны достичь лишь небольших скоростей в несколько десятков метров в секунду. Поэтому считается, что поток ионов за счет классического полярного ветра состоит только из легких ионов Н+ и Не+.

Экспериментальные данные подтвердили эффективность этого механизма {Hoffman and Dodson, 1980 [100]), и на долгое время проблема выноса ионов в магнитосферу представлялась в основном решенной.

Новое повышение интереса к процессам выноса ионосферных ионов в магнитосферу произошло в начале 80-х годов. Оно было связано, с одной стороны, с существенным прогрессом в области масс-спектрометрии тепловой плазмы со спутников, что позволило получить ряд экспериментальных фактов, которые не укладывались в рамки стационарной теории полярного ветра. Так, стало ясно, что в магнитосфере доля ионов 0+, инжектированных из ионосферы, много больше, чем следовало из имевшихся расчетов, особенно во время и после магнитных бурь, с другой стороны, развитие нового подхода к моделированию системы ионосфера-магнитосфера и появление нестационарных моделей тепловой плазмы в магнитных силовых трубках позволило количественно подойти к описанию таких нестационарных процессов, как "ионный фонтан" в каспе, нагрев и ионизация в авроральном овале, заполнение опустошенной в результате магнитной бури плазмосферной силовой трубки и др. Несмотря на значительные достижения в теоретическом исследовании процессов оттока ионосферных ионов в магнитосферу, развитие математических нестационарных моделей является актуальным и в настоящее время.

Экспериментальные данные, полученные в последние годы, подтверждая общую справедливость теории полярного ветра, указали на наличие дополнительных, а в ряде случаев и более эффективных процессов инжекции ионов (в особенности, ионов 0+) в магнитосферу из высокоширотной ионосферы. Значительные восходящие потоки тепловых ионов 0+, были зарегистрированы еще в 80-х годах на высотах до «1 радиуса Земли на спутнике S3-3 и на высотах до 4 радиусов Земли на спутнике Дайнэмикс Эксплорер, на высотах до 2000 км на спутнике Ореол-3, что было затем подтверждено измерениями на спутниках Интербол, Polar и Akebono. Они

наблюдались преимущественно в каспе и авроральной зоне, т. е. именно там, где различные нестационарные процессы в тепловой плазме (нагрев и ионизация вторгающимися частицами, ускорение продольным и поперечными электрическими полями, значительные вариации (развороты) скорости конвекции и т.п,) наиболее характерны. Наши измерения на высотах до 2 ООО км со спутника Ореол-3 позволили впервые получить характеристики потоков ионов 0+ в области зарождения ионного «фонтана» в каспе и ионного «обвала» в полярной шапке.

Новый этап в исследовании тепловой плазмы полярной магнитосферы связан с международным проектом ИНТЕРБОЛ. Благодаря экспериментальным измерениям со спутника Интербол - 2 удалось не только подтвердить существование «классического» полярного ветра, но и получить его характеристики в ночной части полярной шапки. Вместе с тем, экспериментальное изучение динамики тепловой плазмы, в особенности ее функции распределения, макро характеристик представляет несомненный интерес.

При конструировании современных масс-спектрометров для проведения измерений тепловой плазмы на космических аппаратах необходимо определять режимы работы прибора и последовательности измерений. Таким образом, принципиальным является создание моделей приборов.

В силу низкой энергии истекающих потоков возникает проблема интерпретации самих измерений тепловых ионов. Хорошо известно, что на высотах в несколько тысяч километров спутник заряжен положительно вследствие фотоэлектронной эмиссии и баланса токов на поверхности спутника. Наличие даже небольшого потенциала значительно искажает измеренную функцию распределения. Особенно это существенно для измерений легких ионов Н+ и Не+. Таким образом, изучение процессов взаимодействия космического аппарата и окружающей плазмы становится отдельной актуальной задачей. Примеры такого взаимодействия для ряда случаев, позволяющих получить аналитическое решение, были рассмотрены в

классической книге Альперта, Гуревича и Питаевского, 1964 [299]. Ряд моделей распределения электрического потенциала вокруг спутника предложен в наших работах. Вместе с тем, задача в общем виде, с учетом сложной формы спутника и конечного радиуса Дебая еще долгое время будет актуальна. Цели работы.

Цель работы состоит в теоретическом (путем построения математических моделей тепловой плазмы, взаимодействия спутник - плазма, моделей измерений) и экспериментальном (по данным измерений на космических аппаратах) исследовании процессов в тепловой плазме полярной ионосферы и магнитосферы. При этом основное внимание уделялось комплексному подходу к исследованию тепловой плазмы, который включает в себя:

1. Построение моделей приборов, которые используются при их конструировании и обработке измерений.

2. Разработка моделей взаимодействия спутник плазма и пространственного распределения электрических полей и плазмы вокруг спутника.

3. Экспериментальные исследования полярного ветра и динамики тепловых ионов в каспе и полярной шапке.

4. Построение нестационарной гидродинамической модели полярного ветра и исследование на ее основе различных нестационарных процессов в полярной магнитосфере.

Научная новизна работы.

В диссертации приведены новые научные результаты, полученные автором в период с 1984 по 2012 год.

1. Построена модель измерений энерго - масс - угловыми спектрометрами с учетом потенциала спутника и температурной анизотропии. Проанализировано влияние различных параметров тепловой плазмы и заряда спутника на величины измеряемых ионных потоков.

2. Разработаны модели взаимодействия космического аппарата с окружающей плазмой, получены характерные особенности такого взаимодействия.

3. Разработана семиионная нестационарная гидродинамическая модель полярного ветра, которая позволила теоретически исследовать динамику тепловых ионов для таких явлений как нестационарный полярный ветер, ионный фонтан в каспе, отток, вызванный быстрыми конвекционными потоками.

4. Получены результаты прямых измерений продольных скоростей ионов 0+ со спутника в области высот полярной верхней ионосферы (400-2000 км). Обнаружены области нестационарного гидродинамического подъема ионов со скоростями вверх 0,3-0,6 км с"1. Показано, что характерными областями генерации этих "ионных фонтанов" являются дневной полярный касп и полярная граница аврорального овала на ночной стороне.

5. Экспериментально доказано существование области нисходящих потоков ионов 0+ в полярной шапке со скоростями несколько сот метров в секунду в условиях низкой геомагнитной активности.

6. Экспериментально исследованы потоки тепловых ионов РГ в полярной шапке на ночной стороне и доказана общая справедливость теории классического полярного ветра.

Практическая ценность работы

Полученные в диссертации экспериментальные и теоретические результаты, касающиеся тепловых ионов в полярной верхней ионосфере, важны для понимания процессов заполнения магнитосферы тепловой плазмой, в особенности, ионами 0+, формирования таких явлений как "ионный фонтан" в каспе, конических пучков и других факторов взаимодействия полярной ионосферы с магнитосферой. Эти результаты были использованы в ряде хоздоговорных НИР ИКИ РАН и БФУ им. И. Канта. Физические подходы к задачам моделирования нестационарных процессов в высокоширотной силовой трубке, и соответствующие алгоритмы, разработанные в данной диссертационной работе, были использованы при построении модулей пакета прикладных программ АРМИЗ, разработанного в Калининградском

госуниверситете (ныне БФУ им. И. Канта) и внедренного в Мировом Центре Данных Б. Полученные результаты могут применяться для увеличения надежности прогнозирования космической погоды.

Модели взаимодействия космического аппарата с окружающей плазмой и измерений спектрометрами тепловой плазмы могут быть использованы как при проектировании КА и приборов, так и при интерпретации экспериментальных измерений.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы были представлены более чем в 30 докладах на различных научных конференциях и семинарах в нашей стране и за рубежом:

• Всесоюзном семинаре "Актуальные вопросы ионосферно-магнитосферного взаимодействия" (г.Мурманск, 1983г.),

• Всесоюзном семинаре по ОНЧ-излу-чениям (г.Звенигород, 1983 г.).

• Всесоюзном семинаре по математическому моделированию ионосферных процессов (г.Иркутск, 1984г.),

• Международной конференции по результатам проекта АРКАД-3 (г.Тулуза, 1984 г.).

• Всесоюзном совещании "Полярная ионосфера и магнитосферно-ионосферные связи" (г.Апатиты, 1984 г.).

• Всесоюзном семинаре по моделированию ионосферы (г.Ростов-на-Дону, 1986 г.).

• 10 семинаре по моделированию ионосферы (г. Казань, 1990)

• Международной конференции "Dynamics of the magnetosphere and its coupling to the ionosphere on multiple scales from INTERBALL, ISTP satellites and ground-based observations", (Звенигород, 1999)

• 7 -й Международной конференции «Spacecraft Charging Technology Conference», (Noordwijk, The Netherlands,2001)

• Конференции COSPAR "Plasma processes in the near-Earth space: Interball and beyond", (Sofia, Bulgaria, 2002)

• Ассамблеях EGS (27-й в Ницце, Франция, 2002, 28-й й в Ницце, Франция, 2003, 30-й в Вене, Австрия, 2005, 31-й в Вене, Австрия, 2006),

• NATO Advanced Research Workshop "Effects of Space Weather on Technology Infrastructure (ESPRIT)" (Rhodes, Greece, 25-29 March 2003

• . Международной конференции "Auroral Phenomena and Solar-Terrestrial Relations", (Москва, 2003)

• 35-й ассамблее COSPAR (Paris, France, 2004)

• Международной научной конференции, приуроченной к 200-летию со дня рождения К.Г.Якоби (Калининград, 2005)

• 3-й Международной научной конференции «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования» (Воронеж, 2009)

• Международной конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики»,(Воронеж, 2009, 2012),

а также на семинарах ИКИ РАН, СЕТР (Франция) и БФУ им.И.Канта. Автор являлся руководителем грантов РФФИ 03-02-16749-а, 09-01-00628-а, 10-01-90717-моб-ст, 12-01-00477-а, исполнителем грантов РФФИ (98-01-00222-а, 01-01-00718-а, 04-01-00830-а, 05-01-10019-г, 10-01-05019-6, 11-01-00098-а, 11-01-00558-а), NASA grant JURRISS- NAG-8638. Результаты исследований зарегистрированы в ВНТИЦ (№ госрегистрации 01040002271). Личный вклад автора

Во всех исследованиях, представленных в диссертационной работе, лично автору принадлежат разработка методики исследований, проведение обработки данных, проведение вычислительных модельных экспериментов, анализ их результатов и интерпретация. Совместно с соавторами - постановка научной задачи, разработка численных алгоритмов и их реализация, подгото�