Турбулентные флуктуации потоков магнитосферных частиц и образование крупномасштабных структур на авроральных широтах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 581.521

СТЕПАНОВА Марина Владимировна

ТУРБУЛЕНТНЫЕ ФЛУКТУАЦИИ ПОТОКОВ МАГНИТОСФЕРНЫХ ЧАСТИЦ И ОБРАЗОВАНИЕ КРУПНОМАСШТАБНЫХ СТРУКТУР НА АВРОРАЛЬНЫХ ШИРОТАХ

01.04.08 - физика и химия плазмы

л' <V I1

/ ' №

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1992

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики МГУ им. М.В.Ломоносова

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Е.Е.Антонова

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Л.М.Зеленый

доктор физико-математических наук А.П-Кропоткин

Ведущая организация: Институт физики Земли им. академика

О.Ю.Шидта РАН

Защита диссертации состоится " 2^ " 199Д г.

в 7 5 чао. 1 мин. на заседании специализированного совета К 053.05.24 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова (г.Москва, Ленинские горы, НИИЯФ МГУ, 19 корпус, аул. '15 ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИШФ МГЗ Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного совета доктор физико-математичес: наук

Б.А.Фомин

Актуальность работы

Исследование природы полярных сияний за последние годы получили широкое развитие, что связано с ростом измерений основных параметров плазмы, электрических и магнитных полей на ИСЗ и космических ракетах, а также с развитием новых теоретических концепций и взглядов на природу суббури.

В настоящее время большинство обнаруженных ранее на эксперименте особенностей формирования структур электрических полей и токов в авроральных широтах, функций распределения частиц-получили теоретическое обоснование. Однако, в целом, проблему еще нельзя считать полностью решенной.

Цель работы

Целью представляемой диссертации является:

- изучение процессов расслоения магнитосферной плазмы в рамках концепции горячего расслоения магнитосферной конвек-[щи и формирование крупномасштабных структур полярных сия-яий. При этом было проведено теоретическое исследование вли-гаия зависимости ионосферной проводимости от потока и энергии высыпающихся электронов и изменения положения начала об-иасти продольного ускорения. Свойства крупномасштабных зтруктур и их связь с предсказаниями теории были изучены на 5азе данных спутника "Интеркосмос-Болгария-1300".

- изучение пространственного спектра флуктуация потоков истиц с различными энергиями на базе данных ИСЗ 'Интеркосмос-Болгария-1300" и их связь со спектром крупно-

масштабной конвекции.

Содержание работы

В I главе диссертации содержится обзор теоретических и экспериментальных работ . в области физики авроральной магнитосферы и ионосферы, токовых систем в авроральных широтах, основных особенностей функций распределения заряженных частиц в авроральной области и плазменном слое, генерации и расслоения магнитосферной плазмы, электрических полей конвекции и спектров турбулентности.

Во II главе дается развитие теории горячего. расслоения магнитосферной плазмы с учетом ранее не обсуадавшихся эффектов. Так вместо обычно используемой линейной зависимости продольного тока -горячих электронов от продольного падения потенциала, используется более сложная зависимость с учетол возможных изменений положения области начала ускорения щ» изменении давления магнитосферной плазмы. Также считалось, что проводимость Педерсена является постоянной величиной 1 не зависит от потока высыпающихся частиц. Данное предположение справедиливо только для освещенной полусферы.Рассмотрен! возможности увеличения и уменьшения числа крупномасштабны; структур. Наблюдаемая на эксперименте асимметрия крупномасш табного расслоения была связана с зависимостью интегрально] педерсеновской проводимости от потоков высыпающихся электро нов.

Были получены следующие результаты:

1. Учет положения начала области продольного ускорени

магнитосферных электронов приводит в ряде случаев к существенному увеличению основного параметра концепции горячего расслоения магнитосферной плазмы.

2. Учет зависимости проводимости Педерсена от потока высыпающихся электронов приводит к асимметрии расслоения первоначально симметричного продольного тока. При этом возникающая асимметрия расслоения зависит от направления меридионального педерсеновского тока, что позволяет объяснить результаты ряда экспериментальных наблюдений. .

3. В случае, когда начало области ускорения находится достаточно высоко, и функция распределения магнитосферных ионов близка к максвелловской, степень расслоения исходной структуры определяется отношением полуширины полосы втекаю/С* Т1

щего продольного тока к величине 1= / е 3*ят , где максимальнов значение педерсеновской проводимости в ионосфере за счет ионизации высыпавшимися электронами в отсутствии продольной разности потенциалов, 3*ят- маскимальное значение продольного тока электронов, сопровоздающего свободное газодинамическое истечение электронов в ионосферу, Ti - температура магнитосферных ионов.

Глава III посвящена экспериментальному изучению крупномасштабного расслоения по данным советско-болгарского полярного спутника "Интеркосмос-Болгария-1300". Составлены программы рассчета гидродинамических параметров плазмы в области расслоения. По результатам вторичной обработки информации

вычислен основной параметр теории горячего расслоения. Его значения были сравнены с полученными теоретически. Хорошее согласие теоретических выводов концепции горячего расслоения и результатов эксперимента в пределах ошибки измерений можно' рассматривать как подтверждение теории горячего расслоения.

Согласно концепции горячего расслоения магнитосферной конвекции образование квазистационарных структур происходит при выполнении условия магнитостатического равновесия в, магнитосфере, при этом имеет мерто расслоение магнитосферной конвекции при меридиональной модуляции давления горячих частиц, а поляризационными токами в первом приближении можно пренебречь, что справедливо, если скорость движения плазмы много меньше звуковой и альвеновской. Основным параметром задачи, определявдим возможное число образующихся структур является:

где ^(х)- невозмущенное значение продольного тока, х^- невозмущенное значение проинтегрированной по толщине динамо слоя педерсеновской проводимости, Ь - полуширина полосы вы-

ионов. С - функция, учитывающая отклонение функции распределения ионов от максвелловской и зависящая от продольной разности потенциалов мевду магнитосферой и ионосферой.

е .!?(£) Ь2

(I)

Г =

текающего тока, Т. - температура горячих магнитосферных

Учитывая связь между и крупномасштабным электрическим полем в ионосфере Е, значение Г можно также определить как:

Е е [Е] Ь Г = -

Т1

где [Е] - скачок крупномасштабного электрического поля поперек полосы.

Одиночной структуре соответствует значение Г ~ 1, двум структурам - Г ~ 6, трем - 20-40.

1. Точность измерений на ИСЗ "Интеркосмос-Болгария-1300" позволяет вычислить параметры Г и Гв, и сравнить их с предсказанными теорией горячего расслоения магни-тосферной плазмы.

2. При Г=(1-3) наблюдется одиночная токовая структура, значениям Г=(8-9) соответствует две, Г=30-40 - три структуры. Большее число крупномасштабных структур при низком уровне магнитовозмущенности в эксперименте не зарегистрировано.

3. Слабая модуляция температуры ионов вдоль траектории пролета спутника свидетельствует об интенсивном обмене частиц между магнитными силовыми трубками.

4. Параметры наблюдаемых в эксперименте мультшхлетных структур типа "перевернутого-у свидетельствуют в пользу существования в плазменном слое процессов, приводящих к меридиональной модуляции давления горячих частиц при изменениях

меридионального распределения их концентрации и соответству-вдего расслоения крупномасштабного продольного тока, переносимого горячими электронами магнитосферы.

5. Основным параметром, отределянцим появление мульти-плетных структур, явилась ширина области вытекающего продольного тока.

В IV главе проведен анализ вариаций потоков заряженных частиц по данным ИСЗ "Интеркосмос-Болгария-1300"на ав= рораргьншс широтах. Функции распределения частиц в космической плазме в квазистационарных условиях, как правило, хорошо описываются максвелловским распределением. Однако вопрос о природе процессов термализации частиц относится к наиболее сложным проблемам физики бесстолкновительной плазмы.

Характерное время максвеллизации, т.е. диффузии электронов не только по питч-углу, но и по энергии, в условиях бесстолкновительной плазмы может быть оценено при изучении зависимости флуктуаций потоков заряженных частиц на разных энергиях от флуктуаций электростатического потенциала. Если характерное время максвеллизации меньше характерного времени развития электростатического поля на данном масштабе, то зависимость потока частиц от потенциала в области вершины силовой линии описывается распределением Больцмана

= 1в>1»)в«Р(*в((|Р^р0)/Тв11) {2) где I®3?(Е) - поток частиц при постоянном потенциале р = ,

6|1 О

Те ^ - температура соответствующей компоненты, е - заряд электрона (знак + соответствует потоку электронов).

В случае чисто адиабатического ускорения электронов при энергии Е £ е (<pion- Vmag)

-Б -е«р10П-фта9) I*on(E)= const ne е Te е (3)

При условии термализации в области вершины силовой линии, полагая Фо=0, п(<р0)=п0

mag

-е ф а

е

е о

Поэтому при энергиях электронов, превышающих продольное падение потенциала, вариации их потока определяются вариациями ионосферного потенциала. Присутствие в исследуемой области продольного падения потенциала должно отразиться лишь на флуктуациях вторичных частиц с энергиями Е $ е(ф10П-<ршаё). Как было показано ранее при экспериментальном изучении спектров авроральных электронов, спектры вторичных частиц малых энергий имеют универсальный вид и при энергиях 30 - 500 эВ описываются степенным законом с показателем степени, лежащем в интервале (-2,-1), а их потоки нарастают с ростом потоков энергии первичных частиц.

Если учесть, что при неэквипотенциальное™ магнитных силовых линий в области вытекающего тока зависимость продоль-

ного тока от продольной разности потенциалов имеет вид:

(4)

3 =3* <1 + е (чРв - (р1оп)/Те)

где = е пе Т^/2/(2 % ше)1/2 - ток, соответствующий свободному газодинамическому истечению электронов из магнитной силовой трубки в ионосферу, те - масса электрона, а поток энергии электронов описывается выражением

J = 0.5 «Г

1 +

е(Ф10П- ч^) 1 + ~

Те

212

(5}

где = пе 21/2/(и; те)1^2. В соответствии с соотношением (45 флуктуации потоков вторичных электронов должны отражать как флуктуации ионосферного, так и флуктуации магни-тосферного потенциала.

В случае ионов, соотношения (2) и (3) с учетом знака выполняются при всех значениях энергии. Не существует общепринятой точки зрения на природу вторичных частиц, а также об их относительном вкладе в дифференциальный поток. В отсутствие вторичных частиц вариации ионных потоков полностью опре-■делялись бы вариациями ионосферного потенциала.

Так как в данной области пространства одновременно наблюдаются флуктуации поля с различными пространственно- временными масштабами, при экспериментальном изучении зависимости флуктуаций потоков частиц от флуктуаций потенциала ис-

пользовались метода спектрального анализа, ранее применявшиеся для изучения флуктуаций электрического поля.

Спектр! флуктуаций электрического потенциала в авро-ральной области по данным спутников БЕ-1 и БЕ-2, находившихся на одной магнитосопряженной силовой линии на ионосферных высотах и на высоте 1200 км, имеют при к<0.1 км-1 хорошо описываются зависимостью

®к = ^1п>-5/3<1 +

где Е^ - амплитуда спектра, соответствующая волновому числу к, Е0 - амплитуда спектра при к=кт1п. ко- подгоночный параметр. (к£ = — , где Е - проинтегрированная по высоте пе-

\ ТЛ р

дерсеновская проводимость в ионосфере).

Интересно отметить, что при к>к0, ф^ае~к1/б, т.е. очень слабо зависит от к, что практически означает постоянство концентрации магнитосферной плазмы в области вершины силовой линии. Если бы такая-зависимость не выполнялась, то сильные вариации 3*, в отсутствие непосредственных измерений температуры и концентрации в области вершины силовой ., линии, существенно затруднили бы экспериментальную проверку зависимости (4) только на базе данных измерений на спутнике, находящемся ниже области'продольного падения потенциала.

На инвариантных широтах 55°-60° оба спутника зарегистрировали степенной спектр флуктуаций электрического поля.

который хорошо описывается законом Колмогорова-Обухова:

В случае полной термализации, спектр флуктуации потоков частиц на ионосферных высотах должен был бы соответствовать спектру флуктуации поля на всех масштабах, т.е.

(1п 1)к ~ к"11/6 6

Но в облает^ больших продольных падений потенциала, как указывалось выше, за время пролета электрона через область продольного поля не происходит полной термализации, поэтому зависимость Р(Ю=(1п 1)к может отличаться от зависимости, даваемой соотношением (6).

Было показано:

I. Пространственный спектр флуктуаций частиц с энергиями больше продольной разности потенциалов имеет, универсальный вид,даваемый зависимостью (1п <1)к~ к-0*, где значение о( близко к даваемому выражением (6) .

2. Спектр флуктуаций ' вторичных частиц малых анергий имеет более пологую зависимость от к, близкую к к0.

3. В пределах ошибки измерения спектр флуктуаций ионов совпадает со спектром флуктуации первичных электронов.

Практическая значимость

Результаты диссертации представляют интерес для готовящихся спутниковых экспериментов (Интербол, КАСТЕР и др.), и

для теоретической интерпретации данных экспериментов, уже выполненных как в нашей стране так и за рубежом.

Полученные результаты также могут быть использованы для рассчетов по электризации космических аппаратов, а также при решении задач о причинах возникновения помех при дальней радиосвязи.

Апробация работы

Результаты диссертации докладывались на конференции КОСПАР, состоявшейся в Финляндии в ише 1988 г., на XX Генеральной ассамблее ГОСС в Вене в августе 1991 г., на семинаре по физике магнитосферы г. Апатиты, 28-30 январй 1982 г., на совещании по полярным сияниям и свечению ночного неба г. Апатиты в феврале 1982 г., на совещании "Геофизические явления в авроральной зонеЪ Норильск, ноябрь 1988 г.

По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ и одна работа находится в печати.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация содержит 27 страниц с рисунками, 2 страницы с таблицами и .7.7. страниц текста. Список цитируемой литературы состоит из!2'&аименований.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Антонова Е.Е., Степанова М.В. "К вопросу о роли адиабатических и неадиабатических процессов в формировании характеристик дискретных форм полярных сияний"//в сб. Морфология и физика полярных сияний. Полярный геофизический институт АН СССР. 1988. С. 59-62.

2. Антонова Е.Е., Степанова М.В., Тверской Б.А. "Влияние самосогласованной проводимости на расслоение продольных токов"// Геомагнетизм и аэрономия. 1988. Е. 28, N 1, С. 16-21.

3. Antonova Е.Е., LazarevV.l., Stepanova M.V., Tverskoy В.A., Teltsov M.V., Kuzmin А.К., Schkolnlkova S.I. "On the magnetospherlc convection stratification and discrete auroral arc formation Inferred from Intercosmo3-Bulgarla-I300 satellite data".// COSPAR abstracts., Finland. 1988. 18-29 July, ?. 101.

4. Антонова Е.Е., Лазарев В.И., Степанова М.В., Тверской Б.А., Тельцов М.В., Кузьмин А.К., Школьникова С.И., Исаев И.И. "Параметры мультиплетных структур типа "перевер-нутого-V" по данным ИСЗ "Инге ркосмос-Болгария-1300"//Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т. 31, N 2, С. 258267.

5. Antonova Е.Е., Lazarev V.l., Stepanova M.V., Teltsov M.V., Tverskoy В.A. "The hot magnetospherlc plasma splitting

and the formation of multiple lnverted-V structures".//Abstracts of XX General Assembly IUGG, VIENNA, 11-24 August, 1991, P. 418.

6. Антонова E.E., Степанова M.В., Тельцов M.В. "Флуктуации потоков частиц и спектры низкочастотной турбулентности по данным ИСЗ "Интеркосмос-Болгария-1300" //Геомагнетизм и аэрономия, 1992, в печати.