Волновые явления в магнитосфере Марса тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

РГ6 од

1 q ДПР 1503

российская академия наук .

ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правая рукописи УДК 551.310.53

Скальский Александр Александрович

ВОЛНОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В МАГНИТОСФЕРЕ МАРСА (по данным AMC "ФОБОС")

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

01.03.03- гелиофизика и физика солнечной системы

Москва 1993

Рабата выполнена в Институте космически:: исследований РАН Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук С.И.Климов Официальные оппоненты:

кандидат физико-математических наук Дубинин З.М.

(Институт космических исследования РАН) .

кандидат физико-математических наук Михайлов Ю.М.

(Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАЮ

Ведущая организация: НИИ®» МГУ

Автореферат разослан " 2Ь " .февки'гя 1993г.

заседании Ученого совета Института космических исследовая

РАН по адресу:

Москва, Профсоюзная 84/32.

С.диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН. Учэный секретарь Совета,

Защита диссертации состоится

кандидат

Д. В. Тит

. I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Исследования плазкы и магнитных полей, проведенные на пролетном зонде "Маринер-41' в 1972г.. на автоматических межпланетных станциях, ставших спутникам! Марса, "Марс-2, -3 и -5" в 1971-1974гг. и спускаемых аппаратах "Викинг-1 и -2" в 1976г. показали, что Марс по характеру обтекания потоком бесстолкновительной плазмы солнечного ветра занимает промежуточное положение между Землей, обладающей собственным сильным магнитным полем, и Венерой, у которой препятствие солнечному ветру формируется непосредственно на ионосфере планеты. Эта особенность, а также пространственные масштабы области взаимодействия Марс-солнечный ветер, сравнимые с гирорадиусом ионов набегающего потока плазмы, ставят проблему - насколько специфичны процессы формирования и динамики характерных границ и структур в плазменной оболочке Марса в сравнении с другими планетами?

Как было показано в многочисленных экспериментах около. Земли и других планет солнечной системы, структура к динамика характерных границ и областей, возникающих при обтекании препятствия потоком бесстолкновительной плаэиы, в значительной степени определяются коллективными взаимодействиями волн. и частиц. Летальное исследование процессов взаимодействия и их физическая интерпретация возможны на основе одновременно проводимых плазменных и волновых измерений. Отсутствие волновых измерений в предыдущих околомарсианских проектах не давало возможности однозначного решения поставленной проблемы. Поэтому стала актуальной задача, впервые реализованная в рамках проекта ФОБОС -провести детальнее экспериментальное исследование флуктуаций электрических и магнитных полей в плазменной оболочке Марса в широком диапазоне частот; выяснить их роль и значение в процессах формирования характерных границ и структур в области взаимодействия Марс-солнечный ветер.

В методическом плане при этом необходимо яыяо осуществить следующее:

а) цикл наземных испытаний и калибровок научной аппаратуры, предназначенной для волновых исследований;

г

б) обеспечение проведения волнового эксперимента в полете на Сорту ANC "ФОБОС";

в) разработку программного обеспечения для интерпретации данных волновых измерений совместно с данными плазменных и магнитных экспериментов.

Цели и задачи работы

1. Исследование морфологии колебаний электрических и магнитных полей ь характерных областях плазменной оболочки Марса и на их границах.

2. Изучение пространственного распределения, поляризации и механизмов генерации флуктуаций электрического поля на частотах, близких к электронноплазменной, в форшоке околомарсиакской ударной волны СУЮ.

3. Изучение динамики и характерных особенностей низкочастотных флуктуаций электрического и магнитного полей вблизи фронлг сверхкритической квазиперпендикулярной околомарсианской ударной волны.

Научная новизна работы

Впервые проведены измерения и интерпретация колебаний электрического и магнитного полей в различных областях плазменного окружения Марса в широком диапазоне частот от ОД Гц-до 250 кГц.

В области вверх по потоку от марсианской ударной волны обнаружены интенсивные колебания электрического поля на частотах, близких к электронноплазменной частоте С10-40кГц). Установлены их поляризация и пространственное распределение. Сравнительный анализ волновых и плазменных измерений показывает, что. механизм их возбуждения связан с кеустойчивостями, вызываемыми электронами, отраженными от фронта ударней волны и движущимися назад в облает! солнечного ветра.

В области фронта околомарсианской волны проведенс исследование колебаний электрических и магнитных полей j •диапазоне частот от 0,1 до 10 Гц. Данный диапазон, в шкал« характерных частот плазмы, находится в области частот; нижнегибридного резонанса (flLH -К Для случае]

пересечения планетарной волны, классифицированных ка1 сверхкрктические и квазиперпендикулярные УБ, исследован!

динамика колебаний в данном диапазоне частот. Установлен их электромагнитный характер; отношение наблюдаемых амплитуд колебаний электрического и магнитного полей позволяет интерпретировать моду колебаний в области подножия ударной волны как вистяерную, механизм генерации которой связан с нелинейной эволюцией скачка магнитного поля.

В магнитном шлейфе Марса обнаружены интенсивные колебания электрического поля в диапазоне 0,1 Гц - 3 кГц. Как правило, эти колебания наблюдаются в Сили вблизи) области нейтрального слоя, где происходит обращение знака Вх-компоненты магнитного поля. Сопоставление с плазменными данными показывает, что наблюдения колебаний электрического поля коррелируют с появлением так называемых плазменных облаков, состоящих из холодной Sf 100см'3 ; 3-НО зБ) плазмы. Обнаружено также присутствие горячей электронной компоненты.

Научная и практическая значимость работы

Результаты проведеных волновых измерений могут быть, использованы для построения и уточнения общей модели взаимодействия бесстолкновительного потока плазмы солнечного ветра с планетами, обладающими слабым собственным магнитным полем. В частности, исследования волновой активности исключительно важны для понимания процессов формирования характерных границ в плазменных оболочках планет этого класса.

Исследования околомарсианской ударной волны представляют самостоятельный интерес для физики бесстолкновительнкх сверхкритических квазиперпендикулярйых ударных волн.

Личный вклад автора

Автор непосредственно участвовал в привязке волнового эксперимента ПВС к системам аппарата, калибровке аппаратуры и проведении всех видов испытаний как автономно, так я в составе AMC "ФОБОС". Автор является непосредственным разработчиком алгоритмов и программ обработки данных, Им проведены анализ и физическая интерпретация данных.

Апробация работы

Материалы, приведенные в работе, докладывались на:

конференции по первым результатам проекта "ФОБОС" и будущим марсианским проектам. Парик, Франция, 1989;

сессиях Европейского Геофизического общества, Висбаден, Германия, 1991; Эдинбург, Великобритания, 1992;

конференции CAGU Chapman conference) по сравнительному изучению планет Венеры и Марса, балатонфюрен, Венгрия, 1991;

Генеральной ассамблее IUGG, Вена,Австрия, 1992;

25-ом ESLAB симпозиуме по изучение солнечно-земных связей, Килларней, Ирландия, 1992;

2-ой Европейской конференции по бесстолкновительным ударным волнам, Париж, Франция, 1992.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 16 работ.

Объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 23 рисунка и 7 таблиц. Библиография включает 53 наименования.

II ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируются цели и задачи работы, дается представление об основном содержании диссертации.

Первая глава посвящена краткому обзору данных по структуре плазменной оболочки Марса, полученных в различных экспериментах до полета AMC "ФОБОС".

Вторая глава содержит описание экспериментов по измерению электрического поля, магнитного поля и электронной компоненты плазмы, на борту AMC "ФОБОС". Дается представление od основных орбитах и модах работы аппарата около Марса.

Измерения электрических полей в широком диапазоне частот проводились в волновом эксперименте ПВС с помощью двойного сферического зонда Ленгмвра Срасстояние между двумя сферами- 1,45м). Сигнал с выхода дипольной антенны поступал •на вход 24-компонентного банка фильтров, перекрывавшего диапазон от 0,1 Гц - 250 кГц. Одновременное измерение разности потенциалов между одним из сферических зондов, на которые подавался ток смещения, и корпусом аппарата позволяло получить оценку потенциала КА относительно

окружающей плазмы. Цилиндрический зонд Ленгмпра, входивший в состав аппаратуры эксперимента ЛВС, делал возможным измереиия параметров холодной плазмы планетарного происхождения. На зонд подавалось пилообразное напряжение, свипируемое в диапазоне ±6В. Снимаемая вольт-амперная характеристика позволяла определить плотность и температуру плазмы.

Измерения магнитного поля проводились трехкомпонентным феррозондовым магнитометром МАГМА с динамическим диапазоном ±100 нТл и разрешением 0,03 нТл. Реализованный в бортовом программном обеспечении алгоритм БПФ позволял проводить измерения в частотном диапазоне 0,04-10 Гц одной из компонент магнитного поля.

Гиперболический электростатический анализатор ХАРП проводил измерения спектров электронной компоненты плазмы 8-d узконаправленными каналами (10x20°), ориентированными в антисолнечную полусферу. Каждый из каналов измерял поток электронов на 25 энергетических ступенях, логарифмически, расположенных в диапазоне от 3 до 550 эВ.

В главе дано описание мод работы аппаратуры каждого из перечисленных выше экспериментов, особенности их измерений, связанные со спецификой функционирования AMC.

Приведено также детальное описание двух основных орбит, на которых находилась AMC в период с 31 января по 26 марта 1989: эллиптической с периодом оборота около 3 суток и 8-часовой круговой.

В третьей главе дано общее описание волновых наблюдений, выполнекых на AMC "ФОБОС" с помощью прибора ПБС, в различных областях плазменного окружения Марса.

В четвертой главе приведены результаты детальных исследований области форшока околомарсианской ударной волны. Данная область характеризуется интенсивными флуктуациями электрического поля в диапазоне частот от 4 до 40 кГц с амплитудами от 1 до ЮмВ/м. Они наблюдаются в виде достаточно широкополосных эмиссии с максимумом интенсивности на частотах около элеятронноплазменнсй (оценка ее значения получена с использованием данных независимых плазменных измерений). Широкая полоса эмиссий -объясняется

инструментальными эффектами эксперимента ГОС.

Анализ поляризации высокочастотных колебаний показывает, что вектор их электрического поля ориентирован приблизительно параллельно локальному магнитному полю.

Статистика распределения границы области регистрации высокочастотных эмиссий вдоль орбиты AMC и в отдельных случаях прямые расчеты с привлечением модели марсианской ударной волны показывают, что внешней границей области наблюдения этих колебаний является силовая линия магнитного поля, тангенциальная к поверхности планетарной ударной волны.

Измерения электронной компоненты плазмы солнечного ветра указывают на то, что одновременно с регистрацией волновой активности на высоких частотах наблюдается возрастание потока электронов с энергиями от 100 до 350 эВ. Анализ питч-углового распределения этих потоков показал, что они сосредоточены в относительно узком конусе вокруг вектора магнитного поля и вектор потока направлен в солнечную полусферу. Выявлены .такке другие особенности функции распределения электронов при наблюдении колебаний в диапазоне электронноплазыенной частоты.

Свойства высокочастотных колебаний и особенности функции распределения электронов, наблюдаемые в их присутствии, аналогичны ранее известны?.! в форшоках других планет, например Земли м Венеры. Таким образом, общая модель форшока планетарной ударной волны может быть использована для описания явлений и в области вверх по потоку от околомарсианской ударной волны.

В пятой главе приведены результаты волновых измерений на околомарсианской ударной волне. Описаны наблюдения широкополосного (до нескольких килогерц) электрического шума в области подножия, фронта и переходной области.

Основное внимание уделено изучению флуктуаций электрического и мапштного полей в частотном диапазоне вика 10 Гц для случаев пересечений квазиперпекдикулярной, сверхкритической ударной волны. Данный диапазон, в шкале характерных частот плазмы, находится в области частоты

нижнегибридного резонанса СП =||ы ов 'ы о|). Рассмотрены два случая, характеризующиеся следующими параметрам: £=88°, М^гЗтЫ и , Мга=5г12. В обоих случаях ударная волна

пересекалась практически в подсолнечной точке.

Исследованы динамика интегрального уровня флуктуаций электрического и магнитного полей в области ударной волны; эволюция спектров флуктуаций магнитного поля при переходе из невозмущенного солнечного ветра в область релаксации плазмы (переходную область). Общая картина и динамика волновых явлений в области низких частот оказываются весьма схожими с уже известными из наблюдений на околоземной ударной волне. Эта аналогия делает возможным предположение о том, что основной модой колебаний в исследуемом диапазоне частот является вистлерная. Действительно, соотношения измеренных амплитуд колебаний электрического и магнитного полей находится в соответствии с теоретическими оценками для этого типа волн.

В заключении приведены основные результаты работ, выполненных п рамках диссертации:

1. Впервые проведены измерения флуктуаций электрического поля в широком диапазоне частот в области форшока марсианской ударной волны, на самой планетарной ударной волне, в переходной области, на плакето(мапшто)паузе и в магнитном шлейфе Марса.

2. Проведено детальное исследование области форшока околомарсианской ударной волны. Установлено, что:

-данная область характеризуется интенсивными флуктуациями электрического поля ь диапазоне частот от 4 до 40 кГц с амплитудами от 1 до 10 мВ/м и максимумом интенсивности на частотах около электронноплазменной, оцененной из независимых.плазменных измерений;

-высокочастотные колебания поляризованы приблизительно здоль локального магнитного поля;

-внешняя граница (по отношению к планетарной ударной волне) области регистрации высокочастотных эмиссий приблизительно совпадает о силовой линией магнитного поля, тангенциальной к поверхности планетарной ударной волны;

•-электронная . компонента плазмы солнечного ветра

модифицируется при наличии колебаний около злектронноплазмзнной частоты (возрастает поток электронов с энергиями 100-550 зВ, направленный вдоль магнитного поля в сторону от ударной волны);

-общая картина явлений в фориюке околомарсианской волны схожа с ранее известной по измерениям около Земли, что позволяет связать механизм генерации высокочастотных волн в марсианском форшске с электронами, отраженными от планетарной ударной волны.

3. В диапазоне частот порядка нижнегибридной исследованы колебания электрического к магнитного полей в подножье, на фронте и за фронтом (в области релаксации плазмы). Установлены;

-электромагнитный характер колебаний;

-особенности эволюции спектров флуктуаций магнитного поля при переходе из области невозмущенного солнечного ветра в область за фронтом ударной волны.

Соотношение измерепых амплитуд колебаний электрического и магнитного полей в подножье находится в соответствии с теоретическими оценками для вистлерной моды. Интерпретация моды колебаний позволяет считать, что механизм генерации низкочастотной турбулентности в квазиперпендикулярных сверхкритических ударных, волнах связан с нелинейной эволюцией скачка магнитного поля во фронте волны и подобен механизму образования "предвестника" в косых субкритическях бесстолхновительных ударных волнах.

Автор выражает свою признательность Европейскому космическому агентству и его представителям, А.Педерсену и Р. Грару, за предоставленную возможность работы по теме диссертации в Европейском центре космических исследований и технологий СНоордвайк, Нидерланды) в рамках исследовательской стипендии ЕКА. Автор благодарен К. Швингениу и П. Кирали за предоставленную возможность использовать данные измерений соответственно магнитного поля (прибор МАГМА) и электронов плазмы (прибор ХАРПЗ.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Grard Р... Pedersen А. , Klimov S. , Savin S. , Skalsky A. , Trotlgnon J.-G. and Kennel C. First measurements of plasma waves near Mars. - Nature, 1989, v. 341, p. 607.

2. Grard R.. Nairn C., Skalsky A. and Trotlgnon J.-G. Wave and plasma observations in the magnetotail of Mars. Chapmen Conference on Venus and Mars, Balatonfured, Hungary,1990.

3. Grard R., C.Nairn C., Pedersen A., Klimov S., Savin S., Skalsky A. and Trotlgnon J.-G. Plasma and Waves around Mars. - Planet. Space. Sci. , 1991, v. 39, nl/2, p. 89.

4. Grard R., Skalsky A. and Trotlgnon J.-G. Selected wave and plasma features cf the Martian environment, presented at IV COSPAR colloquim, Ann Arbor, to be published in Adv.Space Res., 1993,

5. Klimov S. , Savin S.. Skalsky A., Sokolov A,. Kraynyuk A. , Shapiro V., Grard R. and Pedersen A. Plasma wave effects associated with Phobos and Delmos moons, Abstracts: First results of the Phobos-Mars mission and future space exploration of Mars, 23-37 October 1989, Paris, France. CUES.

6. Nairn C., Grard R. , Skalsky A.and Trotlgnon J.-G. Waves and cold plasma observations near Mars.- Adv.Space Res., 1991, v. 11, n. 9, p.87.

7. Nairn C., Grard R., Skalsky A. and Trotlgnon J. -G. Plasma and Wave observations in the night sector of Mars.- J.G.R., 1991, v. 96. p. 11227.

3. Skalsky A., Kllmov S., Savin S., Zeleny L., Grard R., Pedersen A., Trotlgnon J.~G. and Bleski J. Structure of the characteristic regions in the Mars magnetosphere from plasma wave data. Abstracts: First, results of the Phobos-Mars mission and future spaco exploration of Mars, 23-27 October 19S9, Paris, France, CNES.

9. Skalsky A., Grard R.. Klimov S. , Kiraly P. , Trotlgnon J-G and Schwlngenschuh K. Wave observations upstream of the Martian bow shock.' Abstract, XVI General Assembly of EGS, Wiesbaden, Germany, Annales Geophysicae, supplement to v. 9. P.C392, 1991.

L0. Skalsky A., Grard E., Pedersen A.. Nairn C. , Klimov S., Sa<vipi' S.,. Trotignon J. -G.. Klraly P. and Schwingenschuh K. Comparative* studies of waves, plasmas and magnetic fields in the magnetosheath and the inner regions of the Mars plasma environment. XX General assembly IAGA, Abstracts and Program, 11-24 Vienna. Austria, p.501, 1991.

11. Skalsky A., Grard R., Klimov S., Nairn C.M.C., Trotignon J.-G. and Schwingenschuh K. The Martian bow shock: wave observations in the upstream region.- J.G.R., 1992, v.97, p. 39727-3933.

12. Skalsky A., Grard R., Klraly P., Kliraov S.. Kopanyi V., Nairn G.M.C., Schwingenschuh K.and Trotignon J.-G. Simultaneous plasma wave and electron observations upstream of the Martian bow shock. Abstract, XVII General Assembly of ECS, Edinburgh, United Kingdom, 1992.

13. Skalsky A., Grard R., Kiraly P., Klimov S.. Kopanyi V., Schwingenschuh K. and Trotignon J.-G. Simultaneous plasma wave and electron observations upstream of the Martian bow shock, accepted for publication in Planet.Space. Sci., 1992.

14. Trotignon J.-G., Kamelin M., Grard R., Pedersen A., Klimov S., Savin S., Skalsky A. and Kennel C. A comparison between the Earth's and Mars' bow shocks detected by the Phobos plasma-wave system.- Planet.Space.Sci., 1991, y.39, nl/2, p. 99.

15. Trotignon J. -G., Skalsky A., Grard R.. Nairn C. and Kllmev S. Electron density in the Martian foreshock as a by-product of the electron plasma oscillation observations. J.G.R., 1992, v.97. p. 10831-10840.

16. Trotignon J.-G., Grard R. and Skalsky A. Position and shape of the Martian bow shock: the PH0B0S_2 plasma wave system observations, to be published in Planet.Space.Sci., 1992.