Возмущения в магнитосферно-ионосферной системе тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

/ Г 8 ОД

0 ,На правах рукопис] УДК 550.382 550.385

САФАРГААЕЕВ Владимир Ваисович

ВОЗМУЩЕНИЯ В МАГНИТОСФЕРНО-ИОНОСФЕРНОЙ

СИСТЕМЕ

Специальность 01.03.03 - гелиофизика и физика солнечной системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в Полярном геофизическом институте Кольского научного центра Российской Академии Наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Ляцкий В.Б.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Уваров В.М.

кандидат физико-математических наук Ляцкая A.M.

Ведущая организация: Институт физики Земли Российской

Академии Наук.

£ -7

Защита состоится 199т г. в "_" час. на зеседапии

Диссертационного совета Д 063.57.51 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная, 7/9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан " " _1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат физико-математических наук

Зайцева С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации исследованы некоторые вопросы теории генерации и распространения МГД-волн и возмущений в магнитосферно - ионосферной системе.

Актуальность. Исследование космического пространства является одной из наиболее быстро развивающихся областей знания. Этому способствуют, в частности, все возрастающие требования практического характера - повышение надежности радиосвязи, обеспечение работоспособности спутников, радиационная безопасность, возможное влияние космоса на самочуствие человека и др. Все более актуальным поэтому становится вопрос прогнозирования магнитосферных возмущений. Решение этого важного прикладного вопроса невозможно без фундаментальных исследований физических процессов в магнитосфере и ионосфере.

Если в начальный период исследования магнитосферные процессы рассматривались изолировано от ионосферных, то теперь ясно, что большой класс геофизических явлений определяется как магнитосферными, так и ионосферными параметрами. Это дает возможность говорить о существовании магнитосферно-ионосферной системы. Временной диапазон возмущений этой системы охватывает интервал сгг нескольких секунд до нескольких часов, пространственные масштабы могут меняться от нескольких километров до размера магнитосферы. Проявления этих возмущений разнообразны. Короткопериодная часть возмущений (геомагнитные пульсации) несет в себе информацию об условиях генерации и распространения МГД-волн и может быть использована для диагностики околоземной плазмы. Более длительные возмущения (суббури и бури) влияют на радиосвязь и, возможно, на самочувствие человека.

Несмотря на разнообразие проявлений, физическая природа взаимодействия магнитосферы и ионосферы одна - взаимосвязь обеспечивается текущими вдоль силовых линий электрическими токами. Ключевую роль поэтому в магнитосферно-ионосферном взаимодействии играют возмущения типа альвеновских волн.

Интерес к вопросам магнитосферно-ионосферного взаимодействия не ослабевает, чему свидетельствует поток публикаций на эту тему, а так же существование традиционных (и открытие новых) регулярных международных и отечественных семинаров по различным проблемам магнитосферно-ионосферного взаимодействия.

Цель работы - теоретическое исследование некоторых вопросов генерации и распространения МГД-волн и возмущений в магнитосферно - ионосферной системе.

Научная новизна. По степени новизны полученные в работе результаты можно разделить следующим образом:

1) исследования такого тиПгг ранее проводились, но не были достаточны (формирование анизотропии давления в переходной области, волноводное распространение магаигозвуковых волн в плазменном слое, распространение волн в области с плавным градиентом плазменного давления, исследование вариаций ионосферных параметров перед суббурей при помощи радара EISCAT);

2) дается новое объяснение известным явлениям (предварительный импульс SI, амплитуда SI, пульсаций Pel в области каспа, триггирование магнитосферной суббури распространяющейся в плазменном слое магнитозвуковой волной, трансформация магнитозвуковой волны в альвеновскую во время SI, наблюдаемое радаром EISCAT понижение концентрации ионосферной плазмы перед началом брейкапа);

3) исследования такого рода ранее не проводились (желобковая неустойчивость магнитопаузы, генерация ОНЧ-волн областью аномального сопротивления, вариации светимости в двух параллельных авроральных дугах перед началом суббури).

Практическая ценность работы состоит в том, что удалось понять ряд существенных особенностей в поведении исследованных МГД-волн и возмущений. Получены формулы, которые позволяют оценить наземный эффект МГД-возмущений, обусловленных внезапным изменением динамического давления солнечного ветра (амплитуда SI, амплитуда предварительного импульса SI, амплитуда пульсаций Psi5). Практический интерес представляет выявленная роль различных факторов (проводимость ионосферы, продольная проводимость, ориентация ММП) в процессе генерации геомагнитных пульсаций. Разработана методика цифровой обработки телевизионных изображений авроральных дуг.

Реализащт работы. Результаты работы использовались при написании четырех монографий: Мальцев Ю.П. Возмущения в магнитосферно - ионосферной системе. Апатиты, 1986; Физика авроральных явлений, (ред. Брюнелли Б.Е. и Ляцкий В.Б.), Ленишрад, Наука, 1988; Магнитосферно - ионосферная физика. Краткий справочник, (ред. Мальцев Ю.П.), Санкт-Петербург, Наука, 1993, Мальцев Ю.П. Лекции по магнитосферно - ионосферной физике.

Апатиты, 1995. Результаты работы, полученные в гл.З, 4, используются для развития прогностической модели генерации магнитосферной суббури, развиваемой в ПГИ.

Апробация. Результаты исследования в виде устных и стендовых докладов представлялись на ежегодных всесоюзных (всероссийских) семинарах, проводимых ИФЗ (обе. Борок) и ПГИ (г. Апатиты), конференции Математические модели ближнего космоса (Москва, 1987 и 1994 гг.), международных конференциях, совещаниях и рабочих встречах: SUBSTORM1, г.Кируна (Швеция, 1992), Исследования атмосферы оптическими методами, г.Апатиты (Россия, 1993), Магнитное пересоединение на магнитопаузе и динамика сияний, г.Апатиты, (Россия, 1995), 7th EISCAT scientific workshop, Корсика (Франция, 1995), E-region plasma instabilities, гЛиндау (Германия, 1995), SUBSTORM3, г.Версаль (Франция, 1996), Problems of Geocosmos, С.-Петербург (Россия, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ. На защиту выносятся:

1. Механизм генерации желобковой неустойчивости на дневной магнитопаузе.

2. Механизм формирования анизотропии плазменного давления в переходном слое и сценарий генерации пульсаций диапазона Pel в области дневного каспа.

3. Результаты изучения распространения МГД-волн в области размытой внутренней границы плазменного слоя и внутри плазменного слоя, заключенного между двумя долями хвоста.

4. Механизм генерации ОНЧ-волн в области аномального сопротивления.

5. Механизм генерации предварительного импульса SI и долгопериодных пульсаций Psi5 в результате сжатия магнитосферы солнечным ветром.

6. Результаты анализа предсуббуревой активности полярных сияний по оцифрованным данным TV-камеры и EISCAT-радара.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, заключения и четырех глав. Каждая глава состоит из введения, заключения и нескольких параграфов. Диссертация содержит 155 страницы машинописного текста, библиографию из 117 наименований, 26 рисунков, одну таблицу.

Во Введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание работы.

В первой главе исследованы некоторые новые типы МГД-возмущений на магнитопаузе и в плазменном слое.

Во Введении дан обзор литературы и сформулированы вопросы, изучению которых автор посвятил данную главу.

В параграфе 1.2. исследуется возможность развития желобковой неусточивости дневной магнитолаузы. При обтекании магнитосферы солнечным ветром вблизи дневной магнитолаузы образуется область пониженной концентрации плазмы (магнитный барьер.) Если при этом концентрация магнитосферной плазмы окажется больше, чем плотность плазмы в магнитном барьере, граница раздела -магнитопауза - будет неустойчива относительно желобковых возмущений. Выражение для инкремента нарастания желобковой неустойчивости получено в рамках простой модели -три сорта жидкости с различными плотностями в поле силы тяжести, имитирующей силу диамагнитного выталкивания. Предполагается, что развитие желобковой неустойчивости на магнитопаузе может явиться причиной веерообразной структуры дискретных форм сияний вблизи дневного каспа.

В параграфе 1.3. исследованы МГД-волны в области размытой внутренней границы плазменного слоя. Волны в значительной степени направляются магнитным полем. Их скорость вдоль магнитного поля близка к альвеновской, составляющей величину ~ 103 км/с. Групповая скорость поперек магнитного поля достигает в магнитосфере нескольких десятков км/с и имеет как радиальную, так и азимутальную составляющие. Продольная магнитная компонента в волне в несколько раз превышает радиальную. Если плотность плазмы уменьшается с удалением от Земли медленнее, чем по закону Г~г, волна способна испытать полное внутреннее отражение в магнитосфере. Возможно, что с этим связано иногда наблюдаемое отсутствие пульсаций на Земле

при одновременном наблюдении их в магнитосфере. Еще одно возможное проявление волны - распространение бухт аврорального риометрического поглощения как в восточно-западном, так и в северо-южном направлениях.

В параграфе 1.4. исследовано распространение магнитозвуковой волны в трехслойной среде, моделирующей хвост магнитосферы с плазменным слоем и долями хвоста. Получено выражение, связывающее амплитуду колебания границы плазменного слоя с амплитудой внешнего возмущения (внезапного импульса давления солнечного ветра).

В Заключении сформулированы основные результаты главы.

Во второй главе рассмотрена генерация некоторых видов геомагнитных пульсаций и низкочастотных волн в магнитосферной плазме.

Во Введении дан краткий обзор работ по данному вопросу.

В параграфе 2.2. изучен новый механизм формирования анизотропии плазмы в экваториальной части силовой трубки, движущейся от фронта ударной волны к магнитопаузе. Концентрация частиц на экваторе определяется как сумма "квазизахваченных" (с питч-углами близкими к 90°) и пролетных (поступающих вдоль силовой трубки с флангов ударной волны) частиц. По мере приближения трубки к магнитопаузе экваториальный участок трубки движется существенно медленнее ее торцов. Показано, что концентрация "пролетных" частиц при этом уменьшается, и функция распределения частиц по питч-углам становится резко анизотропной. Рассмотрена возможность генерации геомагнитных пульсаций диапазона Pel в области каспа вследствие проникновения в дневную магнитоферу анизотропных протонов переходного слоя. В рамках предложенной модели высокоширотные Pel должны возникать при северном направлении ММП, исчезать при южном и регистрироваться преимущественно в предполуденные часы.

В параграфе 2.3. показано, что при быстром появлении области аномального сопротивления эта область является источником ОНЧ-волн. Распространяясь вдоль магнитного поля, эти волны взаимодействуют с электронами с W ~ 10 - 100 кэВ. Амплитуда возмущения велика и может вызвать быструю (за один баунс-период) диффузию электронов в конус потерь. Рассмотрено также поведение продольного тока после развития неустойчивости и образования аномального сопротивления. Показано, что развитие

аномального сопротивления приводит к понижению порога неустойчивости. Включенное аномальное сопротивление имеет поэтому тенденцию сохраняться и при уменьшении протекающего через него продольного тока. При уменьшении тока ниже нового порога неустойчивости аномальное сопротивление выключается, протекающий через него ток начинает возрастать, и процесс включения-выключения может стать периодическим. При характерных параметрах среды период пульсаций < 1с.

В параграфе 2.4. обсуждается возможность генерации искусственной альвеновской волны установленными на борту космического аппарата источниками ультрафиолетового излучения. Источники УФ излучения создают путем импульсного облучения участка ионосферы область повышенной ионизации. В присутствии внешнего электрического поля стационарной конвекции эта область поляризуется. Электрическое поле поляризации распространяется в магнитосферу в виде альвеновского импульса. При мощности источника 5 кВт и горизонтальных размерах ионизованной области 50 км амплитуда генерируемого импульса может достигать 10 мВ/м на уровне ионосферы.

В Заключении сформулированы основные результаты главы.

В третьей главе исследуются процессы в магнитосферно-ионосферной системе во время внезапного изменения динамического давления солнечного ветра.

Во Введении дан обзор литературы и сформулирован ряд вопросов, все еще остающихся, по мнению автора, открытыми для обсуждения.

В параграфе 3.2. предложен механизм генерации так называемого предварительного импульса. Внезапные импульсы изменения динамического давления солнечного ветра сопровождаются внезапными изменениями потока высыпающихся частиц, что в свою очередь приводит к изменению ионосферной проводимости в авроральной зоне. Область измененной проводимости перестраивает существующую в ионосфере систему токов и генерирует в присутствии внешнего электрического поля альвеновский импульс. Скорость высыпающихся электронов больше скорости магнитозвуковой волны, ответственной за ступенькообразное изменение поля на поверхности Земли (81) в результате уменьшения или увеличения размеров дневной магнитосферы. Поэтому эффект перестройки ионосферной системы токов будет наблюдаться на Земле примерно на 1 минуту раньше самого

В параграфе 3.3. на примере возбуждения тороидальных альвеновеких колебаний при сжатии или расширении магнитосферы обсуждается новый механизм трансформации магнитозвукового импульса сжатия в альвеновскую волну. При сжатии магнитосферы происходит возмущение азимутального движения магнитосферной плазмы, что приводит к скручиванию экваториальных участков силовых линий относительно их вмороженных в ионосферу концов. Скручивание распространяется вдоль силовых линий в виде альвеновской волны. Сравнение расчетных значений амплитуд генерируемых возмущений с наблюдаемыми свидетельствует о достаточно высокой эффективности предложенного механизма.

В параграфе 3.4. применен новый подход для рассчета отклика геомагнитного поля на резкое изменение динамического давления солнечного ветра. Показано, что наличие горячей плазмы в магнитосфере ослабляет амплитуду отклика, причем степень ослабления пропорциональна магнитному потоку в высокоширотной магнитосфере, включающей в себя плазменный слой и доли геомагнитного хвоста. Амплитуда отклика ослабляется вдвое (по сравнению со случаем "пустой" магнитосферы), когда экваториальная граница авроральной зоны имеет широту 65°, а внутренняя граница плазменного слоя располагается на расстоянии восьми земных радиусов. В этом же параграфе обсуждаются возможные последствия прохождение магнитозвукового импульса через плазменный слой. Предполагается, что сильные колебания границ слоя, когда их амплитуда становится сравнимой с полуголщиной слоя, могут инициировать взрывную фазу суббури.

В Заключении сформулированы основные результаты главы.

В четвертой главе приводится ряд новых экспериментальных результатов, полученных автором при изучении предсуббуревой активности сияний по данным радара ЕШСАТ и ТУ-камеры.

Во Введении приведен обзор литературы по данному вопросу.

В параграфе 4.2. анализируются одновременные ЕГБСАТ- и ТУ- данные начала суббури 15 ноября 1993г. Выбранный интервал характеризуется псевдобрейкапом, в ходе которого активная дуга пересекла зенит ЕКСАТ, а также прохождением через зенит ЕКСАТ волны свечения (У/Тй). Анализ вариаций ионосферных параметров во время псевдобрейкапа показал наличие авроральной полости на полюсной кромке активной душ, связанной,

повидимому, с областью втекающих продольных токов. Ранее обнаруживаемое радаром понижение концентрации ионосферной плазмы перед суббурей связывалось с так называемым федингом сияний. За одну минуту до прихода к зениту ЕГБСАТ волны свечения (\\ПГ8), наблюдается увеличение температуры ионов в Р-области, что интерпретируется как результат существования области повышенного электрического поля перед фронтом ХУТБ. В литературе описано лишь несколько случаев прямых измерений параметров ионосферы в окрестности АУТБ.

В параграфе 4.3. исследованы вариации светимости в нескольких существующих одновременно авроральных дугах незадолго до начала суббури. В работе использовались оцифрованные телевизионные данные обе. Лопарская. Все исследованные события (более сорока событий) разделились на два типа: синфазные, длительностью около 15 секунд и-противофазные, длительностью более одной минуты. В ряде случаев противофазные события проявляются как скачкообразное (с дуги на дугу) перемещение волны активности от полюса к экватору со скоростью 4 км/с. на уровне ионосферы. Предполагается, что противофазный характер активности нескольких дуг свидетельсьвует о том, что пересоединение магнитных силовых линий в одном месте магнитосферного хвоста препятствует пересоединению в другом месте.

В Заключении сформулированы основные результаты главы.

В разделе Заключение сформулированы основные результаты диссертационной работы.

1. Показано, что дневная магнитопауза может быть неустойчива относительно желобковых возмущений, если при обтекании магнитосферы солнечным ветром вблизи магнитопаузы образуется область с пониженной концентрацией плазмы (магнитный барьер).

2. Показано, что уход частиц с малыми питч-углами из приэкваториальной области силовой трубки в процессе ее движения от фронта ударной волны к магшггопаузе, приводит к появлению сильной анизотропии давления в переходном слое. При северном направлении ММП анизотропная плазма переходного слоя попадает в магнитосферу, где является источником пульсаций ~ 1 Нг.

3. Исследовано распространение МГД-волн в области размытой внутренней границы плазменного слоя и в трехслойной среде, моделирующей хвост магнитосферы с плазменным слоем и долями.

4. Показано, что возникновение аномального сопротивления в области протекания продольных токов приводит к генерации импульса ОНЧ-волн.

5. Предложен механизм генерации предварительного импульса 81 за счет локального изменения ионосферной проводимости в дневной части авроральной ионосферы. Предложен механизм генерации пульсаций Рб15 в результате возмущения конвекции магнитосферной плазмы.

6. Изучены вариации светимости в нескольких авроральных дугах перед началом суббури. Выделено два типа явлений -синфазное изменение интенсивности свечения в двух параллельных дугах (8Р события) и противофазное, когда уярчение одной из дуг сопровождалось ослаблением или исчезновением другой дуги (СР события). Храктерное время БР событий составляет 10 - 20 секунд, СР события длятся больше минуты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ляцкий В.Б., Сафаргалеев В.В. Генерация ОНЧ-волн в области аномального сопротивления. Геомагн. и аэрономия, 1985, 25, 958.

2. Сафаргалеев В. В., Мальцев Ю.П. Внутренние "гравитационные" волны в плазменном слое, Геомага, и аэрономия, 1986, 26, 270.

3. Сафаргалеев В.В., Мальцев Ю.П. Генерация предварительного ипмульса и долгопериодных пульсаций во время SI. Геомагн. и аэрономия, 1987, 27, 246.

4. Ляцкий В.Б., Сафаргалеев В.В. О трансформации магнитозвуковой волны в альвеновскую во время SC и SI. Геомагн. и аэрономия, 1987, 27, 253.

5. Ляцкий В.Б., Сафаргалеев В.В. О генерации пульсаций в диапазоне Pel в области каспа. Геомапн. и аэрономия, 1989, 29, 665.

6. Ляцкий В.Б., Сафаргалеев В.В. Желобковая неустойчивость магнитопаузы при наличии магнитного барьера, Геомагн. и аэрономия, 1991, 31, 354.

7. Сафаргалеев В.В., Мальцев Ю.П. Влияние магнитосферной плазмы на амплитуду внезапного импульса. Препринт ПГИ 90-11-79, Апатиты, 1991, 6.

8. Сафаргалеев В.В., Ляцкий В.Б. О возможности генерации искусственной ионосферной неоднородности источником УФ-излучения, Геомагн. и аэрономия, 1992, 32, 173.

9. Сафаргалеев В.В., Ляцкий В.Б. Возможность возбуждения суббури внезапным импульсом, Геомагн. и аэрономия, 1993, 33, 139.

10. Safargaleev V.V., Yu. P. Maltsev, A Generation of preliminary impulse during SSC, SUBSTORMS 1, Proceedings of the First International Conference on Substorms. Kiruna, Sweden. 23-27 March 1992, 171.

11. Safargaleev V.V., V.B. Lyatsky, On the possibility of triggering of substorms by magnetosonic wave traveling along the magnetotail, SUBSTORMS 1, Proceedings of the First International Conference on Substorms. Kiruna, Sweden. 23-27 March 1992, 327.

12. Safargaleev Y.V., V.B. Lyatsky, Guided waves in the plasma sheet and triggering of a substorm, Ann.Geophysicae, 1994, 12, 1018.

13. Rezhenov B.V., Y.V. Safargaleev, W.B. Lyatsky, On the formation of a plasma pressure anisotropy in the dayside magnetosheath. Ann. Geophysicae, 1995, 13, 237.

14. Арыков AA, Белова Е.Г., Гвоздевский B.B., Мальцев Ю.П., Сафаргалеев В.В. Геомагнитная буря как результат усиления высокоширотного магнитного патока, Геомагн. и аэрономия, 1996, 36, 39.

15. Maltsev Yu.P., Arykov А.А., Belova E.G., Gvozdevsky B.B., Safargaleev V.V. Magnetic flux redistribution in the storm time magnetosphere, J. Geophys. Res., 1996, 101, 7697.