Взаимодействие внеатмосферных молекулярных соединений с магнитосферой Земли и искусственными космическими объектами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

^ л

¿У

На правах рукописи

Лобанов Александр Борисович

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВНЕАТМОСФЕРНЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С МАГНИТОСФЕРОЙ ЗЕМЛИ И ИСКУССТВЕННЫМИ КОСМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ

Специальность 01.04.14 — теплофизика и молекулярная фюшса

А в т о р с ф с р а х диссертации на соискание ученой степени кандидата фшико-ыателмтическл.ч наук

Красноярск-1997

Работа выполнена на кафедре прикладной космофнзнкн Красноярского государственного университета

Научные руководители:

Ведущая организация: НПО Прикладной Механики (Красноярск - 26)

Защита состоится 1997 г. в ¿О часов 00

мин. на заседании диссертационного Совета № Д 064.54.02 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, Красноярск, ул. академика Киренского, 26, ауд. Г - 2-22.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Автореферат разослан " 1 $ " Шэлл^г^_1997 г.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, с подписью составителя, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

кандидат физико-математических наук, доцент кандидат физико-математических наук

Л.В. Граншцаш А.И. Сухппш!

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор доктор технических наук, профессор

В.С. Слашш А.А. Леиешсн

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

П.Н. Сильченко

ВВЕДЕНИЕ

I. Общая характеристика цчссщпипчошюп работы.

Диссертационная работа посвящена построению элементарной тсо-DHii взаимодействия наиболее характерно!! части внеатмосферных молекулярных соединений — космической пыли (КП) — с магнитосферой Земли н 1скусствениыми космическими объектами.

Актуальность. Согласно молскулярно-кнпетпчсскнм представле-шя.м. любое тело, в том числе, и внеатмосферное (космическое), состоит in мельчайших частиц — молекул (атомы при этом рассматриваются как од-гоатомные молекулы). Под термином "внеатмосферное тело" понимается сосмичеекое тело как цельное образование, взаимодействующее с геосферами и обладающее собственными электрическими и магнитными характерн-;тиками. Космическая пыль как наиболее характерная часть внеатмосферных молекулярных соединений представляет собой, в большей степени, -оединення молекул железа, никеля и соединении, обра ¡ующих окись крем-1ия. т.е. частиц пыли, которые обычно электрически заряжены и часта намагничены. Поэтому исследование динамики -внеатмосферных молекулярных соединений, представленных космической пылыо, является актуальным направлением физики околоземного космического пространства. (В соответствии с общепринятой терминологией в нашей работе отождествляются понятия КП и внеатмосферные молекулярные соеопнения.) Захваченная Землей КП может оказать существенное влияние на современное состояние как внешних геосфер, так и биосферы, при этом важное значение приобретет изучение тершакусгичсских процессов взаимодействующих с Землей пылевых образований. Кроме того, КП является носителем уникальной информации о происхождении и эволюции Солнечной системы и межзвездного вещества. В то же время, исследование КП является одной из сложнейших физико-технических задач. Этим объясняется отсутствие на сегодня ценой картины данного взаимодействии. Исследование обозначенной выше проблемы существенно также при решении задачи обеспечения работоспособности искусственных космических объектов при воздействии КП как поражающего фактора космического пространства. Решение указанных прикладных аспектов задачи стимулирует, в частности, дальнейшее развитие теоретических моделей, в основе которых лежит представление о гидродинамическом характере протекающих процессов при взаимодействии внеатмосферных молекулярных соединении с преградой (теории сильного «рыва на поверхности материала при столкновении 'высокоскоростной частицы с прирадои; теории электрического пробоя высоковольтной аппаратуры в открытом Космосе и т.д.).

Цель работы. Построение элементарной теории взаимодействш внеатмосферных молекулярных соединений (КП) с магнитосферой Земли i искусственными космическими объектами.

На защиту выносятся следующие ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Взаимодействие внеатмосферных молекулярных соединении с . магнитосферой приводит к образованшо устойчивой пылевой оболочю

сложной структуры и направленных пылевых потоков. Давление микроме теороидното газа на магнитосферу и индуцируемые заряженной КП электромагнитные поля оказываются пренебрежительно малы по сравнению с соответствующими характеристиками плазмы солнечного ветра (СВ). Ecjh динамика пылевых частиц с массой 10"12<m<10":> г определяется силам! гравитации и куловским рассеянием, частиц с массой m<10'ls г — особенностями их собственной внутренней структуры, то частицы с массалп 1(Г18<т<10"12 г можно рассматривать «вмороженными» в течение плазмь СВ и для них оказывается справедливым магнитогидродинамическни анализ. Учет взаимодействия КП с геосферами является существенным фактором для астрономической теории палеоклиматов.

2. Взаимодействие внеатмосферных молекулярных соединении с магнитосферой в области магнитного'каспа приводит к образованию метео-роидных роев.

3. Взаимодействие внеатмосферных молекулярных соединений с магнитосферой приводит к образованию пылевого потока в магнитоударио* хвосте, направленного к ионосфере от области перехода магнитного поля с одной доли хвоста на другую и пылевых потоков, направленных на 3C.miioî апекс(антиапекс).

4. Конвекция замкнутых силовых трубок к ионосфере от облает! перехода магнитного поля с одной доли хвоста на другую приводит к образованию УВ сжатия, при этом количественно подтверждается положение 3.

5. При взаимодействии КП с искусственными космическими объектами оказывается несущественной опасность сквозного пробивания корпус; аппарата, но важное значение получает возможность развития трещины которая со временем может привести к разгерметизации конструкции с последующей потерей работоспособности КА. Принципиальное значение имеет возможность инициирования электрического пробоя открытых высоковольтных установок в Космосе.

Общая методика исследований. Для построения общей картинь взаимодействия КП с магнитосферой используется тсорюГадиабатическш инвариантов, которая позволяет качественно проследить формирование устойчивой пылевой оболочки и пылевых потоков. Сужение Лльвеновскогс анализа процесса образования межзвездных пылевых облаков на обласп магнитного каспа как первого канала поступления энергии космическое

лазмы в магнитосфер)' позволяет проследить механизм образования метео-оидны.ч роев у Земли, в котором полярному каспу принадлежит главная оль. Развитие Альвенопской концепции "пылевой плазмы" позволяет ключнть КП в классическую картин)' конвекции СВ. рассматривая при гом (3-мстеороиды как самую характерную часть 1<П, захваченную СВ. [спользование при этом токовой модели "трех колец" Альвсна позволяет роследить общую динамику пылевой плазмы и распределение потока энер-ии, характеризуемого вектором Пойнтинга, в магнитосферу, а также пред-гавление о пылевом потоке в магнитоударном хвосте, направленном к оносфере. Хорошая корреляция токовой модели с имеющимися результата! эксперимента и магнитогндродинамичсского (МГД) анализа магнито-[])ерных процессов подводит к целесообразности применения конкретной 1ГД модели для количественных подтверждении выполненного качестве! I-ого анализа. Рассматривается область перехода магнитного поля с одной оли хвоста магнитосферы на другую и ставится задача численного нсслс-ованпч эволюции возникающих УВ на основе модели ".магнитной струны"' ля системы идеальных МГД уравнении. Анализ полученных результате!! аст представление о динамике пылевой плазмы и подтверждает существо-анис пылевого потока в магнитосферном хвосте. Решается также вопрос о эвместимости корпускул!грного и полевого подходов в физике взапмоден-гвия космической плазмы с электромагнитными полям!!. При исследовании рикладного аспекта задачи - взаимодействия КП с искусственными косми-ескими объектами - используются имеющиеся на сегодня сведения по рас-ределению КП в околоземном пространстве и полученные рапсе нсследо-ателями результаты расчета взаимодействия высокоскоростного мстеорои-а с преградой в рамках модели сильного взрыва на поверхности материала, олученные на основе представлений о гидродинамическом характере продающих процессов.

Научная новизна.

1. Анализом, выполненным на основе теории адиабатических инва-иангов, обосновано образование у Земли пылевой оболочки сложной груктуры и направленных пылевых потоков. Объяснено существование ылевого потока, направленного на земной апекс и предсказано существо-ание потока, направленного на земной ангиапекс и потока, направленного ионосфере от области перехода магнитного поля с одной доли магнито-])ерного хвоста на другую. Объяснена природа внеатмосферных молеку-ярных образований Кордылевского. Проведен сравнительный анализ- по эрреляции пересечения Землей плотных пылевых потоков (облаков) и ло-шьных (глобальных) экологических бедствий и показано, что взаимодей-гвие КП с Землей является существенным' фактором для астрономической ;орпи палеоклиматов.

2. Впервые объяснена природа существующих внутри магннтосф( ры метеороидных роев с плотностью выше фоновой, при ¿том показано, чт

. ключевая роль в образовании этих структур принадлежит магнитному ка пу.

3. Впервые на основе численной модели "магнитной струны" ра считана эволюция ударных волн в хвосте магнитосферы и подтверждс! существование ударной волны сжатия, показано при этом завышенное критического показателя сжатия. Наблюдаемое изменение параметров га: подтвердило положение о существовании микроме! еороидного потока магнитоударном хвосте.

4. Проведены оценки важнейших сторон воздействия внеатмосфе ных молекулярных соединений на искусственные космические объекты показано, что принципиальное значение полу част возможность иницииров ния электрического пробоя высоковольтной аппаратуры в Космосе, при эте оценен критический размер микрометеороида, способного вызвать пробо Обоснована необходимость использования активной защиты антропогенн* систем в Космосе.

Достоверность результатов исследований подтверждается пол ченными ранее на базе широкой спутниковой сети экспериментальный данными (Р.К.ВесИогс!, 1974; Н.ХНойшап с! а1., 1975; Т.Н. Назарова и д] 1976; Н^есЬ^ е1 а1„ 1979; ЧУ.ЬеппатБОп, Е.БЬеИу, 198 О.С.Графодатский, Ш.Н.Исляев, 1993), а также использованием фундамс тальных принципов молекулярной физики и теплофизики и магнитной ги родинамики при построении основных расчетных уравнений.

Практическая и теоретическая ценность. Построенная теор является новым шагом в физике взаимодействия микрометеороидного вен ства с магнитосферой Земли. Задача изучения эволюции УВ в магнитосфе ном хвосте доведена до численных результатов. Разработанное программн обеспечение может быть использовано в решении различных научных зад физики магнитосферы на основе системы идеальных МГД уравнений. В полненные оценки важнейших сторон взаимодействия микрометеороидга искусственными космическими объектами предназначены для повышен качества проектных работ при создании космических аппаратов (КА) свя; навигации и геодезии, а также могут быть положены в основу при пострс нии строгих моделей электрического пробоя высоковольтной аппаратуры Космосе, эрозии элементов КА, разрабатываемых на основе представлен о гидродинамическом характере протекающих процессов, и отработке кр териев моделирования.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из в! дения, пяти глав, списка литературы и приложения общим объемом 1

¡■границ, включая библиографический список из 63 наименования. 6 рисуп-сов. 9 графиков. 5 таблиц.

Личный вклад ¡штора.

Постановка задач, формулировка, определение и разработка всех изложений, определяющих новизну и научно-практическую значимость >аботы. Расчеты, оценки и разработка программного обеспечения задачи !ЫПОлнялись совместно с Е.А. Павличенко.

Апробация работы и публикации. Основные результаты днссор-ацноннои работы докладывались иа научных семинарах КрасГУ, на Крас-юярской научной конференции молодых специалистов "Экология Красно-рского края" (Красноярск, апрель 1997). на IV Российской студенческой кологичсской научной конференции (Красноярск, апрел1> 1997). на Между -[ародной научно-технической конференции "Спутниковые системы связи и [авигации" (Красноярск, сентябрь, 1997). Все результаты диссертации публикованы в работах 11] - [10].

1втор выражает признательность доктору физико-математических наук, рофессору Н.В. Еркаеву (ВЦ СО РАН. г. Красноярск), доктору фишко-гатематических наук, профессору В.Н. Сенаторову (ИСЗФ СО РАН. г. Ир-утск), доетору технических наук, профессору В. А. Меньшикову, кандидату ехнических наук Й.Л. Черкасову, кандидату технических наук В.А. Клыч-нкову, кандидату технических наук В.В. Лебедеву (ЦНИИ им. М.К. Тихо-равова Военно-космических сил. г. Москва), познакомившихся с рукопи-ью работы и сделавших критические замечаншш, которые были нами учте-ы в работе. Также автор благодарит Е.А. Павличенко за постоянную по-:ощь в работе.

3. Содержание работы

Введение содержит: а) общую характеристику диссертационной ра-эты и постановку задачи; б) состояние вопроса; в; основные результаты иссертации; г» краткое содержание диссертации.

Изложение состояния вопроса не претендует на полноту, а являст-I введением в круг задач, которые рассматриваются в последующих гла-

ix.

Глава 1 "Адиабатические фрагменты взанмодейетппн 1СП с апштосфсрой Земли" состоит из четырех параграфов и посвящена нзу-;нию взаимодействия КП с магнитосферой Земли в р;:л1..ах теории адиаба-1ческих инвариантов.

В параграфе 1.1 проводится рассмотрение взаимодействия КП с агшггосферой Земли в системе координат В, /.. основанной на адиабатиче-;их инвариантах, описывающих движение заряженной частнпы в геомпг-

(тном поле. Используются пинзый (и —то ' *2В - пп)~ $\Ъ(Х>2В

здесь ох-перпенднкулярный магнитному полю компонент скорости частшп массой т; а-определяет питч-угол, в котором захват невозможен) и второ!

(I = здесь (Ц|) - усредненный параллельный магнитному поли

компонент скорости) адиабатические инварианты. Использование теорш адиабатических инвариантов основывается, в частности, на оценке дебяев ского радиуса для твердых пылевых частиц 1п=-(к-Т/(8ж'П-с/))ш, (где Т-температура по шкале Кельвина, п - концентрация в м'3, к - постоянна. Больцмана). Для прозрачной плазмы, когда твердые частицы могут излу чать энергию, имеем 7—10 К и интегральную концентрацию п=10"" м"3 тогда /¿э=10 м. Показано, что данное взаимодействие приводит к формнро вашпо устойчивой пылевой оболочки и пылевых потоков, при этом оценет их среднее "время жизни". Области гравитационной конденсации отождест вляются с либрационными Лагранжевыми точками и идеям И.Канта отдает ся предпочтение в гозопылевой концепции Канта-Лапласа. Объяснена при рода внеатмосферных молекулярных образований Кордылевского. В пара графе 1.2 рассматривается динамика частиц КП, попавших в диапазон питч углов и взаимодействующих с атмосферой. При этом подтверждается гипо теза формирования как внешних геосфер, так и биосферы в условиях систе матического притока КП. В параграфе 1.3 рассматривается вклад заряжен нон КП в магнитосферные возмущения по отношению к СВ. Проведен срав нительный анализ (по отношению к СВ) давления микрометеорондного газ на магнитосферу и индуцируемого заряженными частицами КГ "микрометеорондного электромагнитного поля. В параграфе 1.4 рассмотре ны экологические аспекты задачи. Проведен сравнительный анализ по кор реляции пересечения Землей кометных пылевых потоков (облаков) и ло кальных (глобальных) экологических бедствий и показано, что взаимодей ствие КП с Землей является существенным фактором для астрономическо] теории палеоклиматов. При этом отмечено, что связь повышенной метеоро идной плотности с земными катаклизмами является проблематичной, и н может быть однозначно установлена только методами статистики. Сформу лировано первое положение:

1. Взаимодействие КП с магнитосферой приводит к образовании устойчивой пылевой оболочки сложной структуры и направленных пыле вых потоков. Давление микрометеорондного газа на магнитосферу ; индуцируемые заряженной КП электромагнитные поля преиебрежитель но малы по сравнению с. плазмой солнечного ветра (СБ). Если динамик пылевых частиц с массой г определяется силами гравитацги

и куловским рассеянием, частиц с массой т<Ш1Ь г — особенностями и. собственной внутренней структуры, то частицы с массами КГ18<т<10''

г можно рассматривать «вмороженными» в течение плазмы СВ и для них :сказывается справеачивым магншногидродннамическии анализ. Уче:п •ааимоОействия КП с Землей является смщестаенным фактором оля астрономической теории налеоклиматоа.

Глава 2 "Аккреция Землей мнкоомсгеороидного вещества через класть полярного касиа" посвящена аккреции Землей микромстсоронд-«ого вещества через область полярного касла.

3 параграфе 2.1 кратко раскрывается понятие мнкрометеороидного вещества в рамках ансамбля "пылевой плазмы" как совокупности классической плазмы СВ и заряженных частиц КП, для которых электромагнитные силы оказываются доминирующими, и формулируется задача исследования динамики КП в области магнитного каспа. В параграфе 2.2, используя Альве-новский подход, примененный им при анализе линчевания межзвездной пыли в процессе образования и дальнейшей эволюции пылевых облаков, решается поставленная ранее задача. Показано, .что топология каспового канала также приводит к явлению пинчевания и, как следствие, образованию метеороидных роев. По сути мы имеем дело с сужением Альвеновско-го подхода на область каспового канала магнитосферы. В параграфе 2.3 проведенным рассмотрением объясняется экспериментально подтвержденное (H.Feclitig el al., 1979) существование внутри 10 Земных радиусов до 15 датеороидных облаков с плотностью на 2-3 порядка выше фоновой. Это представляется важным, так как отсюда следует, что процессы образования .i дальнейшей эволюции пылевых облаков определяются не одними только гравитационными силами. Показано, что процессы образования и эволюции этих формирований управляются электромагнитными силами, а маг-штпый хасп выступает одним из важных (быть может, первых) каналов, герез которые осуществляется аккреция Землей той части мнкрометеоронд-юго вещества, которая принадлежит пылевой плазме. Вопрос перекачки энергии из этого компонента пылевой плазмы требует отдельного исследования. Отмечено, что изучение частиц с высоким зарядом имеет большое грикладное значение, в первую очередь, при решении .задач, связанных с -¡еобходимостью обеспечения работоспособности КА в околоземном косми-геском пространстве, где на первый план выступают вопросы электризации шпарата и инициирования электрического пробоя высоковольтной аппараты в открытом Космосе. К примеру, показано, что для графитовых электродов с характерной величиной межэлектродного зазора 1.0 мм и напряжением пробоя 12 кВ столкновение с пылевой частицей с потенциалом порядка '.есколысих киловольт способно привести к "зависанию" аппарата. Для минимальной энергии поджига, т.е. энергия, затрачиваемая на создание на whom из электродов вспомогательной искоы, которая способна вызвать ■».тлектоотный пвобой. ча катоде составляет /<;= 10'" - КГ° Цж. оценивается

эффект взаимодействия с микрометеороиднон частицей, пренебрегая в первом приближении потерями кинетической энергии при соударении и счпта:, что вся кинетическая энергия выделяется. В заключение сформулировано второе положение:

2. Взаимодействие КП с магнитосферой а области магнитного каспа приводит к образованию метеороидных роев с плотностями выше фоновой.

Глава 3 "Взаимодействие р-мегеороидов с магнитосферой Земли" состоит из двух параграфов и заключения и посвящена рассмотрению взаимодействия (З-метеороидов с магнитосферой Земли.

В параграфе 3.1 определяются {3-метеороиды как частицы достаточно малой массы, для которых сила светового давления оказывается больше, чем сила гравитационного притяжения к Солнцу, и формулнруется постановка задачи. Такие частицы выталкиваются световым давлением за пределы Солнечной системы и движутся практически по радиусу от Солнца. От возникают в результате столкновений вблизи Солнца, либо инжектируются из Солнечной атмосферы и являются самой характерной частью КП. "захваченненной" СВ и вместе с ним конвектирующей к магнитосфере Земли (рис.1).

Рис. 1. Конвекция плазмы солнечного ветра с пылевым компонентом. Данная картина получается наложением пылевого компонента на классы ческую картину конвекции СВ при южной ориентации Межпланетное<

Магнитного Поля (ММП), когда (иаимодей'-шчи.:; геомагнитного ноля и \ I.МП наиболее сильное.

Примечание. Безусловно, равномерное нанесение компонентов на рис. 1 (беграгировано от реальной физической картины, характеризуемой весьма сложным и нестационарным распределением взаимодействующих с магнн--осферой частиц, и отражает лишь наиболее общую динамику для рассматриваемых здесь элементов ансамбля "пылевой плазмы".) 3 параграфе 3.2 рассматривается движение [З-мстсорондов в поле отрицательно заряженной Земли. Решается задача для южной ориентации межплатного магнитного поля (ММП), поскольку в этом случае взаимодействие геомагнитного и межпланетного магнитных полей наиболее сильное, чго юлжно характерным образом отразиться на динамике мстеорои.-.ов. Подчеркнуто, что заряд, который несут на себе частицы КП. может варьиро-*аться в широких пределах и быть как положительным, так отрицательным, 1то определяется, в основном, балансом между током фотоэ.миссип элсктро-¡ои с поверхности метеоропдов, облучаемых СВ. Также (рассматривается юпрос о резком скачке заряда в облаке надтспловых электронов, когда он ложет возрасти примерно в тысячу раз. Рассматривается движение млкро-тетеороидов в поле отрицательно заряженной Земли.

МУШ-цепегяюг

МНО^епегаюг—^ Рис.2. Схема распределенгог вектора Пойнтпнга с токовой мо-;елью Аьвена. Данная картина получается наложением токовой модели I.ньвена на классическую картину магнитосферы при южном ММП .

При его прохождении учитывается угол 0, на который отклоняется траект: рия метеороида: Ь/Ое-ц, где »г<10п г - масса метеороида, 1

- его скорость в невозмущенном потоке, Ь=ЬЕ= Ю10 см - прицельный пар; метр, равный характерному размеру магнитосферы. С^б-КР Кл - зар* Земли, с7=10-16—10~12 Кл - заряд мшсрометеоропда. Если V«, положить раз ным средней скорости микрометеороида около Земли (у=20 км/с), то пр заданных параметрах и получаем для ^ величину порядка 10~1Ь 1 Принимается во внимание сила светового давления (на единицу поверхш сти): Р=(1/2тг)- Е- Н=2■ со= П/с, где со - средняя плотность электрома нитной энергии нормально падающей волны на идеально отражнющу поверхность (черта означает усреднение по времени); П - средняя пло-ность потока энергии; с - скорость света. Вблизи Земли /7= 1.4-103 Вт/м откуда для полностью поглощающей (отражающей) поверхности, перпенд) кулярной к излучению, Р=4.7-1(Г6 (9.4-1(Г6) Н/.\г, Для рассмотрения вза] модействия КП с магнитосферой используется токовая модель "трех коле! Альвена. Применение токовой модели Альвена позволило здесь получи: качественную картину распределения потока энергии при взаимодейств! пылевой плазмы с магнитосферой, который выражается вектором Пойнти; га (рис.2). (При работе с рис.2 необходимо принять во внимание примеч. ние к рис.1.). Объяснено существование пылевого потока, направленного 1 земной апекс и предсказано существование потока, направленного на зе> ной антиапекс и потока, направленного к ионосфере от области переход магнитного поля с одной доли магнитосферного хвоста на другую. В пар графе 3.3 раскрыто геофизическое следствие гипотезы: представление погрул<ении межпланетного пространства в "пылевой мешок", что связыв ется с захватом Солнечной системой межзвездной пыли. Формулирует) третье положение:

3. Взаимодействие КП с магнитосферой приводит к образованы пылевого потока в магншпоударном хвосте, направленного к ионосфере о области перехода магнитного поля с одной доли хвоста на другую и пыл вых потоков, направленных на земной апекс (антиапекс) .

Глава 4 "Ударные волны в хвосте магнитосферы" состоит 1 трех параграфов и заключения и посвящена численному исследованию эв люции УВ в геомагнитном хвосте при южном ММП. В модели конвекции пересоединением при южной ориентации ММП (когда взаимодейств! ММП и геомагнитного поля наиболее сильное) в хвостовой точке перес< единения зарождается ударная волна (УВ), так следствие того, что именно этой области образуются замкнутые силовые трубки, дрейфующие к Зсыл Данная область характеризуется гак магнитогидродинамический (МП разрыв, связанный с изменением направления магнитного поля при перех

дс с одной доли хвоста на другую. Динамика распада данного разрыва может быть исследована в рамках конкретной МГД модели. Модель оказывается справедливой для всего ансамбля "пылевой плазмы". Данный анализ обоснован наблюдаемыми величинами параметров микрометеороид-ного газа (см. гл. 1), а допущение "захвата" — полученными ранее исследователями результатами (Альвен, 1978). Для решения обозначенной проблемы используется метод "магнитной струны", опирающийся на введение "вмороженных" Лагранжевых координат. Лагранжевы координаты обеспечивают структуру, движущуюся вместе с плазмой, когда силовые магнитные линии рассматриваются как бы "вмороженными" в течение плазмы, и трехмерная система МГД уравнения расщепляется до двухмерной.

В параграфе 4.1 формулируется постановка задачи. Записывается система идеальных МГД уравнений, действительных для одножидкостного представления плазмы без диссипации в виде: др

■ + V-p-u = О

et

( В2\ Р +

р| — + uV |u = -V

dt J V 2 [i0.

— = Vx(uxB) dl v ;

V-B = 0

£+u.vl.-l = o

BVB

+-

(l.a)

(1.6)

(I.B) (l.r)

dt

(1.Д)

Уравнение (1.а)-это уравнение неразрывности (которое выражает закон сохранения материн), уравнение (1.б)-уравнение движения, уравнение (1.в)-уравнение индукции (в пределе бесконечной проводимости), уравнение (1.г)-одно из Максвелловских уравнений (выражение соленоидального свойства магнитного поля) и уравнение (1.д)-уравнение состояния. Переменные г. и и Р являются плотностью, скоростью и давлением плазмы, В-магнитное

С /

поле и /с-показатсль адиабаты (к = у^ ). Из условия слабо вморожен-

ного магнитного поля в однородный гиперзвуковой поток идеально проводящего газа следуют условия сохранения потоков энергии, массы, импульса, а также условие непрерывности тангенциальной компоненты электрическогс поля, которые записываются в виде:

в2

рип-+р+-

8л;

О

Ри,

и\+( к )Р

+

ипВ2-Вп(и-В)'

471

2 \k-VpJ [рип] = 0,[^] = 0;[(ихВ )(] = 0,

4тг

(2) = О

2

' со оо

Здесь квадратными скобками обозначена разность значений величии с обеих сторон поверхности разрыва, а индексами V и V отмечены нормальные I тангенциальные к поверхности составляющие векторов. Ставится задач; найти решение системы уравнений (1), используя данные параметры Р,г, р№. Вк, и,п . соответствующие невозмущенному солнечному ветру (СВ) I удовлетворяющие граничным условиям, которые заданы соотношениями н; разрывах (2). Для этой цели используются следующие безразмерные пере .ценные:

р В и р

Р® До "о Р«,««

(3)

К

где н = -альвсновская (гидромагнитная) скорость. При подставле

нии отнормированной системы переменных (3) в исходную систему урав нений (1) получается система МГД уравнений в безразмерном виде. МП уравнения образуют систему связанных нелинейных уравнений в частны: производных, что усложняет исследование аналитического решения дл поведения плазмы. Следовательно, возникает потребность в поиске удобны: приближений. Одно из таких приближений обеспечивается использование» лагранжевого метода - через введение специальной координатной системы I так называемыми вмороженными координатами. Вводятся вмороженны

оординаты н МГД уравнения в лагранжевой координатной системе. Ли-ранжевы координаты играют важную роль, позволяя расщепить трехмер-[ую задачу на совокупность двухмерных задач

Р/Р, „!>'.-.,

(а) (Ь)

Рис.3, (а) нормальные профили давления газа (сплошные линии) и нтрошш (штрихованные линии); (б) нормальные профили скорости газа штрихованные линии) и плотности (сплошные линии).

1агранжнан записывается во вмороженной координатной системе (а,Р,т) . ^ординаты (а,3,т) записываются в виде эйлеровских потенциалов для'к В: ри = Уа х Ур , В = Ур х Ут . и X В = Ур. Здесь р-параметр. ропорциональнын электрическому потенциалу и г-лагранжсва временная оордината вдоль линии потока. Якобиан преобразования равен плотности )за: 0(а,Р,т)/в(х,у,2) = р. Потенциалы а и р. инвариантны вдоль шиш тока: иУа = 0 , иУР = 0.

[отенцнал т имеет смысл времени движения частицы газа вдоль линии ока и удовлетворяет уравнению: и • Ут = 1. В параграфе 4.2 приведен лгоритм решения задачи. При расчетах используется криволинейная (полу-зодезическая) система координат (I,ц,(р), в которой //-расстояние до по-ерхности магнитопаузы, /-расстояние до лобовой точки, ^-азимутальный гол. Тогда координаты (х.у.х) или (а,Дт) становятся искомыми функциями г (1,ц(р). Плазма рассматривается в потоке в меридиональной XI-лоскости. В параграфе 4.3 обсуждаются результаты вычислений.

Численное исследование позволило проследить,, как меняются параметр! магнитного поля и газа - скорость, давление, плотность и энтропия (рсзуль таты представлены на 9 графиках). Разрыв в хвосте магнитосферы связан изменением направления магнитного поля при переходе с одной доли хвост на другую и пересоединением с силовыми линиями ММП. Задача характс ризуется симметричным распределением параметров плазмы и магнитно г пом на начальном слое и границах расчетной области. В прсдставленны далее результатах расчетов приняты следующие соотношения параметре плазмы и магнитного поля при задании граничных и начальных условш и-их=1', 0 (нулевая скорость соответствует развороту плазмы в геомагнитно: хвосте и дальнейшей конвекции к Земле, положительная скорость — соот ветственно, конвекции от Земли), />'/>'.. 1. где р=5см~

ги=400 км/с, Д с=10 нТл=10~'Гс — параметры, соответствующие споко1 иым геомагнитным условиям. Остальные термодинамические величин: определяются из уравнений связи и баланса давлений. В качестве стартово линии выбрана прямая 2=0, х=5Ь=75КЕ, так как в этой области имеет мест пересоединение и происходит разворот конвекции плазмы в направлении Солнцу. Предполагается также, что большинство инжектированных из ис носферы ионов с энергиями порядка нескольких электрон-вольт на нукло не проникают далее этой границы из-за сноса электрическим дрейфом п направлению к Земле. Ударная волна зарождаемся в хвостовой точке перс соединения, так как именно в этой точке образуются замкнутые силовы трубки, дрейфующие к Земле. Исследуется эволюция распада МГД-разрыв от точки пересоединения по направлению к Земле и от Земли вдоль ос магнитосферного хвоста. За положительное направление оси X выбран направление от Солнца к Земле. Нормальные профили параметров газа -скорости, плотности, давления и энтропии — показаны в прил. на рис. 3 (а Ь) для /1=+0.5Ь, /2=+1Ь. /3=+1.5Ь, где /, - расстояние от точки псресоедшк ния (на рисунке отмечено как 1, 2, 3 соответственно). Здесь ¿=6 - парамст) по которому шкалируется нормальная компонента ц, равный 5=15^2(Ж1; полуширине магнитосферного хвоста. Гораздо более наглядную картин динамики распада разрыва можно наблюдать во "вмороженных" координ; тах (здесь, из соображений лаконичности, мы ограничиваемся только но{ лильными профилями). На разрыве непрерывны термодинамические велг чины, а магнитное поле поворачивается вокруг направления нормали, ост; ваясь неизменным по своей абсолютной величине. Скорость газа с обей сторон вращательного разрыва параллельна полю. Нормальная составляй: щая скорости непрерывна и, взятая с обратным знаком, даст величину скс рости распространения разрыва относительно плазмы, совпадая с фазово скоростью (ил) альвеновских волн. Плотность и давление имеют максимум

очке, где тангенциальная компонента магнитного поля равна нулю. После юстгокення амплитудного значения параметры плазмы с ростом фронта дарной волны остаются стабильными. Рост энтропии на волновом фронте [оказывает, что это действительно ударный фронт. Наблюдаемые пики мак-имума и минимума плотности и энтропии соответствуют контактному раз->ыву. Рост давления газа и плотности показывает, что это волна сжатия, тем :амым подтверждается теорема Цемплена (следствие закона возрастания -нтропии). В то же время изменение концентрации в магнитосферном хво-те, как видно из расчетов, довольно слабое, что вполне соответствует экс-[срименгу. Таким образом, мы наблюдаем подтверждение существования /В сжатия и гипотезы Фридмана-Воронова о плазменном слое как УВ, но лассический показатель сжатия с! (с/=2), для которого распад УВ происходи- на расстоянии 1-2 КБ , представляется завышенным. То же показывает [ расчет эволюции силовых магнитных линий при северном и антисолнеч-гом ММП. Рассмотренная магнитострунная модель показала, что при юж-юй ориентации ММП диффузия магнитного поля вблизи точки пересоеди-[ения в магнитосферном хвосте ведет к образованию альвеновской волны, :арактеризуемой ускоренным движением плазмы, которое порождается [апряженностью магнитного поля на фронте медленной ударной волны. 1ри этом в области между ударными фронтами локализуется сжатая разо-ретая плазма, которая может быть отождествлена с плазменным слоем. Следовательно, высказанная в предыдущем разделе гипотеза о существовали направленного потока КП в геомагнитном хвосте с плотностью, по райней мере, на порядок выше фоновой оказывается жизнеспособной, [роме того, результаты используемой здесь МГД модели подтверждают оказанную в предыдущей главе непротиворечивость корпускулярного и олевого подходов при исследовании взаимодействия космической плазмы с лектромагнитными полями. В заключение обосновано четвертое оложение:

4. Конвекция замкнутых силовых трубок к ионосфере от области ерехода магнитного поля с одной доли хвоста на другую приводит к об-азованию УВ сжатия, при этом количественно подтверждается положение 3.

Заключительная глава 5 "Оценка воздействия мшсромстеоровд-ого вещества па искусственные космические объекты" состоит из трех араграфов и посвящена прикладным аспектам задачи, связанным с обеспе-ением работоспособности КА при воздействии КП как одного из поражающих факторов космического пространства. При решении задачи исполь-эвались полученные ранее исследователями результаты расчета взаимодей-гвия высокоскоростного метеороида с преградой в рамках модели сильного

взрыва на поверхности материала, полученные на основе представлений о гидродинамическом характере протекающих процессов.

В параграфе 5.1 формулируется постановка задачи. В параграфе 5.2 выполняются оценки: а) частоты столкновения КА с микрометеороидами; б) по используемым теплорегулирующим покрытиям; в) по вакуумном}' пробою высоковольтной аппаратуры, обусловленному столкновением КА с частицами КП.

Таблица 1

Частота столкновения космического аппарата с микрометеороидами

Масса (т), г Поток (Ф), 1/м2-сутки

1-Ю"4 1.3-10"4 -8.82

МО'5 2.8-10"3 -7.48

МО6 5.7-10"2 -6.18

1-Ю'7 23.7 -4.54.

1-Ю"8 56 -2.9

МО"9 570 -1.9

МО"10 1.4Т04 0.85

1-Ю"11 з.мо5 1.7

1-Ю"12 5.7-10б 2.3

1-Ю13 1.4Т08 4.9

В частности, таблица 1 демонстрирует частоту столкновения КА с микрометеороидами, таблица 2 - потоки проникающих микрометеороидов для характерных материалов КА, таблица 3 - оценку эрозии конструкционных материалов КА (здесь - для алюминия). Показано, что опасность непосредственного сквозного пробивания корпуса КА мшерометеороидом отсутствует в условиях натурной эксплуатации аппарата, но важное значение получает возможность развития трещины, которая со временем может привести к разгерметизации конструкции с последующей потерей работоспособности КА. Пластины типичных конструкционных материалов КА, таких какА1, ПЭТ ОА, Ф4МБ, К-8, К-208 толщиной 0.029, 0.050, 0.090, 0.030 см соответственно и площадью 1 м2, могут быть пробиты в среднем один раз в сутки. При этом частота столкновения КА с микрометеороидами резко возрастает с з'менъшешгем массы последних. В частности, для КА с поперечным сечением 1 м2 и метеороидных тел массой 1СГ' (КГ5) г частота столкновения составляет один раз в 21 год (350 сут.) соответственно. Для сравнения,- приведем значение, которое дают исследователи: »сгреча КА с поперечным сечением 1 м"* с метеороидным телом массой т> Ю-1 г может произойти в среднем не чаще одного раза в 160 лет (Кондратьев и др., 1966).

Таблица 2

Поток проникающих тикромстеороидов на геостационарной орбите

/. см Ф, 1/м"-суткп

А1 ПЭТ ОА Ф4МБ К-8

0.001 5.8 6.8 7.8 5.9

0.004 3.4 4.3 5.4 з:5

0.010 1.8 2.8 3.8 1.9

0.040 -0.5 0.4 1.4 -0.5

0.10 -2.1 -1.2 -0.2 -2.1

0.40 -4.5 -3.8 -2.6 -4.5

1.0 -6.1 -5.2 -4.1 -6.1

4.0 -8.5 -7.6 • -6.5 -8.5

Здесь / - глубина проникновения в материал, Ф - поток мстсороидов в сут. на кв.м. проникающий на эту глубину.

.Таблица 3

Оценка эрозии конструкционных материалов космического аппарата на квадратный метр 1. Для А1:_

Мас- Диа- Глубина Поток Пло- Площадь эрозии Эрозия

са метр проник- <?), щадь за год, м2/год за 10 лет

(«О, кратера но- 1/м~-СЛТ эрозии на кв.м.

г (О). мкм вения (1), мкм ки СБ/сутки X мкм"/су тки %

10° 2.1-Ю3 425 0.21 3.4-105 1.2-10"3 1.2

10"6 986 197 4.6 0.76-106 0.2-10"3 0.2

ю-7 462 92 98 0.16-106 58-10'6 0.058

10"8 212 42 2.2-103 0.03-106 11-Ю6 0.011 .

ю-9 98 19 5.4-10" 7.5-103 2.7-Ю"6 0.002

10-ю 46 9.2 9.8-105 1.6-103 0.6- 10б

ю-" 21 4.2 2.2-107 346 0.1-10с

ю-р- 9.8 1,9 5.4-10* 75 ■ 0.02Т0"6

10-13 4.5 0.8 1.7-Ю10 15 0.005-Ю-6

Этот результат указывает на необходимость использования активной защиты, основанной на отклонении заряженных частиц КП электромагнитными

полями, искусственных космических объектов, в первую очередь станции, направляемых для научно-исследовательской работы к окраинам Солнечной системы (например, к Плутону). Рассчитаны потоки проникающих микро-метеороидов на геостационарных орбитах, которые должны учитываться при проектировании КА. Показано, что оценка эрозии теплорегулпрующих покрытий не превышает 4.5 % за 10 лет эксплуатации КА и сделан вывод, что все применяемые ТРП обладают высокой стойкостью и сохраняют высокие эксплуатационные свойства в условиях натурной эксплуатации. Тем не менее, покрытие элементов солнечных батарей (стекло К-8, К—208) представляет собой сетчатую "паутину", что приводит к снижению к.п.д. солнечных батарей. Показано, что частицы способны инициировать электрический пробой высоковольтной аппаратуры в открытом космическом пространстве, и оценен минимальный радиус микрометеороида, при испарении которого может возникнуть газовый разряд в облаке паров. Он составил от целых до десятых долей микрометра с напряжением пробоя до десятков киловольт. При ударах частиц о поверхность электродов открытых высоковольтных устройств величина эмитшруемого заряда может превышать 108 е, что аналогично инициированию вакуумного пробоя вспомогательной искрой. Выполненные оценки объясняют, в частности, непредусмотренные отключения высоковольтных систем ретрансляционной аппаратуры, расположенной вне приборного термоконтейнера на спутниках серии "Экран", и преждевременное ухудшение эксплуатационных характеристик за счет значительной (дс 30% в год) нерасчетной деградации энергетических характеристик солнечных батарей (расчетная — 10%) на спутниках серии "Молния" и "Глонас" В параграфе 5.3 сделаны выводы по выполненным оценкам и обосновано пятое положение.

5. При взаимодействии --КП с КА оказывается несущественное опасность сквозного пробивания корпуса аппарата, но важное значение получает возможность развития трещины, которая со временем моэ/сен, привести к разгерметизации конструкции с последующей потерей работоспособности К4. Принципиальное значение имеет возможность инициирования электрического пробоя открытых высоковольтных установо!-в Космосе.

4. Результаты исследований;

Основными результатами диссертации являются следующие полу ченные положения:

I. Взаимодействие внеатмосферных молекулярных соединений < магнитосферой приводит к образованию устойчивой пылевой оболочга

ложной структуры и направленных пылевых потоков. Давление микроме-еороидного газа на магнитосферу и индуцируемые заряженной КП элек-ромагнитные поля оказываются пренебрежительно малы по сравнению с оответствующими характеристиками плазмы солнечного ветра , (СБ). Если [инамика пылевых частиц с массой 10'12<т<10'5 г определяется силами равитации и куловским рассеянием, частиц с массой т<10"18 г — собенностями их собственной внутренней структуры, то частицы с массами 0"18<т<10'12 г можно рассматривать «вмороженными» в течение плазмы "В и для них оказывается справедливым магнитогидродинамический ана-:из. Учет взаимодействия КП с геосферами является существенным фак-ором для астрономической теории палеоклиматов.

И. Взаимодействие КП с магнитосферой в области магнитного кас-а приводит к образованию метеороидных роев с плотностями выше фоно-ой. Взаимодействие КП с магнитосферой приводит к образованию пылево-о потока в магнитоударном хвосте, направленного к ионосфере от области ерехода магнитного поля с одной доли хвоста на другую и пылевых пото-ов, направленных на земной апекс (антиапекс).

III. Конвекция замкнутых силовых трубок к ионосфере от области ерехода магнитного поля с одной доли хвоста на другую приводит к обра-эванию УВ сжатия, при этом количественно подтверждается положение II.

IV. При взаимодействии КП с КА оказывается несущественной пасность непосредственного сквозного пробивания корпуса аппарата, но ажное значение получает возможность развития трещины, которая со вре-;енем может привести к разгерметизации конструкции с последующей погрей работоспособности КА. Принципиальное значение имеет возможность нициирования электрического пробоя открытых высоковольтных установок Космосе.

Опубликованные работы по теме диссертации

3. Лобанов А.Б., Павлшенко Е.А . Адиабатические фрагментi взаимодействия космической пыли с магнитосферой Земли Краснояр. ун-т — Красноярск, 1997, с. 35, Деп. в ВИНИТ!-24.03.97, №893~В97.

2. Лобанов А.Б., Павличенко Е.А . Экологические аспекты взаимс действий! космической пыли с Землей//Тезисы доклада на нау1 ной конференции "Экология Красноярского края" , Краснояра ч.прель 1997, с.47. Тезисы IV Российской студенческой эколоп ческой конференции "Эколопш и проблемы защиты окружак щей среды", Красноярск, апрель 1997, с. 122.

3. Лобанов А.Б., Павличенко Е.А. Аккреция Землей микромсте; роидного вещества через область полярного каспа// Космичесм исследования, 1996, том 34, № 5, с. 479-482.

4. Лобанов А.Б., Павличенко Е.А . Взаимодействие ß-метеороидс с магнитосферой Земли// Космические исследования, 1997 (в п чати).

5. Лобанов А.Б., Павличенко Е.А . Токовая модель Альвена и ра> пад МГД разрыва при южной ориентации Межпланетного Ма нитного Поля// Геомагнетизм и аэрономия, 1997, том 37. № 2, 29-42.

6. Лобанов А.Б., Павличенко Е.А . К эволюции ударных волн п{ антисолнечной и северной ориентациях Межпланетного Ма нитного поля// Краснояр. ун-т — Красноярск, 1997, с. 35, Деп. ВИНИТИ 11.04.97, № 1200-В97.

7. Лобанов А.Б., Павличенко Е.А . Оценка воздействия микром теороидного вещества на искусственные космические объекть Космические исследования, 1997 (в печати).

8. Лобанов А.Б., Павличенко Е.А. Прикладные вопросы взаим действия микрометеороидного вещества с магнитосферой Зс;