Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Динамика релятивистских электронов в магнитосфере Земли: : роль волновых процессов в ускорении и воздействие на космические аппараты Романова, Наталья Вячеславовна

Динамика релятивистских электронов в магнитосфере Земли: : роль волновых процессов в ускорении и воздействие на космические аппараты
<
Динамика релятивистских электронов в магнитосфере Земли: : роль волновых процессов в ускорении и воздействие на космические аппараты Динамика релятивистских электронов в магнитосфере Земли: : роль волновых процессов в ускорении и воздействие на космические аппараты Динамика релятивистских электронов в магнитосфере Земли: : роль волновых процессов в ускорении и воздействие на космические аппараты Динамика релятивистских электронов в магнитосфере Земли: : роль волновых процессов в ускорении и воздействие на космические аппараты Динамика релятивистских электронов в магнитосфере Земли: : роль волновых процессов в ускорении и воздействие на космические аппараты
>

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Романова, Наталья Вячеславовна. Динамика релятивистских электронов в магнитосфере Земли: : роль волновых процессов в ускорении и воздействие на космические аппараты : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 25.00.10 / Романова Наталья Вячеславовна; [Место защиты: Ин-т физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН].- Москва, 2011.- 140 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-1/1112

Введение к работе

Актуальность проблемы

Работа посвящена исследованию динамики потоков электронов с энергией 10 -10 эВ, регистрируемых в магнитосфере Земли, в зависимости от параметров, характеризующих состояние магнитного поля Земли, межпланетного магнитного поля (ММП), солнечного ветра (СВ) и оценке влияния потоков этих частиц на функционирование геостационарных космических аппаратов (КА).

Магнитосфера Земли является внешней геофизической оболочкой нашей планеты и находится под постоянным воздействием процессов, происходящих в межпланетном пространстве, передавая это воздействие на внутренние оболочки - ионосферу и атмосферу. Наличие у Земли магнитного поля приводит к захвату энергичных частиц и образованию радиационных поясов.

Внешний радиационный пояс Земли является динамичным образованием - интенсивность потоков высокоэнергичных электронов (105-107 эВ) может резко возрастать и спадать во время магнитных бурь на 1 -3 порядка. Механизмы ускорения магнитосферных электронов до релятивистских энергий пока не выяснены, и задача их выявления является одной из самых актуальных в геофизике. Актуальность задачи описания комплекса факторов, приводящих к возрастанию потоков релятивистских электронов, определяется тем, что эти частицы представляют серьезную опасность для функционирования КА, в связи с чем их называют «электроны-убийцы» (killer-electrons).

В бесстолкновительнон магнитосферной плазме ускорение частиц преимущественно связано с взаимодействием волн и частиц. Из всех электромагнитных излучений в околоземной среде наибольшей мощностью обладают ультранизкочастотные (УНЧ) волны диапазона Рс5: 1-10 мГц. Статистические исследования роли УНЧ процессов в магнитосфере сдерживались отсутствием простого параметра, характеризующего общий уровень УНЧ турбулентности в околоземной среде. Для этой цели в Институте физики Земли РАН был предложен волновой ULF-индекс (ULF - Ultra Low Frequency по международной терминологии), характеризующий глобальный уровень волновой активности магнитного поля Земли. Оценка возможности применения этого индекса в различных задачах геофизики, в том числе в задачах, связанных с ускорением электронов в магнитосфере, до сих пор не проводилась. С использованием этого индекса в данной работе проводится оценка связи волновой активности геомагнитного поля с вариациями потоков релятивистских электронов, и оценивается возможность реализации в магнитосфере

механизма, при котором ускорение электронов происходит из-за их взаимодействия с УНЧ волнами при различных условиях, сложившихся в системе солнечный ветер - магнитосфера.

Из-за неполноты физических моделей и отсутствия общепринятого сценария ускорения магнитосферных электронов до релятивистских энергий более эффективным решением задачи прогноза вариаций потоков электронов являются эмпирические модели, использующие параметры, вариации которых вносят больший вклад в вероятность возрастания потоков. Несмотря на большое число предложенных моделей, до сих пор не существует модели, удовлетворительно предсказывающей появление экстремальных потоков релятивистских электронов с временным разрешением, представляющим практический интерес. Создание такой модели позволит прогнозировать рост потоков релятивистках электронов в области геостационарной орбиты с целью защитить функционирующие КА.

Также актуальной является задача сбора и систематизации достоверных данных о нарушениях, регистрируемых в бортовой аппаратуре КА. Выявление факторов космического окружения, ответственных за нарушения в работе геостационарных КА, в частности - потоков электронов и протонов различной энергии, является одной из задач диссертации.

Цель и задачи работы

Цели работы:

Изучение динамики потоков электронов с энергией от десятков кэВ до первых МэВ во внешнем радиационном поясе Земли, статистическая оценка связи возрастаний потоков с параметрами, определяющими состояние магнитосферы и солнечного ветра, определение возможных физических механизмов ускорения электронов до релятивистской энергии.

Создание эмпирической модели, предсказывающей экстремальные возрастания потоков релятивистских электронов в области геостационарной орбиты.

-Анализ влияния потоков электронов и протонов с энергией 104-107 эВ на функционирование работы бортовой аппаратуры высокоорбитальных КА.

В процессе исследования решались следующие задачи:

Изучение свойств новых геофизических ULF-индексов, статистическая оценка связи глобальной волновой активности, характеризуемой ULF-индексами, с факторами, характеризующими состояние околоземной среды.

Анализ связи вариаций потоков релятивистских электронов на расстояниях от 3 до 6.6 Re (где RE - радиус Земли) с волновой активностью магнитосферы в диапазоне Рс5, геомагнитной и авроральной активностью и параметрами солнечного ветра по данным

геостационарных спутников серий LANL и GOES и российского низковысотного спутника КОРОНАС-Ф.

Сравнительный анализ характера возрастаний потоков электронов с 104-107 эВ на расстояниях от 3RE до 6.6 RE, вызванных высокоскоростными потоками солнечного ветра из корональных дыр или приходом к орбите Земли выбросов корональных масс.

Построение эмпирической модели для предсказания экстремальных возрастаний потоков электронов, выбор оптимальных входных параметров и оценка их вклада в результат.

- Изучение связи отказов в работе бортовой аппаратуры геостационарных КА с потоками
электронов и протонов с энергиями от 10 до 10 эВ с использованием базы данных по
аварийным ситуациям на КА, зарегистрированных в период 1986-1996 гг.

Научная новизна

Впервые предложен интегральный волновой ULF-индекс, который лучше, чем любой из существовавших ранее параметров космической погоды, характеризует возрастание потоков релятивистских электронов на геостационарной орбите.

Разработана новая эмпирическая модель для предсказания роста потоков релятивистских электронов в области геостационарной орбиты с эффективностью предсказания -80% и временным разрешением 6 часов.

Впервые статистически подтверждено, что помимо электронов релятивистской энергии негативное влияние на геостационарные КА оказывают электроны с энергией от десятков до сотен кэВ.

Впервые показано и статистически обосновано, что элементы КА подвержены негативному влиянию протонов средней энергии (от 50 кэВ до 3 МэВ) в большей степени, чем протонов с энергией от 10 МэВ, как считалось ранее.

Положения, выносимые на защиту:

Длительное увеличение волновой активности магнитосферы в диапазоне Рс5, характеризуемой ULF-индексом, является одним из факторов, обуславливающих возрастания потоков релятивистских электронов в магнитосфере на расстояниях от 4 до 6.6/?.

Необходимым условием для роста потоков электронов с =105-107 эВ на дрейфовых оболочках L = 4 - 6.6 является инжекция в магнитосферу электронов с энергией около 100 кэВ во время суббурь.

Интегральный волновой ULF-индекс, предложенный в данной работе, лучше, чем любой из существовавших ранее параметров космической погоды, характеризует вариации потоков релятивистских электронов в области геостационарной орбиты.

Эмпирическая модель для предсказания роста потоков релятивистских электронов в области геостационарной орбиты, использующая в качестве входных параметров индексы волновой и авроральной активности и скорость солнечного ветра, дает возможность предсказать рост потоков с эффективностью 80% и горизонтом предсказания 6 часов.

Помимо потоков электронов релятивистской энергии, негативное влияние на элементы КА оказывают потоки электронов с энергией от десятков до сотен кэВ. Протоны сравнительно небольшой энергии (от 50 кэВ до 3 МэВ) представляют большую опасность для функционирования КА, чем потоки протонов с энергией от 10 МэВ и выше.

Научная и практическая ценность

Показано, что вариации потоков релятивистских электронов связаны с волновой активностью магнитосферы в диапазоне Рс5, причем характер этой зависимости в процессе ускорения электронов зависит от структур солнечного ветра, взаимодействующих с магнитосферой, и от дрейфовой оболочки. Показано, что интенсивность магнитной бури и даже ее наличие не связаны с возрастанием потоков релятивистских электронов.

Апробация нового ULF-индекса и введение интегрального ULF-индекса продемонстрировали, что они являются важными для задач космической геофизики параметрами, характеризующими глобальную волновую активность магнитосферы в УНЧ диапазоне.

Построенная эмпирическая модель способна за несколько часов предсказывать возрастания потоков релятивистских электронов в области геостационарной орбиты, что позволит защитить функционирующие КА.

Показано, что наряду с релятивистскими электронами и высокоэнергичными протонами опасность для функционирования КА представляют электроны с меньшей энергией (50-200 кэВ) и протоны сравнительно небольшой энергии (50 кэВ - 3 МэВ).

Личный вклад автора

Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно. Автором был поставлен ряд задач по исследованию особенностей связи вариаций потоков релятивистских электронов с условиями в СВ и магнитосфере. Автором скомпилирована база данных об отказах на КА и авариях при запусках ракетоносителей за большой период

времени, самостоятельно подобраны и проанализированы необходимые данные наземных и спутниковых измерений. Создан комплекс интерактивных и пригодных для широкого использования программ в пакете Matlab для проведения статистического исследования и построения регрессионных моделей.

Достоверность результатов, представленных в диссертации, подтверждается тем, что они получены на большом статистическом материале, с использованием физически и математически обоснованных методов. Полученные в работе закономерности находятся в качественном согласии с результатами исследований в мировой геофизике.

Апробация работы

Результаты, вошедшие в диссертацию, были представлены автором на ряде научных всероссийских и зарубежных конференций: «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 10-я межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (2004); Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике, Иркутск (2003, 2004); Научная ассамблея COSPAR (2004, 2006); Международная конференция по физике солнечно-земных связей, Иркутск (2004); Международные семинары «Physics of Auroral Phenomenon», Апатиты (2005, 2007, 2008); Международная конференция «Problems of Geocosmos», Санкт-Петербург (2004, 2006); Научная ассамблея IAGA (2005,2009); Всероссийская ежегодная конференция «Солнечная и солнечно-земная физика», Санкт-Петербург, ГАО РАН (2007, 2008); European Planetary Science Congress, Berlin (2006); International Symposium on Recent Observations and Simulations of the Sun-Earth System, Varna (2006); International School of Space Science «Turbulence and Waves in Space Plasmas», l'Aquila (2007); European Space Weather Week, Brussels (2007); Inner Magnetosphere Coupling workshop, Helsinki (2008); Конференция молодых учёных и аспирантов ИФЗ РАН, Москва (2009).

Результаты работы также обсуждались на расширенных научных семинарах в ИФЗ РАН, ИКИ РАН, НИФ им. Фока (Санкт-Петербург), ГАО РАН (Санкт-Петербург), Лаборатории Физики Высоких Энергий ОИЯИ (Дубна), Belgian Institute for Space Aeronomy (Brussels), Cyclotron faculty Louvain-la-Neuve University (Belgium).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 17 статьях в российских и зарубежных журналах, из них 9 - в рецензируемых изданиях из списка ВАК, 2 - в рецензируемых журналах, 6 - в сборниках и в трудах конференций.

Структура и объем диссертации

Похожие диссертации на Динамика релятивистских электронов в магнитосфере Земли: : роль волновых процессов в ускорении и воздействие на космические аппараты