Введение к работе
. В диссертации рассмотрено наиболее мощное и крупномасштабное волновое электромагнитное явление в околоземной среде – Pc5 пульсации, являющиеся по своей физической природе магнитогидродинамическими (МГД) волнами.
Актуальность диссертационного исследования. Геомагнитные пульсации являются наиболее интенсивным проявлением волновой электромагнитной активности в околоземном пространстве. МГД волны, пронизывающие все околоземное космическое пространство, доносят до земной поверхности информацию о свойствах окружающей Землю плазмы. Среди всего многообразия типов геомагнитных пульсаций Pc5 колебания с периодами порядка 3-10 минут являются одним из наиболее мощных волновых процессов в магнитосфере Земли: их амплитуда на геосинхронной орбите достигает 20-30% от уровня геомагнитного поля, масштаб Pc5 волны сравним с размером магнитосферы. Pc5 пульсации эффективно переносят энергию солнечного ветра (СВ) в магнитосферу и далее в ионосферу, активно влияют на динамику заряженных частиц радиационных поясов в магнитосфере и могут быть источником энергии для дуг полярных сияний.
Одна из наиболее актуальных проблем космической физики – определение механизма ускорения электронов до релятивистских энергий во время магнитных бурь, т.к. релятивистские электроны могут выводить из строя аппаратуру на спутниках. Один из возможных механизмов появления релятивистских электронов основан на идее резонансного ускорения и радиальной диффузии частиц на Рс5 волнах. Согласно этому сценарию, Рс5 пульсации являются промежуточным агентом, передающим энергию от солнечной плазмы или кольцевого тока ускоренным электронам, и детальное знание пространственно-временной структуры этих волн исключительно важно для оценки эффективности волнового механизма ускорения.
Характерной особенностью процесса распространения МГД волн диапазона Рс5 в магнитосфере является альвеновский резонанс силовых линий, поэтому выделение резонансных эффектов в структуре поля колебаний позволяет проводить мониторинг плотности магнитосферной плазмы по наземным данным.
Таким образом, понимание механизмов генерации Pc5 пульсаций, их пространственно-временных характеристик, зависимости их свойств от параметров межпланетной среды, связи с потоками заряженных частиц важно для солнечно-земной физики и космических технологий.
Целью работы является изучение пространственно-временных характеристик крупномасштабных волновых процессов в магнитосфере и ионосфере Земли диапазона Pc5, их взаимодействия с магнитосферными энергичными частицами и ионосферной плазмой, определение возможных физических механизмов генерации разных типов Рс5 колебаний.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
- Исследование связи геомагнитных Pc5 пульсаций с вариациями потоков захваченных и высыпающихся частиц;
- Анализ свойств глобальных Pc5 пульсаций;
- Рассмотрение эффектов воздействия интенсивных геомагнитных Pc5 пульсаций на ионосферу;
- Исследование свойств специфических длиннопериодных пульсаций вблизи области каспа.
Экспериментальные данные. Диссертация выполнена с использованием данных о плазме СВ и межпланетном магнитном поле (ММП) со спутников ACE, WIND, GEOTAIL, магнитометров и детекторов частиц геостационарных спутников GOES, LANL, магнитосферного спутника POLAR, наземных магнитных сетей IMAGE, CARISMA, CANMOS, 210-MМ, INTERMAGNET, финских вертикальных риометров, риометров сети NORSTAR, риометра ст. Ловозеро, многолепесткового риометра IRIS, радаров EISCAT и SuperDARN.
Методы. Для обработки и анализа экспериментальных данных разработан пакет программ в среде IDL, основанных на современных методах спектрального и кросс-спектрального анализа, вейвлет-анализа, методе аналитического сигнала, поляризационного анализа.
Научная новизна.
Показано, что Pc5 пульсации в риометрическом поглощении не являются только результатом модуляции потоков высыпающихся электронов тороидальными Pc5 пульсациями, и предложена новая концепция взаимосвязи между этими явлениями.
Впервые показано, что полоидальные Pc5 геомагнитные пульсации, наблюдаемые на геостационарной орбите, сопровождаются соответствующими пульсациями в риометрическом поглощении вблизи сопряженной точки с глубиной модуляции до 85 %.
Основываясь на глобальных комплексных наблюдениях Pc5 пульсаций во время восстановительной фазы сильных магнитных бурь, предложена новая концепция глобальных Рс5 пульсаций.
Разработан и апробирован новый метод эффективного импеданса для определения вклада альвеновской и магнитозвуковой мод в поле геомагнитных пульсаций в верхней ионосфере, основанный на синхронных ионосферных радарных и магнитных наземных наблюдениях.
Обнаружена глубокая модуляция ионосферной проводимости, плотности плазмы и ионной температуры тороидальными Pc5 пульсациями при отсутствии соответствующих пульсаций в риометрическом поглощении, и дано качественное объяснение наблюдаемым эффектам.
Показана возможность определения широтного профиля резонансной частоты Pc5 пульсаций по данным радара некогерентного рассеяния EISCAT.
Показано, что касп не является непосредственным источником длиннопериодных иррегулярных пульсаций, наблюдаемых в высоких широтах в дневные часы.
Научная и практическая значимость. Определены соотношения между характеристиками геомагнитных Pc5 пульсаций и пульсаций в риометрическом поглощении, что позволяет лучше понимать взаимодействие МГД волн и частиц в радиационных поясах Земли.
Определена физическая природа глобальных Pc5 пульсаций, оказывающих существенное влияние на динамику заряженных частиц в магнитосфере и являющихся возможной причиной ускорения электронов до релятивистских энергий, способных выводить из строя аппаратуру на спутниках.
Предложенный метод импедансов позволяет определить физическую природу волновых возмущений в верхней ионосфере.
Показана возможность нахождения распределения резонансной частоты Pc5 пульсаций (а тем самым - и плотности магнитосферной плазмы) вдоль геомагнитной широты по данным радара некогерентного рассеяния.
Показано, что геомагнитные Pc5 пульсации могут существенно влиять на параметры ионосферы, что может оказывать влияние на распространение радиоволн.
Показано, что источник длиннопериодных пульсаций вблизи области каспа находится внутри магнитосферы на замкнутых силовых линиях, что важно для диагностики процессов в пограничных областях магнитосферы по наземным данным.
Личный вклад соискателя. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач и выборе методов их решения, в получении, анализе и интерпретации результатов, в формулировке выводов и результатов диссертации. Им проведен анализ экспериментальных данных, представленный в диссертации, выполненный с использованием самостоятельно разработанных компьютерных программ.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Пространственно-временные характеристики пульсаций в риометрическом поглощении не повторяют пространственно-временные характеристики одновременно наблюдаемых тороидальных геомагнитных Pc5 пульсаций. Pc5 пульсации в риометрическом поглощении могут генерироваться в результате взаимодействия двух осциллирующих систем: магнитосферного альвеновского резонатора и системы ОНЧ волны+электроны.
2. Полоидальные Pc5 геомагнитные пульсации, наблюдаемые на геостационарной орбите, сопровождаются соответствующими пульсациями в риометрическом поглощении вблизи сопряженной точки с глубиной модуляции до 85 %.
3. Возбуждение глобальных Pc5 пульсаций происходит независимо в утреннем и дневном секторах магнитосферы.
4. Метод эффективного импеданса, основанный на синхронных ионосферных радарных и магнитных наземных наблюдениях, позволяет определить относительный вклад МГД мод в геомагнитные пульсации. Глобальные Pc5 пульсации на высотах верхней ионосферы являются преимущественно альвеновскими волнами.
5. Возможна глубокая модуляция ионосферной проводимости, плотности плазмы и ионной температуры геомагнитными Pc5 пульсациями при отсутствии соответствующих пульсаций в риометрическом поглощении.
6. Возможность определения широтного профиля резонансной частоты Pc5 пульсаций по данным радара некогерентного рассеяния EISCAT.
7. Максимум спектральной мощности ipcl пульсаций лежит на 2-4 градуса геомагнитной широты ниже экваториальной границы каспа, следовательно, касп не является непосредственным источником данных пульсаций.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:
-
«Физика авроральных явлений», Апатиты, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011.
-
Конференции молодых ученых "Современные проблемы в астрофизике и физике космической плазмы", Иркутск, 2007.
-
Международный гелиофизический год, Звенигород, 2007.
-
"Геокосмос", 2008, 2010, Петродворец.
-
"Плазменные явления в солнечной системе: открытия профессора К.И. Грингауза – взгляд из 21 века", Москва, ИКИ, 2008.
-
33rd , 35th and 37th Annual European Meetings on Atmospheric Studies by Optical Methods, Sweden 2006, Ireland 2008, Spain 2010.
-
American Geophysical Union, Fall Meeting, 2008, 2009.
-
«Физика плазмы в солнечной системе». ИКИ. Москва. 2009.
-
“Plasma-wave process in the Earth’s and planetary magnetospheres, ionospheres and atmospheres”, Н. Новгород, 2009.
-
11th IAGA Scientific Assembly, Hungary, 2009.
-
«Состояние и перспективы развития геофизических исследований в высоких широтах», посвященная 50-летию ПГИ КНЦ РАН. 2010 г. Апатиты.
-
Школа молодых учёных «Высокоширотные геофизические исследования», 2011. Мурманск.
Также работа обсуждалась на научных семинарах в ИФЗ, ИКИ, ПГИ, ИЗМИРАН.
Публикации. Результаты, составившие основу диссертации, опубликованы в 6 статьях в рецензируемых отечественных и международных журналах, 10 – в трудах конференций, 33 – в тезисах российских и международных конференций.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю Пилипенко Вячеславу Анатольевичу, сотрудникам ПГИ КНЦ РАН Воробьеву Вячеславу Георгиевичу, Ролдугину Валентину Константиновичу, Ягодкиной Оксане Ивановне, сотруднику университета Оулу Козловскому Александру Евгеньевичу.
Работы, выполненные по теме диссертации, были поддержаны грантами РФФИ №06-05-64374, №09-05-00818, грантом РФФИ “Мобильность молодых ученых” № 10-05-90716, Программой Президиума РАН № 4.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 134 страницы, 79 рисунков, 7 таблиц. Библиография включает в себя 141 наименование.
