Введение к работе
В диссертации исследуется динамика авроральпого поглощения радиоволн в ионосфере Земли и моделируется поведение магнитос-ферпых энергичных (с энергиями в несколько десятков кэВ) частиц, вызывающих поглощение.
Актуальность темы. Хотя доля энергичных частиц в магнитосфере мала в процентном отношении, их роль в физике магнитосферы весьма существенна. Вызываемые этими частицами эффекты - авро-ральное поглощение радиоволн, авроральное рентгеновское излучение, ОНЧ-излучение - охватывают в течение нескольких часов всю авро-ральную зону, влияя на состояние ионосферно-магнитосферпой системы и парушая радиосвязь. Кроме того, сами энергичные частицы являются инструментом исследования строения магнитосферы и происходящих в ней процессов (обобщая, это можно сказать и о космическом пространстве). Наконец, вопрос об источнике энергичных частиц является одним из ключевых в физике магнитосферы.
Одним из наиболее ярких эффектов, вызываемых энергичными электронами, является авроральное поглощение радиоволн ( АП ) -существенное ослабление радиосигналов средних и высоких частот на высокоширотных станциях в периоды авроральной активности. Морфология этого явления подробно изучалась. Выло установлено, что начальное возмущение зарождается вблизи полуночного меридиана и затем распространяется в восточном и западном направлениях приблизительно вдоль исправленной геомагнитной параллели. В суточной вариации поглощения имеются два максимума: узкий в ночном и протяженный в позднем утреннем секторе, и глубокий минимум в вечерние часы. Существующая точка зрения связывает авроральное поглощение с высыпанием частиц из дрейфующего иа восток электронного облака; предполагается, что высыпания происходят в результате рассеяния электронов па свистовых волнах. Однако многие аспекты этой интерпретации неясны или не были изучены количественно. Так, не получила исчерпывающего объяснения такая существенная особенность
явления, как утренний максимум АП. Нет устоявшегося мнения о механизме ускорения энергичных электронов, вызывающих авроральное поглощение (ускоряются ли частицы электрическим полем конвекции в процессе дрейфа с ночной стороны на дневную или вихревым электрическим полем по время взрывных активизаций).
Неясность природы источника и механизма формирования морфологических характеристик аврорального поглощения затрудняет его диагностику и текущий прогноз, которые представляют большой интерес для обеспечения радиосвязи. В настоящее время не существует методики, позволяющей описывать изменение АП в реальном времени. Применяемые методы диагностики и прогноза носят статистический характер и базируются на 3-х часовых Кр и Ар -индексах. Однако механизм съяш поглощения с этими индексами неясен, а характерные временные масштабы явления составляют от десятков минут до 1-3 часов в зависимости от долготного сектора, что принципиально не позволяет получить хорошие корреляционные зависимости АП с указанными индексами.
Как уже упоминалось, авроралькое поглощение вызывается энергичными электронами, дрейфующими вокруг Земли. Зона максимальных амплитуд АП в ионосфере (Ф' ~ 65" — 68)' проектируется на геоцентрические расстояния ~ 6-10 Re в экваториальной плоскости магнитосферы. Геостационарные спутники, летающие в этой области, измеряют различные характеристики дрейфующих частиц: спектр, питч-угловое распределение, дисперсию. Их исследованию, также как и моделированию дрейфов энергичных частиц во внутренней магнитосфере, посвящено множество работ; однако ряд вопросов остается неясным - в частности, характер питч-угловой дисперсии.частиц и времена наблюдения дрейфовых эхо на разнесенных в пространстве спутниках отличаются от расчетных. При этом при расчетах, как правило, рассматривались только приэкваториальные частицы, а в качестве модели магнитного поля использовалось либо дкпольное поле, либо модель Мида - Фэйрфильда, имеющая существенные расхождения с
- 5 -экспериментом именно в рассматриваемой области магнитосферы. В связи с этим существенным становится аккуратный учет педипольных эффектов при моделировании дрейфов частиц. Моделирование дрейфов энергичных электронов с различными питч-углами в реалистичной магнитосферной конфигурации и при наличии близкого к реальному электрического поля конвекции важно и для физического объяснения морфологии аврорального поглощения.
Целью диссертационной работы является изучение кинематики энергичных частиц п ближней магнитосфере на основе расчета дрейфов частиц в реалистичных магнитном и электрическом полях и построение динамической модели АП. В основе модели лежит доказываемое ниже представление о том, что появление энергичных электронов в области геосинхронной орбиты и вызванное ими авроральное поглощение связаны с разрушением тока в хвосте магнитосферы во время суббури, и потому - с соответствующей токовой системой - Биркеландовской токовой петлей ( БТП ). В магнитосфере рассчитываются дрейфовые траектории частиц с произвольными питч-углами в последней версии модели Н. А. Цыганеяко, которая и настоящее время наилучшим образом описывает конфигурацию магнитного поля в данной области. Исследуется также влияние электрического поля конвекции на поведение частиц, вызывающих АП.
Материалом для исследования служат записи риометров и таблицы максимальных значений поглощения сети станций в Арктике и Антарктике; а также данные мировой сети магвятовариациояных станций и данные о параметрах межпланетпоЯ среды, полученные на спутнике ШР-J.
Защищаемые положения. , -
-
Показано, что для создания избыточных потоков электронов в энергетическом диапазоне ~ 30 — 100 кэВ наиболее эффективны кратковременные ивгенсивные вихревые электрические поля, связанные с суббурей, а не крупномасштабное электрическое поле конвекции.
-
Экспериментально установлен факт тесной взаимосвязи амплитуды бухт аврорального поглощения с интенсивностью среднсширот-
ных ыагни-ных бухт взрывного типа (коэффициент корреляции ~0.8), а также слабая зависимость величины поглощения от общего уровня магнитной активности.
-
Построена динамическая модель аврорального поглощения, основанная на стандартных магнитных данных среднеширотаых станций и позволяющая проводить диагностику и текущий прогноз вариаций величины поглощения во всей авроральной зоне с временным разрешением 10-15 минут.
-
Показано, что полученная Редерером для безвихревых магнитных конфигураций формула средней дрейфовой скорости частиц верна и для класса реалистичных моделей магнитосферы, содержащих распределенные токи плоской конфигурации.
5. На основании модельных расчетов проведена количествен
ная оценка цедипольных эффектов в области геосинхронной орбиты:
расщепления дрейфовых оболочек и долготной зависимости скорости
дрейфа частиц. В ночной части магнитосферы обнаружен эффект без
дрейфовых траекторий, приводящий к немонотонной зависимости ве
личины скорости дрейфа от питч-угла частицы. Показано, что фор
ма дрейфовых траекторий приэкваториальных частиц не соответству
ет конфигурации зоны аврорального поглощения, в то время как форма
траекторий частиц с малыми питч-углами близка к форме зоны АП.
6. Показано, что в. окрестности местного геомагнитного полудня ~
часто наблюдается резкий (в 3 и более раз) спад амплитуды бухти пог
лощения. Моделирование аффекта показывает, что одним из основных
факторов, вызывающих спад высыпающихся электронных потоков, яв
ляется электрическое поле конвекции. Приведены экспериментальные
данные, подтверждающие этот вывод.
Диссертация базируется на данных высокоширотных риометри-ческих станций за 1967-1969, 1977-1979 и 1980-1983 годы и данных средне-широтных магнито-вариациошшх станций за период 1967-19G9 гг. Использовались также данные о параметрах межпланетной среды, полученных на спутнике ІМР-І, за период 1977-1979 гг.
Научная новизна,
Установлена тесная связь между амплитудой бухты риометричес-кого поглощения и ампли~удами магнитных среднеширотных бухт, вызываемых Биркеландовгкой токовой петлей.
На основе указанной выше количественной связи впервые построена динамическая модель распределения аврорального поглощения, позволяющая проводить диагностику и текущий прогноз величины поглощения в реальном времени. Выявлено влияние локализации очага взрыва на поведение поглощения. Обнаружен резкий спад величины поглощения в околополуденные часы MLT.
Формула расчета усредненной по баунс-периоду скорости дрейфа частиц с произвольным питч-углом, выведенная ранее для безвихревых магнитных конфигураций, обобщена на достаточно широкий класс моделей магнитосферы, содержащих плоские токовые слои.
Проведено моделирование дрейфа энергичных частиц с произвольными питч-углами в реалистичной модели магнитосферы. Показано несоответствие области дрейфа приэкваториальных частиц зоне АП и сходство формы дрейфовых траекторий частиц с малыми питч-углами с формой зочы аврорального поглощения. Это означает, что общепринятое представление о том, что зона поглощения является ионосферной проекцией дрейфовых траекторий приэкваториальных частиц требует уточнения или пересмотра.
Исследовано явление резкого спада амплитуды бухты поглощения в околополудонном секторе MLT. Показано, что одной из причин спада является существование в магнитосфере электрического поля конвекции.
Показано, что под действием электрического поля конвекции в при условии сохранения частоты резонансной волны в позднем утреннем секторе формируется максимум величины А~ — Аг, где А~ и Ас - существующее и критическое значения анизотропии соответственно, что способствует формированию утреннего максимума АП.
Научная и практическая ценность. Разработанная динамическая модель АП дает лучшее по сравнению с существующими методиками
- a -
описание вариаций All, поэтому ona может быть использована для диагностики и прогноза величины аврорального поглощения, что важно для обеспечения радиосвязи.
Реализация работы. Результаты исследований использовались при выполнении работ по темам НИР НИЙФ СГГбГУ.
Апробация работы. Результаты исследований*докладывались и обсуждались на научных семинарах СПбГУ и ИЗМИР АН, на XX Международной Ассамблее МГТС d Вене в 1991г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 129 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 5 таблиц, библиографию из 122 наименований.