Введение к работе
Диссертация посвящена развитию и обобщению проблемы ионосферной и магнитосферной конвекции и на этой основе — построению теоретической модели, описывающем электродичамическое взаимодействие между магнитосферой и ионосферой.
Актуальность проблемы. Конвективный перенос плазмы играет фундаментальную роль в формировании структуры и динамики плазменных оболочек вокруг Земли — ионосферы и магнитосферы. Конвекция плазмы — важный механизм передачи импульса и энергии из солнечного ветра в магнитосферу и ионосферу. Уже построена общая феноменологическая картина конвекции плазмы в магнитосфере и ио-посфере. Ключевой элемент картины — представление о термосфере, ионосфере, магнитосфере и солнечном ветре как о единой физической системе. В области физики магнитосферы к настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал. Однако, экспериментальные данные имеют неполный, а иногда и противоречивый характер. Это делает актуальным теоретическое моделирование процессов в изучаемой системе. Магнитосфера — активно изучаемая естественная плазменная лаборатория. D ней можно наблюдать в действии основные процессы трансформации энергии космической плазмы. Магнитосфера — важная компонента среды обитания человека. Она — один из элементов цепи солнечно-земных связей. Весьма вероятно, что магнитосфера оказывает влияние на погоду, климат и здоровье человека.
Энергичная плазма, проникшая из солнечного ветра, дрейфует в магнитосфере под влиянием электрического поля конвекции. Последнее генерируется при обтекании границы магнитосферы солнечным ветром и межпланетным магнитным полем (ММП). Дрейф плазмы из хвоста магнитосферы к Земле сопровождается ее нагревом, развитием питч-угловой анизотропии И турбулизацией плазмы. Часть энергичных частиц, попадая в конус потерь, высыпается в ионосферу. Рассеяние частиц Плазмы на волнах плазменной турбулентности приводит
к шітч-угловой диффузии частиц. При дрейфе происходит расщепление дрейфовых оболочек частиц с различными значениями начальной энергии. Существует также дисперсия (различие) дрейфовых траекторий энергичных частиц с разными питч-углами. Под действием осциллирующих электрических полей ( внутримагнитосферной природы и проникших из солнечного ветра) возникает пространственная диффузия энергичных частиц. При дрейфе энергичных частиц плазма поляризуется. Часть магнитосферных электрических токов перезамыкается через ионосферные посредством продольных токов. Высыпание авроральной плазмы в ионосферу увеличивает и перераспределяет проводимость ионосферы. Изменяются электрическое поле и токи ионосферной и магнитосферной конвекции. Последнее вызывает перераспределение давления плазмы в плазменном слое, продольных токов и потоков высыпания авроральных частиц. Еще один источник электрического поля в ионосфере — динамо-эффект ветра термосферы.
Принципиально важно обеспечить хотя бы приближенную физическую адекватность моделируемых объектов реально существующим. Актуальна разработка комплексных динамических моделей конвекции на основе самосогласованного подхода. Актуален переход от гидродинамического к кинетическому описанию яеадлабатическою переноса плазмы в плазменном слое.
Целью работы является разработка физической модели магнито-сферной и ионосферной конвекции. В задачу работы входило рассмотрение следующих взаимосвязанных вопросов:
обобщение физической модели ионосферной конвекции посредством учета влияния на нее комплекса геофизических факторов;
учет влияния кинетических эффектов на перенос плазмы в плазменном слое;
— синтез моделей ионосферной и магнитосферной конвекции в
рамках единой модели Па основе самосогласованного подхода; провер
ка применимости модели для комплексной диагностики электродина
мического состояния иопосферпо-мдгнитосферной системы;
исследование механизмов пространственной поперечной диффузии частиц плазменного слоя внутренней магнитосферы, влияния диффузии на структуру плазменного слоя;
анализ влияния наличия и динамики питч-угловой анизотропии в плазменном слое на его структуру и на электродинамические параметры ионосферни-магннтосферяой системы;
Постижение поставленной цели потребовало решения комплекса взаимосвязанных задач, относящихся к физике ионосферной я магни-тосферной плазмы, вычислительной физики, имеющих важное теоретическое и прикладное значение.
Основные положения, выносимые на защиту. Главным общим результатом работы является построение комплексной физической модели ионосферной и магнитосферной конвекции. Разработана технология численного моделирования конвекции на основе самосогласованного подхода, реализованная в комплексе прикладных программ для ЭВМ. При создании и использовании модели получен ряд новых результатов:
1. Разработана методика моделирования высокоширотной конвек
ции d ионосфере с учетом электрического сопряжения между ионосфе
рами северного и южного полушарий. Это сделано на основе метода
эквивалентного генератора применительно к продольным токам и для
реалистичной модели проводимости ионосферы. Учтены эффекты сол
нечной и геомагнитной активности, сезона и мирового времени, дина
мо-эффекта ветра нейтрального газа в термосфере.
2. Построена модель планетарной ионосферной конвекции. Об
ласти Е— и F— экваториальной ионосферы включены как составные
части в область моделирования. С единых модельных позиций прове
ден сравнительный анализ структуры я динамики электрических полей
как ионосферного, так и магнитосферпого динамо-эффекта.
3. Методом характеристик решена аналитически система уравне
ний непрерывности, движения и перекоса анергии в плазменном слое.
Это сделапо для каждого парциального плазменного слоя с эффектив
ным значением магнитного момента частицы (протона или электрона).
Получены выражения, согласованно описывающие эволюцию искомого момента и показателя питч-углового распределения частиц вдоль средних дрейфовых траекторий.
-
Изучен механизм поперечной пространственной диффузии частиц в плазменном слое под действием осциллирующих электрических полей. Показана недостаточность учета внутримагнигосферной плазменной турбулентности для объяснения диффузии. Исследована структура тензора диффузии. Оценены значения и пространственное поведение его компонент в сердцевине магнитосферы.
-
С помощью кинетического подхода разработана численная модель плазменного слоя внутренней магнитосферы в дрейфовом приближении. Модель основана на использовании метода расщепления, представлений о низшей нормальной моде питч-углового распределения энергичных частиц, учете не только дрейфового, но и диффузионного потока частиц анизотропной плазмы как в обычном пространстве, так и в пространстве скоростей.
-
Исследовано влияние питч-угловой анизотропии в плазменном слое на его структуру и динамику высыпания плазмы из него в ионосферу. Показано, что в периоды квазистационнрной конвекции приближение сильной иитч-угловой диффузии для энергичных протонов не выполняется. В меньшей степени, чем у протонов, оно нарушено у электронов. Переход к режиму сильной питч-угловой диффузии у электропов в актинную фазу суббури способен объяснить наблюдаемую в это время интенсификацию потоков высыпания.
Научная новизна и практическая ценность. Большинство защищаемых положений являются оригинальными. Результаты, положенные ь их основу, получены впервые. Они позволяют сформулировать и обосновать единую концепцию ионосферной и маїшітосферной динамики. Новизна разработанной модели конвекции определяется ее комплексным и универсальным характером, достигнутым на основе самосогласованного Подхода. Модель реализована, в комплексе численных алгоритмов и программ для ЭВМ. В результате работы выяснилась необходимость существенного пересмотра традиционных представлений
о механизмах переноса плазмы в плазменном слое. Эти представления основаны иа использовании идеальной магнитной гидродинамики (МГД) или на адиабатической теории движения заряженных частиц. Показапа недостаточность механизма диффузии Бома для объяснения пространственной диффузии в плазменном слое.
Совокупность результатов, представленных в диссертации, является обобщением и развитием теории ионосферной и магнитосферной конвекции, плазменного слоя внутренней магнитосферы. Показана пригодность разработанной модели для целей комплексной диагностики электродинамического состояния ионосферно-магнитосферной системы в периоды квазистационарной конвекции. Теоретические положения и модели, развитые в диссертации, представляют собой средство для интерпретации большой совокупности экспериментальных данных, полученных как наземными средствами, так и па космических аппаратах. Ряд результатов использован при выполнении хоздоговорных тем и передан заказчикам для внедрения, а также использован в курсе лекций по физике космической плазмы, читаемого студентам 5 курса КГУ.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на II Всесоюзном совещании по полярной ионосфере и магнитосферно-ио-носферным связям (Норильск, 1980 г.), Всесоюзном семинаре по маг-нитосферным суббурям (Ленинград, 1982 г.), Всесоюзном симпозиуме по солнечно-земной физике (Иркутск, 1986 г.), I, II и III Совещаниях по математическим моделям ближнего космоса (Москва, 1986 г., 1990 г. и 1992 г.), X Семинаре по моделированию ионосферы (Москва, 1990 г.), XXVIII Симпозиуме COSPAR (Гаага, 1990 г.), VII Симпозиуме IAGA (Буэнос-Айрес, 1993 г.), II Международной конференции по суббурям (Фэрбенкс, 1994 г.), семинарах в НИИФ СПбГУ, НИИЯФ МГУ, ИКИ, ПГИ, КГУ.
Основные результаты диссертации опубликованы в 34 работах.
Взаимоотношения с соавторами. Научные результаты и выводы, изложенные в диссертации, получены непосредственно автором или
под его научным руководством. В работах, выполненных совместно с М. И. Пудовкиным и М. А. Никитиным, соавторам принадлежат равные вклады.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, 48 рисунков, б таблиц и списка литературы из 522 наименований. Общий объем — 403 страницы.