Введение к работе
Актуальность темы. В системе плазмосфера - кольцевой ток могут возбуждаться коллективные степени свободы. Действительно, ионы кольцевого тока, обладая неравновесным распределением по скоростям (анизотропия температуры и азимутальный дрейф), при взаимодействии с плотной и достаточно холодной (Н " 10+100 см"3, Т " 1 эВ) плазмосферой. могут вызывать генерацию некоторых волновых мод. В частности, анизотропия протонов кольцевого тока является источником свободной энергии для возбуждения альфвенов-ских волн. Наблюдения на спутниках подтвердили наличие высокой волновой активности в зоне перекрытия кольцевого тока и плазмо-сферы Земли. В свою очередь, возбуждаемые волны, взаимодействуя с частицами фоновой плазмы и кольцевого тока, оказывают существенное влияние на динамику как плазмосферы, так и верхних слоев ионосферы. В этой связи, изучение волновых эффектов, вызываемых кольцевым током, и их влияния на динамику околоземной плазмы является необходимым элементом исследований в области магнито-сферкон физики.
Цель работы. 1) Продолжить теоретическое изучение волновых явлений в магнитосфере Земли, связанных с анизотропным характером распределения по скоростям протонов кольцевого тока. 2) По-возможности, учесть влияние волн, генерируемых кольцевым током, на динамику магкктосфэрной плазмы и сопутствующие эффекты.
Научная новизна работы. В данной диссертационной работе впервые получены следующие результаты.
1) Система уравнений гидродинамики, учитывающая квазилинейное взаимодействие произвольного типа волн с любыми частицами платмы (учтены как резонансное, так и адиабатическое взаимодействия) и
индуцированное рассеяние МГД-волн на фоновых плазмосферных протонах.
2) Квазилинейное взаимодействие альфве.човских и быстрых мапшто-
звукових волн с электронами приводит к возбуждению дрейфовых
колебаний в области перекрытия кольцевого тока и плазмосферы
Земли.
3) Пространственно-временные профили основных плазмосферных
параметров (концентрация, температура и тепловой поток) с учетом
квазилинейного взаимодействия МГД-волн с электронами и индуциро
ванного рассеяния на протонах фоновой плазмы.
-
Возможность насыщения уровня турбулентности альфвеновских и бистрих мапштозвуковых волн в приэкваториальной области кольцевого тока, благодаря потоковой генерации шшнегибридных колебаний.
-
Дисперсионное уравнение, описывающее параметрическое возбуждение продольных и электромагнитных высокочастотных мод в поле низкочастотно!* дипольной накачки вблизи-под порогом потоковой неустойчивости.
-
Теоретическая оценка плотности энергии нижнегибридных колебаний, параметрически возбуждаемых в поле альфвеновских и/лнбо быстрых мапштозвуковых волн, совпадает с результатами спутниковых наблюдений вблизи геомагнитного экватора в зоне кольцевого тока.
-
Изменение дисперсионных свойств МГД-волн, вызываемое добавкой горячих анизотропных протонов, т. е. кольцевым током.
-
Линейная трансформация альфвеновских волн в быстрые магнито-звукоаые при распространении в слабонеоднородной плазме с примесью горячих анизотропных протонов.
-
Уравнения, описывающие эволюцию сильнонелинейных МГД-волн в
плазме содержащей добавку горячих анизотропных ионоз.
10) Некоторые стационарные решения полученных нелинейных уравне
ний.
11) Критерии модуляционной неустойчивости монохроматических
МГД-волн конечной амплитуды в плазме с добавкой горячих анизо
тропных ионов.
12) Появление крупномасштабного продольного электрического поля
на нелинейной стадии эволюции альфвеновских волн в плазме с
добавкой горячих анизотропных ионов.
Научная и практическая ценность. Научная ценность работы состоит в продолжении теоретического изучения волновых явлений в области кольцевого тока Земли. Ряд оригинальных результатов, полученных в работе, способствует более глубокому пониманию физических процессов связанных с кольцезым током и, кроме этого, представляет интерес для физики плазмы и астрофизики.
Достаточно общий вид вкладов в уравнения гидродинамики от интегралов столкновений, учитывающих квазилинейное взаимодействие и индуцированное рассеяние, делает результаты первой главы практически важными при моделировании динамических процессов не только в магнитосфере Земли, но и в других астрофизических объектах.
Материалы, излагаемые во второй главе, в меньшей степени носят прикладной характер. Хотя, вне сомнения, результаты параграфа 2.1 и некоторые следствия из параграфа 2.2 имеют существенное значение для целей объяснения спектров ионно-циклотронных и нижнегибридных волн, наблюдаемых в зоне кольцевого тока. Параметрическое возбуждение высокочастотных волн, рассмотренное в параграфах 2.2 и 2.3, представляет интерес как для физики плазмы, в частности, в связи с эффектом плазменного мазера так и
для астрофизических приложений. Помимо возбуждения пижнегибрид-ных колебаний, параметрические эффекты могут оказаться весьма полезными при интерпретации еолноьых явлений во время искуствен-ной инжекции бария или лития в магнитосфере Земли, поскольку, внутри облаков наблюдаются достаточно интенсивные свистовые и альфвеновские волны, которые могут выступать в роли накачки.
В главе 3 впервые поднимается вопрос о влиянии горячих анизотропных протонов кольцевого тока на дисперсионные свойства возбуждаемых МГД-волн. Полученные нетривиальные результаты представляют ценность как для физики плазмы, так и с точки зрения геофизических приложений. В частности, в параграфе 3.2 мы обращаем внимание на то, что появление быстрых магнитозвукових волн, наблюдавшихся на спутнике IRH, трудно объяснить линейной трансформацией альфвеновскнх волн в неоднородной плазме содержащей добавку ионов гелия. В то-же время, учет горячих анизотропных протонов кольцевого тока способен устранить указанную трудность.
Появление крупномасштабного продольного электрического поля на нелинейной стадии эволюции альфвеновскнх волн может оказывать существенное влияние на динамику фоновых плазмосферных частиц. А нелинейные эволюционные уравнения, полученные в параграфе 3.3, являются необходимыми для дальнейшего изучения нелинейных МГД-волн в плазме с добавкой горячих анизотропных ионов.
Личное участие автора. Основные результаты первой и второ/ глав получены автором совместно с Э.Н.Криворуцким. Расчеты плазмосферных параметров (температура, концентрация и поток тепла при развитой волновой активности А- и БМЗ-волн выполнены сов местно с О.А.Горбачевым. Результаты третьей главы получены авто ром самостоятельно.
Защищаемые положения.
-
Система уравнений гидродинамики, учитывающая квазилинейное взаимодействие произвольного типа волн с любыми частицами плазмы (учтено как резонансное, так и адиабатическое взаимодействия) и индуцированное рассеяние Л- и БМЗ-волн на фоновых плазмосферных протонах.
-
Возбуждение дрейфовых колебаний в области перекрытия кольцевого тока и плазмосферы Земли как следствие квазилинейного взаимодействия А- и БМЗ-волн с электронами плазмосферы.
-
Возможность насыщения А- и БМЗ-турбулентности в приэкваториальной области кольцевого тока благодаря потоковой неустойчивости НГ-колебаний.
-
Дисперсионные уравнения, описывающие параметрическое возбуждение высокочастотных продольных и электромагнитных колебаний в поле низкочастотной диполыюй накачки вблизи-под порогом потоковой неустойчивости.
-
Параметрическое возбуждение ИГ-колебаний ИГД-волнами в зоне пересечения кольцевого тока и плазмосферы Земли.
-
Влияние добавки горячих анизотропных протонов на дисперсионные свойства А- и БМЗ-волн и возможность трансформации А-волн в БМЗ при распространении в зоне кольцевого тока.
7) Нелинейные уравнения, описывающие эволюцию альфвеновских
волн, распространяющихся вдоль внешнего магнитного поля в плаз
ме, содержащей добавку горячих анизотропных ионов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано в российских и международных журналах 9 работ.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на XIV Всесоюзном семинаре по параметрической турбулентности и нелинейным явлениям в плазме (Москва, 199G), VI Всесоюзной конференции
"Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой" (Душанбе, 1991), научных семинарах ЛГУ, ИЗМИР РЛН.НИИ ЯФ МГУ.
Структура И объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, одного приложения и 7 рисунков. Общий объем 194 страницы. Библиография вкличает 137 наименований.
