Введение к работе
Актуальность проблемы. Вопросы переноса магнитогидродинами-ческих волн (МГД) и связанного с ним формирования поля возмущений в солнечном ветре и околоземном пространстве на протяжении последних двух десятилетий остаются актуальной темой экспериментальных и теоретических исследований. В значительной степени интерес к таким исследованиям обусловлен тем, что низкочастотные волны и условия их распространения тесно связаны с ключевыми процессами в космическом пространстве и, следовательно, содержат информацию о состоянии межпланетной среды. Волны, регистрируемые на земной поверхности, частично приходят из солнечного ветра. Это открывает возможность дистанционной диагностики околоземного пространства по наземным данным. Земная магнитосфера, представляя собой сложную замагниченную плазменную оболочку, также является значительным источником низкочастотных волн. Эти возмущения тесно связаны с процессами взаимодействия волн и частиц, происходящими непосредственно в магнитосфере и их наблюдение также имеет отношение к проблеме гидромагнитной диагностики.
Естественно, что в случае использования низкочастотных волн для целей диагностики даже при решенных проблемах генерации, необходимо изучение их распространения в околоземном пространстве и теоретическое подтверждение возможности проникновения в магнитосферу. Для решения этой задачи следует рассматривать аспекты формирования поля ультранизкочастотных (УНЧ) ( 0,01-1 герц) возмущений в солнечном ветре, в области отошедшей ударной волны, переходной области и в магнитосфере; моделировать процессы соответствующих МГД возмущений.
В диссертации предложены механизмы эволюции УНЧ волн в солнечном ветре и околоземном космическом пространстве, разработаны методы диагностики параметров межпланетной среды, основанные на наблюдениях низкочастотных возмущений. Обоснованы дополнительные возможности применения низкочастотных волн для дистанционного мониторинга условий в околоземном пространстве. Рассмотрена динамика сильно нелинейных и ударных МГД волн методами вычислительного эксперимента. С помощью численного моделирования проанализирована зависимость амплитуд низкочастотных волн от параметров межпланетной среды. Разработанные количественные методы эффективны для интерпретации наблюдаемых особенностей магнитной и плазменной возмушенностей. Полученные результаты анализа некоторых видов внутримагнитосферных колебаний использованы для разви-
тия методов диагностики параметров внутримагнитосферной плазмы.
Актуальность анализа особенностей переноса низкочастотных возмущений в околоземном пространстве определяется тесной связью поставленных задач с решением таких прикладных научных проблем, как локализация источников волн, анализ условий распространения и эволюция волн, перенос волновой энергии, диагностика параметров межпланетной и магнитосферной среды.
Цель и задачи работы. Диссертация посвящена построению картины распределения поля возмущений в межпланетном пространстве и магнитосфере Земли, адекватной спутниковым наблюдениям, и разработке методов возможной дистанционной диагностики параметров среды и магнитного поля, основанных на изучении особенностей распространения МГД волн. Задачи работы обусловлены необходимостью создания теоретического описания эволюции низкочастотных возмущений при их переносе в неоднородном космическом пространстве со сверхальве-новскими скоростями для интерпретации экспериментальных данных.
Методы исследования. Изучение закономерностей переноса и формирования поля альвеновских возмущений в солнечном ветре представляет собой комплексную задачу. Этим обусловлен метод исследования в виде постановки и решения группы реалистичных модельных задач, посвященных анализу распространения низкочастотных возмущений от локального коронального источника в земную магнитосферу. Успешное решение задач обеспечивается учетом наиболее принципиальных плазменных и магнитных особенностей среды, а также удачным выбором оригинальных аналитических или численных методов. В работе применены современные средства компьютерного моделирования. Полученные результаты сопоставляются с данными наблюдений.
Научная новизна работы. В диссертации обращается внимание на особенности окружающего космического пространства, которые являются важными, часто не принимаемыми во внимание и поэтому новыми, для рассмотрения вопросов распространения низкочастотных волн. В диссертационной работе впервые:
исследовано рассеяние волн Альвена, в том числе резонансное, в другие типы МГД волн на стационарных неоднородностях плотности и магнитного поля в солнечном ветре; найден декремент затухания аль-веновской волны в результате резонансного рассеяния на случайных мелкомасштабных неоднородностях;
определена экстинкция альвеновских волн вследствие параметрических процессов их взаимодействия с другими МГД волнами на фоне заданной турбулентности солнечного ветра; проанализирована зави-
симость экстинкцпн от характерного масштаба турбулентности и расстояния от Солнца;
решена задача о переносе альвеновских волн в неоднородном свер-хальвеновском потоке солнечного ветра с учетом сферичности солнечного ветра и спиральности межпланетного магнитного поля; найдено анизотропное пространственное и угловое распределение плотности энергии и трассы (двойное лучепреломление) распространения для альвеновских волн, в том числе гауссова пучка;
изложены результаты линейного взаимодействия альвеновских волн и их усиления вследствие энергообмена с потоком солнечной плазмы в области нарушения геометрической оптики; исследована зависимость усиления волн от начального спектра их поперечных масштабов; вычислены коэффициенты рефракции и отражения альвеновских волн от неоднородного потока авроральной магнитосферной плазмы и отмечены закономерности их изменения в зависимости от условий конвекции:
выяснены новые особенности, связанные, с генерацией быстрого и медленного альвеновских пучков естественными излучателями различных размеров в движущейся плазме; определены условия сильной асимметрии их излучения;
проведен сравнительный анализ пространственно-временной динамики переноса низкочастотных возмущений в движущейся плазме типа солнечного ветра для режимов слабої! и сильной нелинейности;
проанализирована амплитудная и поляризационная трансформация волн, падающих на модельную стационарную структуру, иллюстрирующую профиль отошедшей ударной волны;
исследовано распространение УНЧ волн в переходной области за земной ударной волной; получено дисперсионное соотношение и условия просветления переходной области для слабозухающих волн; получена пространственно-временная динамика и исследована ее зависимость от диссипативных процессов для заданного магнитного возмущения в различных районах переходной области;
предложен метод диагностики плазменных уплотнений отделившихся от плазмосферы в периоды магнитной возмушенности по записям магнитных вариаций на внутримагнитосферных спутниках:
на основе замеченного изменения в зависимости пространственного масштаба распределения амплитуд геомагнитных пульсаций вдоль геомагнитного меридиана от периода пульсаций, связанного с индексом магнитной активности, предложен метод диагностики скоростей альвеновских волн на разных магнитных оболочках.
Научное и практическое значение работы. Полученные результаты
способствуют более глубокому пониманию ключевых волновых процессов в космическом пространстве, связанных с переносом возмущений, а также с их распределением в земной магнитосфере. Изучение МГД волн на основе аналитического моделирования процессов позволяет интерпретировать наблюдения низкочастотных колебаний.
В работе теоретически рассмотрена такая важная в научном и практическом отношении проблема, как распространение МГД волн в неоднородных средах движущихся со скоростями, превышающими скорости нормальных волн. Приняты во внимание процессы взаимодействия волн, эффективного обмена энергией с потоком плазмы и процессы эффективного столкновения частиц с неоднородностями среды. Сделаны выводы о локализации солнечного источника низкочастотных волн по спектральным наблюдениям регистрируемого пучка, найдены трассы переноса пучков альвеновских волн от коронального источника. Анализ пространственно-временной динамики переноса низкочастотных возмущений в движущемся солнечном ветре и переходной области за земной ударной волной позволяет делать выводы о распределении МГД полі.
Предложенный механизм эффективного затухания низкочастотных волн, вследствие их резонансного рассеяния на неоднородностях плотности и магнитного поля, необходим для объяснения значительной доли магнитозвуковых возмущений в солнечном ветре. Изучение процессов параметрического взаимодействия МГД волн на фоне волновой турбулентности солнечного ветра позволило определить сферические слои околосолнечного пространства, которые могут быть ответственны за альвеновские волны тех или иных масштабов, регистрируемые в окрестности Земли и объяснить распределение характерных масштабов турбулентности в солнечном ветре.
Результаты, полученные, при рассмотрении возбуждения альвеновских пучюв естественными излучателями различных размеров в свер-хальвеновском потоке плазмы, свидетельствуют об удобстве привлечения планет солнечной системы как предсказуемых неоднородностей -источников низкочастотных колебаний - для анализа условий распространена! волн.
Полученная модельная структура отошедшей земной ударной волны и анализ прохождения через нее низкочастотных волн из солнечного ветра иллюстрируют эксперименты по наблюдению волновых явлений на аппаратах, пересекающих ударные профили в межпланетном пространстве. Исследование распространения УНЧ волн в переходной области дало возможность определить вид слабозатухающих волн
и интерпретировать экспериментальную зависимость амплитуды вне-магнитосферных пульсаций от скорости солнечного ветра.
Проанализирован ряд характерных внутримагнитосферных колебаний, наблюдение которых может иметь отношение к диагностике параметров внутримагнитосферной плазмы. Предложены методы диагностики возникающих в магнитосфере в периоды высокого уровня магнитной активности плазменных образований по наблюдениям низкочастотных колебаний на геостационарных спутниках и структуры поля внутрдмагнитосфсрных альвеновских скоростей на основе анализа колебаний регистрируемых на магнитных станциях, расположенных вдоль геомагнитного меридиана.
Диссертация написана по результатам работ автора, выполненных в рамках инициативных и ответственных тем, посвященных проблемам распространения волн в космической плазме. Часть работ выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных исследований в рамках проекта N 94-02-06108, научным руководителем которого являлся автор. Работа была поддержана грантом Международного Научного Фонда.
Тематика диссертационной работы согласуется с целями, поставленными Международными программами по солнечно-земной физике.
Основные защищаемые научные положения.
1. В условиях характерных для солнечного ветра показано суще
ствование резонансного рассеяния альвеновских волн в медленные маг-
нитозвуковые и альвеновские волны на стационарных неоднородностях
плотности и магнитного поля. Исследовано излучение протяженных и
компактных токовых низкочастотных источников в магнитоактивной
плазме. Получена зависимость рассеиваемой мощности от типа не-
однородностей, их размеров и ориентации по отношению к внешнему
магнитному полю. На основе, этого исследования предложен новый ме
ханизм затухания альвеновских волн и вычислен декремент их затуха
ния, объяснена значительность доли магнитозвуковой возмущенности
в солнечном ветре.
2. Исследование процессов параметрического взаимодействия альве
новских волн с другими нормальными волнами на фоне заданной вол
новой турбулентности солнечного ветра позволило определить вели
чины соответствующих относительных затуханий альвеновских волн.
В области крупномасштабной, по отношения к длине пробной волны,
турбулентности, преобладающим установлен процесс, слияния альве-
новской волны с фоновой быстрой магнитозвуковой турбулентностью.
В области мелкомасштабной турбулентности значительно взаимодей-
ствие заданной альвеновской волны с медленной магнитозвуковой и альвсновской волнами в присутствии, соответственно, быстрой и медленной магнитозвуковой турбулентности. При учете распределения параметров потока плазмы, магнитного поля и характерных масштабов турбулентности в солнечном ветре установлено, что эффективность экстинквдш альвеновских волн падает с увеличением расстояния от Солнца и с увеличением длины пробной волны. Глубокие слои солнечного ветра ответственны за регистрируемые в окрестности Земли альвеновские волны больших масштабов, внешние слои - за волны малых масштабов.
-
При рассмотрении переноса альвеновских волн в среде солнечного ветра со сферическим сверхальвеновским потоком и спиральным магнитным полем найдено явление двойного лучепреломления. Лучевые траектории волнового пакета для волн с противоположными по знаку проекциями волновых векторов на магнитное поле ("быстрых" и "медленных" ) не совпадают. Вдоль лучевых траекторий альвеновских волн формируются анизотропные угловые распределения плотности энергии. В любой точке околосолнечного пространства спектр альвеновских волн является суперпозицией спектров пакетов волн, пришедших в нее по двум разным траекториям.
-
Изучено распространение пучка альвеновских волн от локального источника в солнечном ветре с учетом нарушения геометрикоопти-ческого приближения. Впервые обращено внимание на эффективное линейное взаимодействие между "быстрыми" и "медленными" альве-новскими волнами, Показано, что в результате такого взаимодействия происходит энергообмен с потоком плазмы и амплитуды волновых возмущений ниже по потоку солнечного ветра заметно возрастают. Определены границы области "засвеченной" усиленными волнами. Выяснена зависимость интенсивности регистрируемого пучка волн от его первоначального спектра. При равной интенсивности исходных пучков значительнее возрастают те, у которых шире спектр поперечных масштабов. Анализ наблюдаемого спектра пространственных поперечных масштабов альвеновских волн позволяет делать вывод о расположении источника волн.
5. Определены условия сильной асимметрии при генерации "бы
строго" п "медленного" альвеновских пучков естественными излуча
телями различных размеров в движущейся плазме солнечного ветра.
Найденные решения могут быть использованы для диагностики неод-
нородностей плазмы солнечного ветра и скорости ее потока. Отмечено
удобство привлечения планеты Меркурий как постоянно действующей
и предсказуемой неоднородности - источника низкочастотных колебаний - для анализа условий распространения альвеновских волн в солнечном ветре. Полученные аналитические формулы позволяют оценивать амплитуды возмущения магнитного поля в интенсивных альвеновских пучках, создаваемых малыми планетами солнечной системы.
-
Результаты сравнительного анализа пространственно-временной динамики заданного возмущения в неподвижной и движущейся среде солнечного ветра со слабой и значительной вязкостью свидетельствуют: сносовое движение среды способствует возникновению осциллирующих режимов; диссипативные процессы являются конкурирующим фактором. В случае умеренной нелинейности описание динамики нелинейных МГД волн делается на линейном языке распространения, трансформации и взаимодействия альвеновских и магнитозвуковых волн. Динамика крупномасштабных магнитных возмущений в движущейся плазме ведет к волновой трансформации осцилляции в медленный магнитный звук и объясняет значительную долю магнитной возмущенно-сти в солнечном ветре.
-
Прохождение низкочастотных волн из солнечного ветра в переходную область через модельный профиль отошедшей земной ударной волны, иллюстрирует эксперименты по наблюдению волновых явлений для разных условий в солнечном ветре: возрастает амплитуда заданных возмущений в несколько раз на скачке профиля; возникают биения между периодическими структурами плотности среды, скорости, магнитного поля в профиле и возмущениями в волне и, как следствие, амплитудная модуляция возмущений заданной частоты со значительной глубиной; энергия заданной альвеновской волны перекачивается в магнитозвуковую волну.
-
Результаты проведенного исследования распространения УНЧ волн в сильно турбулентной среде переходной области свидетельствуют о ее просветлении для необыкновенных правополяризованных волн. Это означает, что образующиеся в солнечном ветре УНЧ волны диапазона геомагнитных пульсаций могут проходить через переходную область и регистрироваться в магнитосфере Земли. Затухание волн уменьшается с ростом скорости солнечного ветра. Это объясняет экспериментальную зависимость амплитуды пульсаций в случае их вне-магнитосферного происхождения.
-
Регулярные внутримагнитосферные низкочастотные колебания с преобладающей осцилляцией в направлении геомагнитного поля, одновременно сопровождаемых его понижением, связаны с плазменными уплотнениями, образовавшимися в магнитосфере в результате геомаг-
нитной активности, и являются их собственными колебаниями. Предлагается метод диагностики отделившихся от плазмосферы плазменных облаков по записям магнитных вариаций на внутримагнитосфер-ных спутниках.
Апробация результатов. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на Всероссийских и Международных конференциях, в том числе, на: Всесоюзном семинаре по электрическим и магнитным полям в ионосфере и магнитосфере (Ленинград, 1974); Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (XI, Казань, 1975; XIII, Горький,1981); Международном симпозиуме по проекту "Геомагнитный меридиан" (Ленинград, 1976); Всесоюзном семинаре по ОНЧ излучениям (IV, Тбилиси, 1978; VI, Звенигород, 1983); Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитных волн с плазмой (Душанбе, 1979); Симпозиуме КАПГ по солнечно-земной физике (Ашхабад, 1979); XVII General Assembly IUGG (Canberra, 1979); Всесоюзном совещании "Геофизические явления в авроральной зоне" (Иркутск, 1988); Научно-техническом семинаре "Космонавтика и экология: концепции и технические решения", (Туапсе, 1990); XX General Assembly IUGG (Vienna, 1991); International summer school on Space plasma physics (Nizhny Novgorod - Uppsala, 1993); 30 th COSPAR Scientific Assembly (Hamburg, 1994); 20 th EGS General Assembly (Hamburg, 1995); 2nd International Workshop on "The Solar Wind-Magnetosphere System" (Graz, 1995);21 th EGS General Assembly (The Hague, 1996).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 37 работ в журналах я сборниках [1 - 37].
Объем и структура работы. Диссертация содержит 264 страницы основного текста, 72 страницы с рисунками п таблицами. Список цитируемой литературы включает 209 наименований. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
