Исследование свойств и источников вариаций плазмы и магнитного поля в магнитослое земли
на правах рукописи
ШЕВЫРЕВ Николай Николаевич
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И ИСТОЧНИКОВ ВАРИАЦИЙ
ПЛАЗМЫ И МАГНИТНОГО ПОЛЯ В МАГНИТОСЛОЕ ЗЕМЛИ
Специальность 01.03.03 – Физика Солнца
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Москва, 2005
Работа выполнена в Институте космических исследований
Российской академии наук
Научный руководитель: д.ф.-м.н. - Г.Н. Застенкер (ИКИ РАН)
Официальные оппоненты:
доктор физ.-мат. наук И.С. Веселовский (НИИЯФ МГУ) доктор физ.-мат. наук А.Е. Левитин (ИЗМИРАН)
Ведущая организация - Институт физики Земли (ИФЗ РАН)
Защита диссертации состоится 27 октября 2005 г. в 11 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.113.03 Института космических исследований РАН по адресу: 117997, Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, ИКИ РАН, подъезд № (конференц-зал).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН.
Автореферат разослан 26 сентября 2005 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета Д 002.113.03, кандидат физико-математических наук Т.М. Буринская 1.
Общая характеристика работы
Диссертация посвящена экспериментальному исследованию вариаций параметров плазмы солнечного ветра и магнитного поля в области магнитослоя и сопоставлению этих вариаций с вариациями в невозмущенном солнечном ветре и форшоке.
Актуальность темы Проблема воздействия солнечного ветра на магнитосферу Земли является ключевой в изучении солнечно-земных связей и представляет большой научный и практический интерес для задач, объединенных в теме “Космическая погода”. В настоящее время, при рассмотрении этих задач, в качестве исходных параметров для моделей, описывающих процессы внутри магнитосферы и на ее границе, как правило, используются данные аппаратов, находящих ся на значительном удалении от Земли (например, в точке либра ции L1), т.е. измерения невозмущенного солнечного ветра. При этом никак не учитываются процессы, происходящие в области форшока, на ударной волне, а также в магнитослое. Однако достаточно оче видно, что на границу магнитосферы воздействует не невозмущен ный солнечный ветер, а модифицированный в этих областях (и главным образом в магнитослое) поток плазмы. Этим и объясняется важность и актуальность как экспериментального, так и теоретиче ского изучения области магнитослоя в наши дни, даже спустя свыше 40 лет после публикации первых работ по его наблюдениям, выпол ненным на спутнике Pioneer 1 (1958 г.). В этих работах магнитослой из-за наблюдавшихся больших вариаций был описан как область с "возмущениями типа серий ударных волн, с резкими и быстрыми изменениями направления магнитного поля".
В настоящее время существует значительное количество пуб ликаций по изучению магнитослоя, содержащих как прямые измере ния, так и теоретические модели. Однако недавние и более ранние работы, в основном, были посвящены изучению глобальной струк туры магнитослоя, а также численному газодинамическому или МГД-моделированию течения в нем. Анализ спутниковых измерений параметров плазмы и магнитного поля в магнитослое ограничивал ся низкочастотной областью (преимущественно с частотами f0, Гц) вследствие низкого временного разрешения данных. Система тический анализ более высокочастотных вариаций с частотами 0,01-1 Гц был невозможен вследствие низкого временного разреше ния данных измерений плазменных параметров и ограничивался измерениями магнитного поля. Лишь для отдельных единичных со бытий были доступны измерения потока плазмы с более высоким разрешением вплоть до 1/50 с (как, например, на спутнике ПРОГНОЗ-8). Эти измерения показывали, что именно в областях частот 0,01-1 Гц и наблюдаются интенсивные вариации параметров плазмы и магнитного поля, очень сильно отличающиеся по своей структуре от вариаций в невозмущенном солнечном ветре.
Запуск в 1995 г. российского спутника ИНТЕРБОЛ-1 позволил сделать большой шаг вперед в изучении солнечно-земных связей.
Это стало возможным благодаря уникальному комплексу научных приборов, функционировавших на борту этого спутника и обладав ших рекордным временным разрешением, а также благодаря тесной кооперации с экспериментами на других космических аппаратах.
Это сотрудничество опиралось на одновременное функционирова ние в солнечном ветре и магнитосфере целой флотилии аппаратов, выполнявших общую задачу по исследованию солнечно-земных связей и глобальной структуры магнитосферы.
В данной работе основной упор был сделан на исследование быстрых вариаций потока ионов и магнитного поля в диапазоне час тот 0,02-1 Гц (мелкомасштабные вариации) на основе богатой экс периментальной базы, обеспеченной успешным и весьма плодо творным функционированием спутника ИНТЕРБОЛ-1. Проводилось сопоставление свойств мелкомасштабных вариаций со свойствами среднемасштабных вариаций в диапазоне частот 0,02-0,0005 Гц.
Систематические измерения на протяжении почти пяти лет потока ионов (прибор VDP) и магнитного поля (прибор FM-3) с временным разрешением вплоть до 1/16 с обеспечили успешное выполнение поставленной задачи. Тем самым впервые удалось систематически наблюдать столь быстрые процессы не только в магнитном поле, но и в плазме, и приблизиться к проблеме возникновения сильной тур булентности в магнитослое. Были статистически исследованы осо бенности быстрых вариаций в магнитослое, проведено их сопостав ление с вариациями в невозмущенном солнечном ветре и форшоке, а также изучено поведение вариаций на различных временных масштабах, что дало возможность судить о свойствах течения плазмы в магнитослое.
Магнитослой является уникальной природной лабораторией, в которой возможно непосредственное изучение процессов в бес столкновительной плазме за фронтом ударной волны. Подобные условия невозможно воспроизвести в лабораторных условиях на Земле, поэтому исследование магнитослоя позволит улучшить представления о процессах, происходящих за внешней границей ге лиосферы (гелиопаузой), а также во многих астрофизических объек тах типа расширяющихся оболочек сверхновых звезд, звездных систем и галактик, когда происходит сверхзвуковое обтекание какой либо среды бесстолкновительной плазмой.
Цель работы Цель диссертационной работы - исследовать средне- и мел комасштабные вариации потока ионов и межпланетного магнитного поля в области магнитослоя на основе анализа высокоопросных данных измерений потока ионов солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (временное разрешение не хуже 1 с), полученных спутником ИНТЕРБОЛ-1 в период с 1995 по 2000 г., а именно:
• исследовать статистические свойства средне- и мелкомас штабных вариаций потока ионов и модуля магнитного поля в магнитослое и сравнить их со свойствами вариаций в невоз мущенном солнечном ветре и в форшоке;
• изучить пространственное распределение этих вариаций внут ри магнитослоя для понимания роли границ в генерировании наблюдаемых колебаний;
• установить вероятные источники вариаций в магнитослое, ис пользуя данные многоспутниковых измерений (ИНТЕРБОЛ-1, WIND, ACE, GEOTAIL, IMP-8 и MAGION-4), а также оценить длины пространственной корреляции среднемасштабных структур магнитослоя;
• сравнивая данные спутника ИНТЕРБОЛ-1 и мониторов сол нечного ветра изучить влияние внешних условий, в частности, ориентации межпланетного магнитного поля на амплитудные и частотные характеристики вариаций в магнитослое;
• исследовать отдельные волновые моды колебаний потока ио нов и магнитного поля в магнитослое, установить их природу и условия, приводящие к их генерации.
Научная новизна работы В работе представлены новые результаты, полученные в ходе анализа систематических измерений на спутнике ИНТЕРБОЛ-1 с высоким временным разрешением (1 с и выше) потока ионов и маг нитного поля в областях солнечного ветра, форшока, а также в раз личных частях магнитослоя - от близких к подсолнечным до далеких фланговых областей. В частности:
1. Впервые проведено детальное сравнительное статистиче ское исследование вариаций параметров в различных об ластях околоземного пространства - получены распределе ния относительных амплитуд вариаций в двух диапазонах частот в магнитослое, форшоке и невозмущенном солнечном ветре. Для среднемасштабных вариаций на основе одно временных измерений проведено исследование зависимости вариаций в магнитослое от вариаций в невозмущенном сол нечном ветре.
2. Впервые проведено детальное сопоставление данных спут никовых измерений потока ионов и модуля магнитного поля в магнитослое с результатами численного моделирования (газодинамическая модель Спрайтера и 3-D МГД-модель Карталева).
3. Впервые на основе сопоставления измерений параметров в магнитослое на нескольких аппаратах, одновременно нахо дившихся в магнитослое и разнесенных на расстояния от ~0,6 RE до ~30 RE, показано подобие вариаций этих пара метров даже на больших расстояниях вдоль линии тока в магнитослое.
4. На основе оригинальной методики впервые проведено ис следование пространственного распределения вариаций по тока ионов и модуля магнитного поля поперек магнитослоя для двух его флангов.
5. Впервые проведено систематическое исследование (как ста тистически, так и на примере отдельных событий) влияния ориентации межпланетного магнитного поля к околоземной ударной волне (угол Bn) на амплитуду мелкомасштабных вариаций потока ионов и модуля магнитного поля в магни тослое Земли. Разработана оригинальная методика опреде ления угла Bn для тех событий, когда спутник находится в магнитослое.
6. Обнаружены волны зеркальной моды не только в подсол нечной области магнитослоя, но и на его флангах.
Научная и практическая ценность работы Изучение факторов, влияющих на возникновение средне- и мелкомасштабных вариаций плазмы и межпланетного магнитного поля в магнитослое, а также анализ природы этих вариаций исклю чительно важны для понимания процессов взаимодействия солнеч ного ветра с магнитосферой Земли и той роли, которую играет маг нитослой в этих процессах. Магнитослой является интерфейсом между солнечным ветром и магнитосферой Земли, и именно моди фицированная в магнитослое плазма и межпланетное магнитное поле взаимодействуют с магнитосферой, а не невозмущенный сол нечный ветер.
В работе получены статистически обоснованные сведения о свойствах и зависимостях амплитуд и спектров вариаций потока ио нов и модуля магнитного поля в солнечном ветре, форшоке и в маг нитослое.
Для интерпретации результатов наблюдений разработаны различные методики анализа данных, в частности, на основе суще ствующих эмпирических и численных моделей магнитослоя и его границ предложена методика определения ориентации ударной волны к направлению межпланетного магнитного поля (угла Bn) по данным удаленного монитора солнечного ветра. Эта методика при менима как в случаях, когда исследуется область перед фронтом ударной волны, так и за ней, т.е. в магнитослое, и была проверена как на отдельных событиях, так и на большом статистическом мате риале.
Полученные в ходе работы над диссертацией результаты мо гут быть применены для построения новых и уточнения уже сущест вующих теорий возникновения и распространения средне- и мелко масштабных возмущений плазмы и магнитного поля в магнитослое и их последующего взаимодействия с магнитосферой, теоретиче ских и модельных исследований в области солнечно-земных связей, некоторых астрофизических задач, а также для совершенствования прогнозов "космической погоды".
Достоверность полученных в работе результатов обуслов лена использованием и сопоставлением данных разнообразных спутниковых наблюдений, хорошим согласием экспериментальных данных и численных расчетов, обеспечивается строгостью исполь зуемых методов исследования и адекватностью рассмотренных фи зических моделей.
Основные положения, выносимые на защиту 1. Область магнитослоя характеризуется интенсивными вариа циями потока ионов и модуля магнитного поля в широком диапазоне временных масштабов (от долей секунды до ча сов). Амплитуда колебаний, в среднем, составляет около 10%, а в отдельных событиях может достигать величин по рядка среднего значения параметра, т.е. колебания имеют преимущественно нелинейный характер.
2. Амплитуда вариаций плазмы и магнитного поля в магнитос лое в диапазоне частот 0,02-1 Гц, в среднем, в 2-3 раза вы ше, чем в невозмущенном солнечном ветре, и растет с рос том вариаций в солнечном ветре. При этом, однако, вариа ции в магнитослое могут быть достаточно интенсивны даже на фоне совсем спокойного солнечного ветра. Таким обра зом, вариации параметров в магнитослое вовсе не являются простым усилением вариаций параметров солнечного ветра, напротив, в первую очередь они - проявление собственных процессов в магнитослое и на его границах, в частности, на ударной волне.
3. Существующие газодинамические и МГД-модели могут дать удовлетворительное описание положения магнитопаузы и ударной волны в зависимости от параметров межпланетной среды, а также среднего распределения параметров в магни тослое, однако они не позволяют предсказать наблюдаемые вариации этих параметров.
4. Уровень вариаций потока ионов примерно постоянен поперек магнитослоя на обоих его флангах. При этом наблюдается асимметрия распределения вариаций: вариации на утреннем фланге, в среднем, более интенсивны, чем на вечернем. Это обусловлено преобладанием в ориентации межпланетного магнитного поля направления вдоль спирали Паркера, вследствие чего ударная волна на утреннем фланге боль шую часть времени является квазипараллельной.
5. Ориентация межпланетного магнитного поля к околоземной ударной волне сильно воздействует на амплитудные и час тотные характеристики турбулентности плазмы в магнитос лое. При квазипараллельной ориентации наблюдаются ин тенсивные высокочастотные колебания потока ионов и моду ля магнитного поля в диапазоне 0,02-1 Гц, в среднем, на уровне около 15%. Эти вариации примерно вдвое превышают вариации в магнитослое за квазиперпендикулярной ударной волной.
6. В соответствии с представленными данными одним из ос новных источников вариаций потока ионов и модуля магнит ного поля в магнитослое в диапазоне частот 0,02-1 Гц явля ется ударная волна, о чем свидетельствует, в частности, что:
амплитуда флуктуаций сильно зависит от ориентации межпланетного магнитного поля к околоземной ударной волне;
спектральные свойства флуктуаций в магнитослое сильно отличаются по своим особенностям от спектров в солнеч ном ветре и форшоке, а также наблюдается существенное различие в спектрах вариаций за квазипараллельной и квазиперпендикулярной ударными волнами.
7. За квазиперпендикулярной ударной волной при определен ных условиях наблюдаются волны зеркальной моды, харак теризующиеся, в частности, высоким уровнем вариаций маг нитного поля вдоль его среднего направления. Эти волны присутствуют не только в подсолнечной области, но и на флангах магнитослоя.
Апробация работы Результаты, вошедшие в диссертацию, были представлены автором на ряде научных конференций как внутри страны, так и за рубежом:
1) Международной конференции студентов и аспирантов WDS’00 (Прага, Чешская Республика, 2000 г.);
2) Международной конференции: COSPAR Colloquium “Plasma processes in the near-Earth space: INTERBALL and beyond” (г. София, Болгария, 2002 г.);
3) 27-ой Ассамблее Европейского геофизического союза EGS (г. Ницца, Франция, 2002 г.);
4) Ассамблее Американского геофизического союза AGU, (Сан Франциско, США, 2002 г.);
5) Международном симпозиуме памяти профессора Ю.И. Галь перина "Auroral Phenomena and Solar-Terrestrial Relations" (Москва, 2003 г.);
6) Международной конференции "Magnetospheric Response to Solar Activity" (Карлов Университет, Прага, Чешская Респуб лика, 2003 г.);
7) 5-ой международной конференции "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург, 2004 г.);
8) 35-ой научной ассамблее COSPAR (Париж, Франция, 2004 г.);
9) Международной конференции по физике солнечно-земных связей (г. Иркутск, 2004 г.), а также на семинарах в ИКИ РАН, СПбГУ, ИМЕХ (Болгария), MIT (США), CSSAR (Китай). Результаты опубликованы в 9 статьях в раз личных российских и зарубежных журналах.
Личный вклад автора Автором лично была разработана методика исследования, вы полнены многочисленные расчеты и анализ экспериментальных данных по вариациям параметров в магнитослое, а также проведе но сравнение с теоретическими моделями. Все результаты, пред ставленные в диссертационной работе, получены при определяю щем участии диссертанта.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Об щий объем диссертационной работы составляет 114 страниц, вклю чая 41 рисунок, 3 таблицы и список цитируемой литературы из наименований.
2. Содержание работы Во Введении сформулирована тема диссертации, обоснова на ее актуальность, обозначены цели работы и направления иссле дований, описана структура диссертации, а также сделан краткий обзор уже имеющихся результатов в публикациях по теме исследо вания.
В первой главе диссертации представлено краткое описание проекта ИНТЕРБОЛ, данные которого легли в основу диссертации, изложены особенности орбиты аппаратов, задачи проекта, дано краткое описание комплекса разнообразных приборов, позволявших проводить измерения магнитного поля, электронной и ионной ком понент плазмы, определение потоков энергичных заряженных час тиц в нескольких диапазонах энергий, исследование спектральных свойств осцилляций электрических и магнитных полей.
Дано подробное описание прибора ВДП – всенаправленного датчика плазмы, предназначенного для измерения величины инте грального потока ионов и состоявшего из шести цилиндров Фара дея, ориентированных в различных направлениях. Дано описание конструкции цилиндра Фарадея, его физических характеристик, осо бенностей измерения с его помощью потока ионов, а также методи ки обработки полученных данных. Именно измерения прибора ВДП и легли в основу решения задач данной диссертации.
Также приводится описание прибора ФМ-3И – феррозондового магнитометра для измерения трех компонент вектора магнитного поля в космической плазме. Данные этого прибора также активно использовались в настоящей работе.
Приведены также краткие описания методики измерения на спутниках WIND, GEOTAIL и IMP-8. В этой главе также рассмотрен ряд методов анализа данных и решения поставленной задачи.
Вторая глава диссертации посвящена изложению результа тов сравнительного анализа статистических свойств средне- и мел комасштабных вариаций потока ионов солнечного ветра и межпла нетного магнитного поля в областях невозмущенного солнечного ветра, форшока и магнитослоя Земли.
Показано, что в магнитослое наблюдаются интенсивные и дос таточно хаотичные вариации потока ионов и модуля магнитного по ля в широком диапазоне частот даже на фоне спокойных условий в невозмущенном солнечном ветре.
Проведен статистический анализ 230 пересечений магнитос лоя в период 1997-1999 гг. (около 1900 ч наблюдений), а также на блюдений в солнечном ветре в период 1996-1999 гг. (около 9000 ч наблюдений). На их основе получены оценки относительных ампли туд (величин относительного стандартного отклонения) среднемас штабных (0,0005-0,02 Гц) и мелкомасштабных (0,02-1 Гц) вариаций потока ионов и модуля магнитного поля в этих областях. Показано, что на обоих масштабах вариации в магнитослое, в среднем, вдвое интенсивнее, чем в невозмущенном солнечном ветре.
Был также проведен анализ среднемасштабных вариаций по тока ионов и модуля магнитного поля в магнитослое по данным спутника ИНТЕРБОЛ-1 в сравнении с вариациями в солнечном вет ре по данным одновременных измерений на аппарате WIND (сдви нутых на время распространения потока плазмы от одного аппарата к другому). Показано, что вариации в магнитослое возрастают с рос том вариаций в солнечном ветре и всегда превышают их по величи не, а также могут быть чрезвычайно интенсивными даже на тех ин тервалах, где солнечный ветер возмущен очень слабо. Таким обра зом, доказано, что значительная часть вариаций плазмы и магнит ного поля в магнитослое не является просто усилением вариаций межпланетной среды, а рождается внутри этой области, либо на ее границах.
Было также проведено сопоставление данных спутниковых измерений потока ионов и модуля магнитного поля с результатами численных моделей. Для сопоставления с результатами широко из вестной модели Спрайтера была разработана оригинальная мето дика определения положения спутника в магнитослое относительно его границ в зависимости от условий в солнечном ветре – значений скорости и плотности плазмы, а также величины и знака BZ-компоненты межпланетного магнитного поля. Эта методика по зволила получать модельные профили параметров плазмы и маг нитного поля для реальных пересечений магнитослоя спутником ИНТЕРБОЛ-1. Сопоставление измеренных параметров и их профи лей вдоль траектории аппарата, предсказанных по модели Спрай тера, продемонстрировало качественное сходство в их поведении – спад потока ионов и рост модуля магнитного поля по направлению от ударной волны к магнитопаузе. В то же время в магнитослое на блюдаются достаточно интенсивные колебания, поведение которых никак не отражается в модельных расчетах, т.е. их происхождение не обусловлено простым лишь усилением вариаций в солнечном ветре и не описывается в рамках газодинамической теории.
Для более надежного сопоставления была также рассмотрена более современная трехмерная модель Карталева, включающая ряд магнитных эффектов. В этой модели, для заданных условий в солнечном ветре, распределение параметров внутри магнитослоя и положение его границ – магнитопаузы и ударной волны – получают ся самосогласованным образом как часть решения. Модель позво лила достаточно точно вычислить моменты пересечения границ магнитослоя, а также предсказать с хорошей точностью средние ве личины параметров и структуру течения плазмы в магнитослое. Од нако значительная часть наблюдаемых в магнитослое колебаний оказалась проявлением процессов, которые никак не учитываются этой моделью.
Таким образом, показано, что существующие модели позво ляют описать лишь основные характеристики течения плазмы в магнитослое: положения его границ и средние значения парамет ров. Модели также позволяют описывать отклик магнитослоя на резкие изменения в солнечном ветре: скачки плотности и скорости, приводящие как к аналогичному изменению этих параметров в маг нитослое, так и к движению магнитослоя как целого относительно спутника. Однако собственные вариации параметров в магнитослое и модификация вариаций солнечного ветра на ударной волне оста ются за рамками их возможностей, главным образом, вследствие неучета ряда принципиальных процессов на ударной волне и внутри магнитослоя, таких как кинетические эффекты, динамика потенци ального барьера на ударной волне в зависимости от внешних усло вий, анизотропия функций распределения частиц, и других процес сов.
Было также проведено сопоставление данных измерений па раметров плазмы и магнитного поля в солнечном ветре с результа тами одновременных измерений в магнитослое, причем сразу на нескольких космических аппаратах, разнесенных на расстояния от 0,6 до 30 радиусов Земли. Такое сопоставление позволяет изучить динамику прохождения плазмы из области невозмущенного солнеч ного ветра в магнитослой, модификацию характера ее течения на ударной волне и в ходе дальнейшего распространения внутри маг нитослоя. Было показано, что резкие и большие по амплитуде скач ки (такие, как на величину свыше 30%) потока ионов солнечного ветра и модуля межпланетного магнитного поля также наблюдаются и в магнитослое, причем имеют схожие фронты. Однако, как прави ло, на эти изменения накладываются собственные колебания пара метров в магнитослое на самых различных пространственных и временных масштабах. Причем эти колебания могут появляться да же на фоне спокойных условий в солнечном ветре, и в отдельных событиях их амплитуда достигает величин свыше 50%. Они сносят ся течением плазмы и могут быть достаточно долгоживущими в за висимости от пространственного масштаба этих колебаний. При этом течение плазмы носит преимущественно турбулентный харак тер.
Во второй главе было также изучено пространственное рас пределение мелкомасштабных вариаций внутри магнитослоя. При помощи разработанной методики определения положения аппарата относительно границ магнитослоя в зависимости от поведения па раметров межпланетной среды удалось получить радиальные про фили вариаций потока ионов по направлению от ударной волны к магнитопаузе, причем отдельно для утреннего и вечернего флангов магнитослоя. Показано, что амплитуда колебаний примерно посто янна поперек магнитослоя и несколько выше на утреннем фланге, чем на вечернем. Таким образом, мелкомасштабные вариации либо рождаются внутри самого магнитослоя более или менее однородно по всей области, либо возникают на ударной волне и затем сносятся вниз по потоку без заметного затухания. В пользу последней гипоте зы служит факт некоторого возрастания уровня вариаций на утрен нем фланге по направлению к ударной волне и его более высокое значение (~15%) по сравнению с уровнем вариаций на вечернем фланге, так как в солнечном ветре единственным источником, спо собным внести асимметрию в распределение вариаций на двух флангах магнитослоя, является ориентация межпланетного магнит ного поля, вектор которого на орбите Земли наклонен, в среднем, на угол около 450 к линии Земля - Солнце.
В третьей главе приведены результаты исследования зави симости мелкомасштабных вариаций потока ионов и модуля маг нитного поля в магнитослое от внешних условий, в частности, от уг ла Bn, т.е. от угла между вектором межпланетного магнитного поля и нормалью к околоземной ударной волне. При этом области удар ной волны, где угол Bn450 или Bn450, называются, соответст венно, квазиперпендикулярными или квазипараллельными.
Ориентация межпланетного магнитного поля к ударной волне оказывает существенное влияние на кинетические процессы на ее фронте, а также определяет наличие области форшока, где взаи модействие отраженных от ударной волны частиц солнечного ветра с набегающим потоком солнечного ветра приводит к возбуждению интенсивных УНЧ-колебаний плотности ионов и магнитного поля.
Однако влияние ориентации межпланетного магнитного поля рас пространяется и на область за фронтом ударной волны, т.е. на маг нитослой.
Одна из серьезных трудностей при исследовании этого вопро са заключается в том, что для нахождения угла Bn, при произволь ном положении спутника внутри магнитослоя, необходимо искать нормаль к ударной волне в той ее точке, которая связана с положе нием спутника линией тока плазмы в магнитослое, т.е. где соответ ствующий объем плазмы, войдя в магнитослой, достигает затем спутника. Для этого была разработана специальная методика: на основе измерений параметров невозмущенного солнечного ветра находилось положение спутника в магнитослое по модели Спрайте ра и затем, при помощи модельных расчетов распределения линий тока плазмы внутри магнитослоя, находилась соответствующая точ ка модельной ударной волны и определялся вектор нормали к ней.
После этого, на основе измерений направления вектора межпла нетного магнитного поля, вычислялся угол Bn между этим вектором и нормалью к ударной волне в указанной точке. Эта методика по зволила определять изменение угла Bn вдоль траектории спутника внутри магнитослоя.
В первой части этой главы было рассмотрено влияние угла Bn на вариации потока ионов и модуля магнитного поля в магнитослое на примере двух его пересечений спутником ИНТЕРБОЛ-1. При этом в обоих случаях измерения также затрагивали области невоз мущенного солнечного ветра и форшока. В обоих рассмотренных примерах наблюдается хорошее согласие расчетов угла Bn (по из мерениям аппаратов WIND или ACE) и поведения потока ионов и модуля магнитного поля в солнечном ветре и в магнитослое. Это проявляется в том, что смена ориентации ударной волны на тех ин тервалах, когда аппарат был перед ударной волной, хорошо совпа дает с моментами появления и исчезновения области форшока, в которой наблюдаются значительно более интенсивные (с амплиту дами ~10-30%), чем в невозмущенном солнечном ветре, и коррели рованные (с коэффициентами корреляции R(F/B)0,8) вариации по тока ионов и магнитного поля в диапазоне частот 0,005-1 Гц. Это, в целом, свидетельствует о применимости измерений удаленных мо ниторов при расчетах различных параметров вблизи ударной вол ны. Один из примеров содержит также одновременные измерения с аппарата IMP-8, находившегося на протяжении всего рассмотренно го интервала сравнительно недалеко от спутника ИНТЕРБОЛ-1. Из мерения магнитного поля на спутнике IMP-8 подтвердили расчеты угла Bn по данным WIND и ACE – даже после пересечения ударной волны спутником ИНТЕРБОЛ-1, аппарат IMP-8 продолжал нахо диться в форшоке, о чем свидетельствовали интенсивные колеба ния магнитного поля. Момент исчезновения этих колебаний на IMP-8 совпал с расчетным изменением угла Bn по данным ACE. Все эти изменения ориентации ударной волны сопровождались измене ниями характера колебаний параметров в магнитослое – при пере ходе от квазипараллельной ориентации к квазиперпендикулярной наблюдался резкий спад (в 2-3 раза) амплитуды колебаний потока ионов и модуля магнитного поля, а также изменялись их спектраль ные характеристики. Коэффициенты кросс-корреляции этих пара метров также показали явную зависимость от углов Bn – за квази параллельной ударной волной коэффициент R(F/B) составлял ~0,3, тогда как за квазиперпендикулярной – R(F/B) становился отрица тельным или был близок к нулю.
Были также проведены статистический анализ влияния угла Bn на вариации в магнитослое, а также сопоставление этих вариа ций с вариациями в невозмущенном солнечном ветре и форшоке.
Для этого к результатам статистического анализа, изложенным во второй главе, были добавлены около 220 ч измерений в форшоке, а измерения в магнитослое были отселектированы в зависимости от угла Bn. (450 или 450), вычисляемого по данным аппаратов WIND и ACE. Как и в предыдущей главе, для оценки уровня этих вариаций проводился расчет величин относительного стандартного отклоне ния на 1-минутных интервалах по измерениям с разрешением 1с.
Гистограммы распределений вариаций потока ионов в солнеч ном ветре, форшоке и магнитослое (отдельно за квазипараллель ной и квазиперпендикулярной ударными волнами) показали, что от носительные мелкомасштабные вариации потока в невозмущенном солнечном ветре, в среднем, находятся на уровне ~3% и почти в раз ниже, чем в области форшока. Вариации потока в магнитослое за квазиперпендикулярной ударной волной, в среднем, составляют около 7% и почти в 1,5 раза ниже, чем за квазипараллельной (~11%).
Кривые зависимости величин потока ионов и модуля магнитно го поля и их мелкомасштабных вариаций от угла Bn продемонстри ровали быстрый спад уровня относительных вариаций с ростом это го угла. При этом вариации и потока ионов, и модуля магнитного по ля при Bn~00 (т.е., за чисто квазипараллельной ударной волной) оказались вдвое выше, чем при Bn~900 (т.е., за чисто квазиперпен дикулярной). Так, для потока ионов их величины составили 12 и 6% соответственно, а для модуля магнитного поля – 30 и 12%.
Кроме того, была обнаружена слабая зависимость самой ве личины потока ионов от угла Bn – величина потока монотонно воз растает на величину ~20% с ростом угла от 00 до 900. Это косвенно свидетельствует об отражении части ионного потока от фронта ква зипараллельной ударной волны, либо о перестройке крупномас штабной структуры магнитослоя в зависимости от величины угла Bn.
Приведены результаты анализа спектров мощности быстрых вариаций потока ионов и модуля магнитного поля (на масштабах 1-1000 с) в солнечном ветре, форшоке и магнитослое (отдельно за квазипараллельной и квазиперпендикулярной ударными волнами).
Спектры мощности в невозмущенном солнечном ветре имеют на клон около k~-1,0, т.е. здесь мелкомасштабные вариации находятся практически на уровне аппаратурных шумов прибора, связанных главным образом с величиной квантования на выходе аналого цифрового преобразователя, а единственный значимый пик на час тоте f~0,01 Гц на спектре вариаций магнитного поля обусловлен мо дуляцией измерений вращением аппарата вокруг своей оси. Спек тры мощности вариаций в форшоке, квазипараллельном и квази перпендикулярном магнитослое выглядят достаточно однородно без явно выраженных отдельных пиков, однако, и это очень сущест венно, они сильно отличаются друг от друга наклонами и мощно стью вариаций.
В форшоке наклоны спектров очень крутые, причем наклон спектра вариаций потока (kF=-3,0) больше, чем модуля магнитного поля (kB=-2,4). В этой области доминируют быстрые магнитозвуко вые волны (о чем свидетельствуют, в частности, высокие положи тельные значения корреляции вариаций потока ионов и модуля магнитного поля). В квазиперпендикулярном магнитослое спектры также крутые, однако здесь наклон спектра вариаций потока ионов (kF=-2,1), наоборот, меньше, чем у магнитного поля (kB=-2,6). В ква зипараллельном магнитослое наклоны спектров близки друг к другу и практически совпадают с колмогоровским с k=-1,8 -2,0.
Таким образом, течение плазмы в магнитослое сильно возму щено, причем в квазипараллельном магнитослое преобладает раз витая турбулентность без каких-либо отдельно выраженных волно вых мод. Спектральные и корреляционные характеристики вариаций параметров за квазипараллельной ударной волной сильно отлича ются от этих характеристик в области форшока, т.е., вопреки до вольно распространенному мнению, они не являются лишь усилен ными вариациями форшока, а генерируются на ударной волне и за тем сносятся течением плазмы вниз по потоку. Течение плазмы в магнитослое за квазиперпендикулярной волной также турбулентно, однако при определенных условиях, как будет показано ниже, здесь могут быть хорошо выражены отдельные волновые моды.
В четвертой главе приведены результаты исследования ко лебаний магнитного поля большой амплитуды и колебаний плазмы в магнитослое за квазиперпендикулярной ударной волной. Как было показано на ряде примеров и на большой статистике, в среднем, колебания плазмы и магнитного поля в квазиперпендикулярном магнитослое сравнительно малы. Однако в ряде событий в таком магнитослое наблюдаются весьма интенсивные вариации магнитно го поля. Изучались волновые свойства этих колебаний, в том числе поляризация, спектральные особенности, корреляция колебаний магнитного поля с вариациями потока, волновые векторы и др.
Для проведения этого анализа были рассмотрены около пересечений магнитослоя за квазиперпендикулярной ударной вол ной спутником ИНТЕРБОЛ-1, на которых наблюдались достаточно интенсивные колебания магнитного поля. В результате было ото брано несколько типичных примеров.
Для одного из наиболее “четких” событий был проведен детальный анализ измерений потока ионов и магнитного поля в магнитослое на спутнике ИНТЕРБОЛ-1. Это событие выгодно отли чается от других тем, что условия в солнечном ветре оставались практически неизменными на протяжении всего пересечения магни тослоя. В качестве монитора невозмущенного солнечного ветра ис пользованы данные аппарата Geotail, находившегося недалеко пе ред фронтом ударной волны и обеспечивавшего все необходимые параметры для сопоставления с измерениями в магнитослое и для надежного определения угла Bn. Эти измерения показывают, что ИНТЕРБОЛ-1 на протяжении всего пересечения магнитослоя нахо дился за квазиперпендикулярной ударной волной с Bn~700. Коэф фициент кросс-корреляции вариаций потока ионов и модуля маг нитного поля в диапазоне 1-300 с был отрицательным и изменялся на протяжении всего пересечения от R(F/B)= -0,3 вблизи ударной волны до R(F/B)= -0,9 вблизи магнитопаузы. Вариации потока ионов находились в среднем на уровне 5-7%, что характерно для квази перпендикулярного магнитослоя, однако вариации модуля магнит ного поля достигали 30-50%, при этом направление магнитного поля держалось достаточно стабильно. Расчет вариаций в направлении вдоль среднего магнитного поля и поперек ему показал, что сразу после пересечения ударной волны в магнитослое доминировали волны сжатия – продольные колебания магнитного поля вдвое пре вышали поперечные. По мере приближения к магнитопаузе это до минирование усиливалось – вблизи магнитопаузы амплитуда про дольных колебаний превышала амплитуду поперечных в 7 раз, т.е.
колебания стали почти чисто волнами сжатия.
Для более глубокого анализа были рассмотрены несколько ко ротких (~10 мин.) интервалов на этом пересечении. Исследование этих интервалов с применением метода наименьших вариаций по казало, что наблюдаемые колебания магнитного поля являются ли нейно-поляризованными волнами с вектором максимальных вариа ций направленным почти вдоль направления среднего магнитного поля и наклоненным к нему под углом kB~100.
Спектры мощности вариаций потока ионов, а также продоль ной и поперечной компонент магнитного поля показали, что в облас ти частот f0,1 Гц мощность продольных вариаций почти на порядок превышает мощность поперечных и лишь в высокочастотной облас ти (0,1-1 Гц) их мощности почти сравниваются. Наклоны спектров мощности продольных колебаний магнитного поля составляли kBpar~-3,4-4,1, наклоны поперечных kBper~-2,2-3,1, для потока ионов: kF~-2,3-3,1, причем во всех рассмотренных случаях наклоны спектров поперечных вариаций магнитного поля и потока ионов сов падали. Таким образом, в рассмотренном случае условия в плазме были неустойчивы для возбуждения линейно поляризованных волн сжатия на частотах ниже 0,1 Гц, отрицательно коррелирующих с ко лебаниями потока ионов. Волновые векторы этих волн лежат в плоскости, практически перпендикулярной (с углами kB~5-150) к среднему направлению магнитного поля. По совокупности всех этих признаков данные волны соответствуют волнам зеркальной моды.
Аналогичные результаты получены при анализе данных ряда других пересечений магнитослоя, в том числе и на его фланге. На отдельных интервалах этих пересечений регистрировались колеба ния, которые по совокупности свойств идентичны тем, что наблюда лись в описанном выше случае, и также могут характеризоваться как волны зеркальной моды. Весьма существенно, что волны зер кальной моды обнаруживались не только в подсолнечной области, но и на флангах магнитослоя (например, при XSE= -1 RE). При этом не наблюдалось заметной разницы в амплитуде и других свойствах этих волн в зависимости от положения спутника в магнитослое.
Вопрос об условиях возникновения волн зеркальной моды не так прост. В публикациях по теории этих волн критерием их возбуж дения является наличие достаточной анизотропии ионов в плазме:
T T 1 + 1, и максимум степени роста зеркальной неустойчивости достигается при конечных значениях k i 1. Однако в реальных ус ловиях наблюдения набор имеющихся данных довольно ограничен и не всегда позволяет оценить все требуемые параметры, а коле бания магнитного поля никогда не бывают “чистыми”, а всегда ока зываются совокупностью нескольких видов волн. Поэтому получить надежные сведения о причинах раскачки тех или иных видов коле баний весьма затруднительно.
В Заключении подведены итоги, сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы:
1. В области магнитослоя наблюдаются интенсивные вариации различных параметров (потока ионов, величины и ориентации магнитного поля) в широком диапазоне временных масштабов.
В среднем, амплитуда мелко- и среднемасштабных вариаций потока ионов и модуля магнитного поля в магнитослое в 2- раза выше, чем в невозмущенном солнечном ветре.
2. Вариации в магнитослое возрастают с ростом вариаций в сол нечном ветре, однако они могут быть достаточно интенсивны даже на фоне абсолютно спокойных условий в солнечном вет ре. Таким образом, все сильные возмущения солнечного ветра находят свое проявление в магнитослое, однако далеко не все вариации параметров в магнитослое имеют своим источником вариации в солнечном ветре.
3. Существующие численные модели позволяют предсказать средние значения потока ионов в магнитослое, в зависимости от условий в солнечном ветре, а также могут в ряде случаев обеспечить удовлетворительный расчет положений магнито паузы и ударной волны, однако они не позволяют описать на блюдаемые вариации параметров – как мелко-, так и средне масштабные. Значительная часть вариаций является отраже нием процессов, не учитываемых современными газодинами ческими, а также магнитогидродинамическими моделями.
4. Как на мелких, так и на средних масштабах вариации в магни тослое сохраняются сравнительно неизменными лишь тогда, когда характерное время возмущения больше или порядка времени распространения плазмы от одной исследуемой точки внутри магнитослоя к другой. Возмущения на масштабах вре мени, меньших времени распространения плазмы, никак не коррелируют друг с другом. Таким образом, течение плазмы в магнитослое носит преимущественно турбулентный характер и характер турбулентности не связан с турбулентностью в сол нечном ветре.
5. Вариации потока ионов примерно постоянны поперек магни тослоя на обоих его флангах. При этом наблюдается асиммет рия распределений вариаций: вариации на утреннем фланге немного более интенсивны, чем на вечернем. Это, вероятнее всего, обусловлено преобладанием в ориентации межпланет ного магнитного поля направления вдоль спирали Паркера, вследствие чего ударная волна на утреннем фланге большую часть времени является квазипараллельной.
6. Как следует из анализа отдельных событий и достаточно большой статистики, ориентация межпланетного магнитного поля к околоземной ударной волне сильно воздействует на ха рактер турбулентности плазмы в магнитослое. При квазипа раллельной ориентации наблюдаются интенсивные высоко частотные колебания потока ионов и модуля магнитного поля в диапазоне 0,02-1 Гц в среднем на уровне около 15%. Эти ва риации вдвое превышают вариации в магнитослое за квази перпендикулярной ударной волной.
7. В соответствии с представленными данными одним из основ ных источников вариаций потока ионов и модуля магнитного поля в магнитослое в диапазоне частот 0,02-1 Гц является ударная волна, поскольку:
- амплитуда флуктуаций в магнитослое сразу же после пере сечения ударной волны в несколько раз превосходит ампли туду флуктуаций в невозмущенном солнечном ветре;
- амплитуда флуктуаций сильно зависит от ориентации меж планетного магнитного поля к околоземной ударной волне;
- спектральные свойства флуктуаций в магнитослое сильно отличаются по своим особенностям от спектров в солнечном ветре или форшоке, т.е. эти флуктуации являются проявле нием собственных процессов в магнитослое и на его грани цах, в частности, на ударной волне.
8. Во многих пересечениях магнитослоя спутником ИНТЕРБОЛ- наблюдались интервалы с интенсивными колебаниями модуля магнитного поля за квазиперпендикулярной ударной волной.
Было обнаружено, что в ряде случаев эти колебания обладают следующими свойствами:
- вариации модуля магнитного поля находятся в противофазе с вариациями потока ионов;
- в низкочастотной области при f0,1 Гц волны имеют линей ную поляризацию и являются волнами сжатия, т.е. вариации в направлении вдоль среднего магнитного поля значительно превышают вариации в поперечном направлении;
- наклоны спектров мощности продольных колебаний магнит ного поля значительно превышают колмогоровский и со ставляют kBpar~-3,4-4,1, а наклоны спектров поперечных ко лебаний совпадают с наклонами спектров потока ионов и со ставляют kF~-2,3-2,8.
Эти колебания наблюдаются в различных областях магнитос лоя, как близких к подсолнечным, так и на флангах, и являются про явлением волн зеркальной моды.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Shevyrev N.N., Zastenker G.N., Safrankova J., Nemecek Z., Pisoft P. Statistical study of the fast ion flux variations in the magne tosheath and solar wind // Proceedings of contributed papers.
WDS’00. part 2 / Ed. by J. Safrankova. Prague. MFF UK. 2000.
P.208-213.
2. Застенкер Г.Н., Шевырев Н.Н., Ноздрачев М.Н. О больших ва риациях плазмы и магнитного поля в магнитослое, как возмож ном источнике магнитосферных возмущений // Сборник "Сол нечно-земная физика". Иркутск. 2002. Вып.2 (115). C.187-189.
3. Шевырев Н.Н., Застенкер Г.Н., Шафранкова Я., Немечек З., Гайош М., Ричардсон Дж.Д. Большие и быстрые изменения па раметров в магнитослое: 3. Амплитуды и поперечные профили низкочастотных и высокочастотных вариаций плазмы и маг нитного поля // Космические исследования. 2002. Т.40. №4.
С.361-373.
4. Shevyrev, N.N., Zastenker G.N., Nozdrachev M.N., Nmeek Z., afrnkov J., Richardson J.D. High and low frequency large am plitude variations of plasma and magnetic field in the magne tosheath: radial profile and some features // Advances in Space Research. 2003. V.31/5. P.1389.
5. Shevyrev N.N., Eiges P.E., Zastenker G.N., Richardson J.D. Com parison of ULF Plasma and Magnetic Field Waves Inside the Fore shock and Magnetosheath // Proceedings of the conference in memory of Yuri Galperin "Auroral Phenomena and Solar-Terrestrial Relations". CAWSES Handbook-1. Boulder. 2004. С.242-246.
6. Shevyrev N.N., Zastenker G.N., Eiges P.E. Magnetosheath Low Frequency Waves Observed by INTERBALL-1 // Proceedings of the 5-th International Conference "Problems of Geocosmos". St.
Petersburg. 2004. С.158-161.
7. Shevyrev N.N., Zastenker G.N. Some Features of the Plasma Flow in the Magnetosheath Behind Quasi-Parallel and Quasi Perpendicular Bow Shocks // Planetary and Space Science. 2005.
V.53. P.95-102.
8. Dobreva P.S., Kartalev M.D., Shevyrev N.N., Zastenker G.N., Comparison of a New Magnetosphere - Magnetosheath Model with Interball-1 Magnetosheath Plasma Measurements // Planetary and Space Science. 2005. V.53. P.117-125.
9. Шевырев Н.Н. Волны зеркальной моды в магнитослое Земли по наблюдениям на спутнике ИНТЕРБОЛ-1 // Космические ис следования. 2005. Т.43. №4. С.306-313.
055(02)2 Ротапринт ИКИ РАН Москва, 117997, Профсоюзная, 84/ Подписано к печати 18.08. Заказ Формат 70х108/32 Тираж 100 1,2 уч.-изд.л.