WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 9 |

В геофизической литературе в целом не было четкой картины распространения низкочастотных МГД возмущений вдоль ионосферы. С одной стороны, ряд авторов [Rostoker] полагали, что распространение УНЧ возмущений вдоль ионосферы аналогично распространению электромагнитной волны в проводящей пластине, и тем самым ограничено скин-длиной P. С другой стороны, Сорокин, Федорович развивали представления о возможности дальнего ионосферного распространения на средних и высоких широтах специфических МГД мод, названных гиротропными волнами, вдоль Е-слоя, где преобладает холловская проводимость. Вопрос о возможности распространения H P гиротропной моды в приэкваториальной ионосфере оставался открытым. Обычно полагается, что все особенности поля УНЧ волн на при-экваториальных широтах связаны с существованием узкой полосы в экваториальной ионосфере с высокой каулинговской проводимостью C. Однако, анализ поля Рспульсаций на приэкваториальных широтах показал, что экваториальная ионосфера не только пассивно усиливает токи растекания от более высокоширотных источников, но и активно генерирует УНЧ возмущения. Эти экспериментальные наблюдения подводят к гипотезе о том, что флуктуации экваториального электроджета могут возбуждать геомагнитные возмущения, которые затем разбегаются вдоль ионосферы. В 2.2 дан строгий анализ задачи о распространении МГД возмущений вдоль ионосферного слоя с малым наклонением I геомагнитного поля. Эта задача завершает построение полной картины возможного ионосферного распространения МГД волн, развиваемой Сорокиным, Борисовым, Мазуром.

Суммируя результаты 2.3 и предшествующих работ, общие свойства поверхностной гиротропной моды можно описать следующим образом. Для наглядности, рассматриваем ситуацию, когда влиянием Земли на возмущения в ионосфере можно пренебречь, т.е. kh >> 1. Введем характерные скорости ионосферы, определяемые интегральными ионосферными проводимостями: VP,H =1/ 0P,H. В ионосферном слое с малой педерсеновской проводимостью ( P H ) возможно дальнее распространение гиротропной моды, при этом скорость распространения определяется :

H / k = 2kVH cos I.

В типичной ионосфере, где P H, свойства гиротропной моды меняются принципиальным образом - волновой режим распространения сменяется на диффузионный. В приближении тонкой ионосферы из бесконечного дискретного спектра горизонтальных волновых чисел k остается только n мода с k = i / 2VC или = - 2iVC | k | (4) где VC =1/ 0C - ионосферная "каулинговская" скорость, которая определяется комбинацией интегральных ионосферных проводимостей C =P +2 / P. Дисперсионное соотношение (4) для H поверхностной гиротропной волны в среде с анизотропной проводимостью показывает, что ее распространение вдоль ионосферной пленки имеет диффузионный характер. В дневной ионосфере кажущаяся скорость распространения / k = -i2VC, а длина затухания S = 2VC /. По сравнению со скин-эффектом, гиротропная мода, возбуждаемая экваториальным электроджетом, способна переносить УНЧ возмущения на значительно большие расстояния ~S 103 км и с большей скоростью V ~30 км/с.

C В 2.1 рассмотрена задача о возбуждении магнитной моды в атмосфере падающей альвеновской волной с учетом индукционных эффектов в ионосфере и конечной проводимости земной коры.

Аналитические оценки и численные расчеты с помощью аналитико-численной модели прохождения альвеновской волны в резонансной области через тонкую ионосферу, описанной в 1.3, показывают, что при прохождении через ионосферу пространственный резонансный пик смещается вдоль меридиана к полюсу и амплитудно-фазовая структура поля искажается за счет возбуждения ионосферной моды падающей альвеновской волной (рис.7).

Там же рассмотрено влияние этого эффекта на различные наземные методы определения резонансных магнитосферных частот. Численные расчеты проведены для условий, характерных для средних и низких широт.

Наиболее заметным образом эффекты искажения пространственной структуры поля проявляются для высоких резонансных частот и при высокой проводимости ионосферы. С физической точки зрения, эти искажения вызваны двумя причинами: (a) возбуждением поверхностной моды, диффузионно распространяющейся вдоль ионосферы, (b) конечной проводимостью Земли.

Относительная роль возбуждения поверхностной ионосферной волны растет с увеличением ионосферной проводимости и частоты падающей альвеновской волны. Конверсия части энергии падающей волны в ионосферную моду приводит к асимметрии амплитуд наземных сигналов в южном и северном полушариях под несимметричными сопряженными ионосферами, и может быть представлен как экранирование (shielding) УНЧ волн высокопроводящей ионосферой (не путать с широко известным геометрическим эффектом ослабления (screening) мелкомасштабных пространственных гармоник).

Среди обширного числа УНЧ явлений особое внимание уделяется изучению явлений, связанных с приходом межпланетной ударной волны перед началом магнитной бури – SC (storm commencement).

Импульсное воздействие, каким является SC, служит удобным зондирующим сигналом для изучения отклика магнитосферы. Несмотря на кажущуюся простоту такого воздействия, комплекс УНЧ волновых явлений, стимулированных SC, оказывается удивительно многообразным. Несмотря на длительную историю исследования SC, далеко не все аспекты сопутствующих волновых явлений окончательно установлены. Согласно феноменологической модели SC, наблюдаемое магнитное возмущение представляет собой суперпозицию ступенчатого увеличения геомагнитного поля, вызванного поджатием магнитосферы, предварительного обратного импульса PI и последующего основного импульса MI. Природа MI к настоящему времени надежно идентифицирована как результат распространения БМЗ импульса вглубь магнитосферы. В то же время, механизм PI остается невыясненным: в 3.3 показано, что ни одна из существующих моделей PI не описывает адекватно это явление. Резкое возмущение магнитопаузы при SC вызывает возбуждение не только БМЗ, но и альвеновской волны, поэтому естественно предположить, что альвеновский импульс и является причиной PI на высоких широтах. Однако вопрос о распространении PI на средние и низкие широты остался открытым. Kikuchi and Araki предположили, что PI импульс распространяется в волноводе Земля-ионосфера в виде электрической TH моды, которая не имеет частоты отсечки, распространяется со скоростью близкой к скорости света, и слабо затухает. Эта модель применялась для интерпретации кажущегося мгновенного распространения PI и получила широкую популярность. В 2.3, исходя из теории электромагнитных мод волновода Земля-ионосфера, получено соотношение для возмущения вертикальной компоненты атмосферного электрического поля Ez, которое показывает, что для типичных PI сопутствующее Ez должно быть не менее градиента атмосферного потенциала (~102-103 В/м). Специализированный эксперимент по синхронной регистрации вариаций геомагнитного поля и атмосферного электричества с хорошим временным разрешением не обнаружил возмущений Ez с величиной более первых В/м в момент PI, что опровергает теорию PI как TH моды. Кажущаяся сверх-альвеновская скорость распространения сигнала между магнитными станциями может быть связана с рефракцией фронта МГД возмущения в неоднородной магнитосфере.

Глава 3. УНЧ ВОЛНЫ В ОБЛАСТИ ПОГРАНИЧНЫХ СЛОЕВ МАГНИТОСФЕРЫ Высокие геомагнитные широты имеют особое значение для космической геофизики, т.к. в силу особенностей топологии околоземного магнитного поля они геомагнитно сопряжены с пограничными областями магнитосферы, где происходят основные процессы взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли. Это взаимодействие имеет нестационарный и турбулентный характер.

Существование естественных МГД резонаторов и волноводов в околоземной плазме приводит к квазипериодическому отклику на внешнее воздействие, поэтому УНЧ волны на высоких широтах оказываются индикатором такого взаимодействия.

Пульсации частотного диапазона Рс3 - наиболее распространенный тип УНЧ волн в околоземном пространстве. Их первичным источником является турбулентная область перед квазипараллельным участком магнитосферной отошедшей ударной волны, которая образуется благодаря кинетической ионно-циклотронной неустойчивости протонов, отражающихся от фронта ударной волны. Условия возникновения и частота возбуждаемых волн определяются величиной и ориентацией ММП.

Широкополосные возмущения, проникающие в магнитосферу из переходной области (magnetosheath) в районе магнитосферного экватора, могут возбуждать альвеновские колебания силовых линий. Эта резонансная трансформация, как показано в 1.1, действует как природный полосовой фильтр, который и дает на выходе узкополосные сигналы, регистрируемые на Земле.

Интенсивная УНЧ волновая активность существует также на высоких широтах в околополуденные часы. Эта волновая активность приурочена к ионосферной проекции дневных пограничных слоев магнитосферы, хотя более точно идентифицировать положение источника еще не удалось. В дальнейшем для краткости эту область мы будем понимать как касп в обобщенном смысле. В области каспа происходит значительное увеличение интенсивности волновой активности в широком диапазоне частот, но наиболее значительное усиление по сравнению с фоновым уровнем происходит в номинальном диапазоне 20-100 мГц. Волновая активность в этом диапазоне включает в себя длительные широкополосные пульсации типа Pi1 и узкополосные волновые пакеты Рс3, обусловленные, по-видимому, разными механизмами генерации. Широкополосные Pi1 излучения тесно связаны с высыпающимися электронами в области каспа, и по-видимому вызваны флуктуациями их потоков, хотя природа взаимосвязей между УНЧ активностью и осциллирующими потоками частиц окончательно не выяснена. Наличие узкополосных Pc3 сигналов на широтах каспа подразумевает наличие некого естественного механизма частотной фильтрации и усиления шумов переходной области в этой области. Однако, на широтах каспа МАР вряд ли может оказаться столь же эффективным для формирования узкополосной спектральной структуры Pc3 пульсаций как на средних широтах. Замкнутые силовые линии вблизи экваториальной границы каспа имеют фундаментальный период T ~5-10 мин, т.о. Рс3 пульсации должны A были быть гармониками стоячих альвеновских колебаний с номерами n~10-20. Возбуждение таких гармоник в реальной диссипативной магнитосфере представляется маловероятным.

Кроме того, моделирование траекторий БМЗ волн в реалистичной модели магнитосферы показало, что магнитозвуковые возмущения Pc3 диапазона, проникающие из переходной области, должны быть запертыми в районе высокоширотного каспа.

В 3.1 предложена альтернативная гипотеза о механизме естественной узкополосной фильтрации в области высокоширотного каспа. Предположено, что в этой области широкополосные БМЗ флуктуации могут трансформироваться в альвеновские волны, убегающие вдоль силовых линий к ионосфере. Теоретическая модель описывает генерацию альвеновских волн БМЗ возмущением, распространяющимся в двумерно-неоднородной плазме с минимумом в распределении альвеновской скорости V (z), и A основывается на системе зацепленных уравнений для потенциалов БМЗ и альвеновской мод в двумерно-неоднородной системе xLAx - ky LA = -ikyg (5) xLM x - ky LM = ikyg Здесь LA =2 + kA - альвеновский оператор, zz LM =2 +2 + kA - магнитозвуковой оператор, коэффициент zz g =xkA(x, z) описывает зацепление между модами из-за поперечной неоднородности альвеновской скорости. В отличие от локальной теории МАР в 1.1, которая описывает структуру поля только в окрестности резонансной оболочки, в 3.1 рассмотрен случай плавного профиля V (x) вдоль оси волновода, для A которого удалось построить асимптотическую ВКБ теорию, в которой трансформация БМЗ моды в альвеновские колебания аналитически описана для всей системы. Область плазмы с пониженной V (z) представляет собой, с одной стороны – A волновод для БМЗ возмущений, а с другой – резонатор с полупрозрачными зеркалами для альвеновских волн (рис.8).

Точное аналитическое решение для коэффициента трансформации удалось найти для упрощенной модели, в которой профиль V (z) вдоль B является ступенчатой функцией, а вариации параметров плазмы A вдоль волновода плавные, но произвольные. Трансформация наиболее эффективна в резонансном случае, когда частота БМЗ моды близка к локальной частоте альвеновского квази-резонатора в каспе (рис.9). Таким образом, гидромагнитные турбулентные шумы из переходного слоя имеют возможность проникать через магнитопаузу и накапливаться в области геомагнитной воронки (внешний касп), где магнитное поле резко ослаблено. Резонансная конверсия захваченных шумов в убегающие альвеновские волны приводит к появлению узкополосных Рс3 сигналов на широтах каспа.

Наблюдения показали, что разработанная модель наилучшим образом из всех предложенных механизмов интерпретирует селективное усиление турбулентности из переходной области в Pcдиапазоне в области каспа.

Вариации геомагнитного поля с характерными периодами порядка нескольких десятков мин лежат на границе между УНЧ колебаниями и конвективными возмущениями.

Распространяющиеся к полюсу квази-периодические возмущения, регистрируемые наземными магнитометрами преимущественно в H и Z компонентах, и сопровождающиеся авроральными активизациями и усилением риометрического поглощения, называют ``poleward progressing ionospheric convection disturbances'' [Clauer, Stauning]. Эти явления тесно связаны с вариациями By компоненты ММП, и интерпретировались как проявления распространяющейся к полюсу DPY токовой системы, которая усиливается благодаря процессам пересоединения на дневной магнитопаузе. С другой стороны, Большаковой, Клейменовой, Куражковской квази-периодические возмущения в дневные часы при Bz<0 на широтах 75.00-77.рассматриваются как очень длиннопериодные пульсации (Very Long Period) - наиболее низкочастотная часть спектра колебаний магнитосферных силовых линий. Сопоставление свойств VLP и “poleward progressing ionospheric disturbances” показывает, что обе группы исследователей фактически независимо исследовали одно и тоже явление. Чтобы классифицировать это явление в рамках существующей номенклатуры УНЧ колебаний, в 3.2 предложено именовать эти возмущения как P DPY пульсации. В 3.2 детально проанализировано типичное событие типа P 6, и показано, что его DPY интерпретация как движущегося к полюсу осциллирующего ионосферного тока или собственных магнитосферных колебаний не дает адекватного объяснения свойств наземных вариаций.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 9 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»