WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 9 |

Динамика УНЧ волн в земной магнитосфере тесно связана с динамикой частиц. Магнитосферные УНЧ волны могут эффективно модулировать распределение частиц вблизи магнитосферного экватора, что может приводить к модулированному высыпанию в ионосферу и проявляться в квазипериодическом вариациях риометрического поглощения и авроральной светимости. Большей частью современные представления о модуляции электронного высыпания УНЧ волнами основываются на механизме Coroniti and Kennel, согласно которому компонента сжатия магнитного поля b волны модулирует величину инкремента электронно-циклотронной неустойчивости, которая вызывает питч-угловую диффузию электронов в конус потерь. При этом из-за различия характерных скоростей волн и электронов должен возникать временной сдвиг (до нескольких минут) между магнитными и риометрическими вариациями. Однако, зачастую электронные высыпания, модулированные УНЧ волнами, не сопровождаются компонентой b или фоновыми электронноциклотронными шумами. Анализ синхронных риометрических и магнитных данных показывает, что не более 1/3 из Pc4-5 событий согласуются с предсказаниями модели Coroniti and Kennel, а в остальных магнитные и риометрические возмущения практически одновременны. Мелкомасштабные дисперсионные альвеновские структуры, обладающие собственным продольным электрическим полем E, также могут эффективно ускорять авроральные электроны и приводить к их высыпанию. Однако E достигают заметной величины только в дисперсионных альвеновских волнах с очень малыми поперечными масштабами, сравнимыми с дисперсионным радиусом d. Таким образом, необходимо исследование других возможных механизмов модуляции.

Таким механизмом, описанным в 4.4, может быть модуляция продольного падения потенциала альвеновскими волнами, падающими из магнитосферы на AAR. Оценка эффективности этого механизма потребовала расчета взаимодействия альвеновской волны с многослойной системой ионосфера - магнитосфера, включающей AAR и авроральный резонатор. Детальные аналитические расчеты удается провести в приближении тонкого AAR слоя. Предложенный новый механизм модуляции аврорального ускорения позволяет объяснить появление тонких спектральных особенностей магнитных и риометрических возмущений во время авроральных активизаций.

Нестационарные магнитосферные процессы, такие как суббури, связаны с большими потоками энергии из плазменного слоя и хвоста магнитосферы. В последние годы были получены первые свидетельства в пользу существенной роли волнового механизма переноса электромагнитной энергии в авроральную ионосферу, основанные на данных наблюдений спутника Polar. Таким образом, дополнительная энергия для интенсификации авроральных дуг может поступать через волновой канал.

Однако, чтобы иметь физическое обоснование этой гипотезы необходимо количественно оценить степень возможной передачи энергии волны ускоряемым электронам. Эта проблема решена в 4.5, где оценены мощности, диссипируемые в ионосфере и идущие на ускорение электронов при взаимодействии альвеновской волны с AAR.

Энергия альвеновской волны S, поглощаемая в AAR и идущая на дополнительное ускорение Q авроральных электронов 2 (i SQ = Re ( j *) = k |1+ RMQ (k) |2 SM) весьма чувствительна к поперечному размеру возмущений. Крупномасштабные альвеновские волны ( k 0 ) практически не взаимодействуют с AAR, и следовательно не передают энергии на ускорение электронов (S 0). В свою очередь мелкомасштабные волны ( k 1) отражаются и не проникают в Q AAR. Только волны с промежуточными поперечными масштабами эффективно передают энергию авроральным электронам. Потери альвеновской энергии внутри AAR максимальны при kA = ( 1+ A P )-1/ 2. Относительная доля волновых потерь в AAR определяется отношением между энергией J, теряемой альвеновскими волнами на ускорение электронов в AAR, и полным Q потоком энергии J, переносимым волнами (i) 2 2 (i JQ Q (x)dx S k |1+ R(k ) |2| BM)(k) |2 d k = = = (i) J0 M (i S (x) dx | BM)(k) |2 dk Пространственный спектр волнового всплеска с хорошей точностью может быть смоделирован степенной зависимостью в интервале от характерного волнового числа k до высокочастотного числа (i отсечки k : |BM)(k) |2 [1+ (k / k0)2]- p / 2. Волновому числу отсечки k =1/a соответствует H пространственный масштаб альвеновского волнового всплеска а. Результаты численных расчетов зависимости от крутизны спектра p для различных значений безразмерного числа отсечки koA (указаны рядом с кривыми на рис.17) показывают, что при k0A <<1 степень поглощения мала, не более ~10%. Когда же k0A ~1, становится много выше, до ~50% для оптимальных p~2-3.

Проведенное рассмотрение показывает, что вклад альвеновских волн в энергетический баланс AAR критически зависит от поперечного масштаба волн.

Наиболее эффективная трансформация альвеновской волновой энергии в энергию авроральных электронов происходит, когда наибольший поперечный масштаб волнового всплеска a порядка диссипативной альвеновской длины A. Построенная модель взаимодействия альвеновских волн с авроральной ионосферой закладывает физическую основу под гипотезу о волновой активизации авроральных дуг, и хорошо согласуется со спутниковыми наблюдениями.

Глава V. РЕЗОНАНСНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ УНЧ ВОЛН ЧАСТИЦАМИ КОЛЬЦЕВОГО ТОКА Волновые возмущения в околоземном пространстве могут возбуждаться не только при воздействии потока солнечного ветра на магнитосферу Земли, но и в результате спонтанной генерации в неравновесной плазме. Основные источники свободной энергии для роста плазменных неустойчивостей – резкие неоднородности плотности энергичных протонов кольцевого тока и их немонотонное распределение по скоростям (bump-on-tail). Неоднородность плазмы может приводить к росту дрейфовых неустойчивостей при условии, что ларморовская дрейфововая частота плазмы превышает собственную частоту колебаний плазмы <.

Хотя теория дрейфовых неустойчивостей, вызываемых неоднородностями горячей плазмы, активно развивается в физике плазмы, интерпретация наблюдений волн в магнитосферной плазме потребовала разработки новых теоретических моделей, описываемых в Гл.5, учитывающих характерные особенности магнитосферной плазмы: конечное давление плазмы, сопоставимое с давлением магнитного поля ( 1); многокомпонентность плазмы – наличие холодных и горячих частиц; анизотропия A = T /T -1 продольной и поперечной температур. Обнаруженные неустойчивости оказались новыми не только для космической геофизики, но и для физики плазмы в целом.

В 5.1 используя общий теоретический подход (Михайловский, Похотелов), исследована устойчивость неоднородной анизотропной плазмы конечного давления относительно раскачки низкочастотных колебаний при резонансном взаимодействии волн с энергичными частицами.

Компоненты тензора диэлектрической проницаемости плазмы ij рассчитаны интегрированием по траекториям частиц возмущенной функции распределения. Содержащиеся в ij “резонансные” знаменатели вида ( - kV - kyVD )-1 обусловлены резонансом между волной и частицами, осциллирующими вдоль В и дрейфующих поперек силовых линий со скоростью магнитного дрейфа V. Это резонансное взаимодействие волна-частица и является механизмом возбуждения D рассматриваемых кинетических неустойчивостей. Даже небольшая добавка фоновых холодных электронов “закорачивает” продольную компоненту электрического поля возмущений E.

Исследование устойчивости низкочастотных ( i ) колебаний сводится к исследованию комплексных собственных значений системы уравнений - N 2 A 22 - N M = Зацепление различных мод поперечно-мелкомасштабных колебаний определяется эффектами конечного ларморовского радиуса. Возмущения с поперечными длинами волн, большими ларморовского радиуса, т.е. (k)2 << 1, в плазме конечного давления распадаются на независимые колебания – альвеновскую волну и моду магнитозвукового типа 11 - N 2 = 0, M = () A 22 - N M = 0, A = () Потенциал ( j ) характеризует сжимаемую альвеновскую волну (compressional Alfven wave), A являющуюся обобщением представления об альвеновских волнах для плазмы конечного давления.

Сжимаемые альвеновские волны канализируются вдоль внешнего магнитного поля, но при этом обладают конечной продольной магнитной компонентой B. Альвеновская мода с частотой kVA + O() может раскачиваться при дрейфовой неустойчивости, но с малым инкрементом.

Потенциал ( p + B B0 / 4 ) характеризует моду магнитозвукового типа. Эта мода M возбуждается при дрейфово-зеркальной (ДЗ) неустойчивости, когда порог = A - 1 > 0 (Hasegawa).

Частота колебаний определяется не размерами МАР, а локальными свойствами плазмы.

Низкочастотные колебания Рс5 диапазона являются неотъемлемым элементом магнитной бури и тесно связаны с инжекцией энергичных протонов кольцевого тока во внутреннюю магнитосферу.

Анализ свойств буревых Рс5 волн в 5.2-5.3 по данным синхронных измерений электрических и магнитных полей вблизи вершины силовой линии на геостационарном спутнике GEOS-2 и их ионосферной проекции по наблюдениям на наземной радарной установке STARE. По данным STARE буревые Рс5 колебания распространяются в азимутальном направлении с поперечной длиной волны, соответствующей азимутальным волновым числам m = ky (LRE ) ~ 40-60. Поляризация колебаний и конечные значения параметра (k)2 ~ 0.1 указывают на то, что наблюдаемые колебания нельзя интерпретировать как расцепленную альвеновскую или ДЗ моду.

Исследование устойчивости магнитосферной плазмы относительно возбуждения длинноволновых возмущений дало следующую картину. В 5.2 показано, что на резкой внутренней кромке кольцевого тока, когда радиус кривизны геомагнитного поля R велик по сравнению с размером неоднородности a горячей компоненты плазмы, так что (k)2 > a / R, возможно возбуждение дрейфовоанизотропной (ДА) неустойчивости. Специфической особенностью неустойчивости является зацепление сжимаемых альвеновских волн и ДЗ моды в области синхронизации, возникающее при значениях параметра <<1.

-A Теоретически предсказанная неустойчивость имеет значительно больший инкремент нарастания по сравнению с ранее известными дрейфовыми неустойчивостями альвеновских волн 1/ u n k V N A Анализ Pc5 пульсаций, зарегистрированных на GEOS-2 и STARE, показал хорошее согласие наблюдаемых свойств колебаний с выводами теории. Колебания данного типа представляют собой фундаментальную моду стоячей сжимаемой альвеновской волны (рис.18), раскачиваемой ДА неустойчивостью внутренней кромки кольцевого тока.

Возбуждаемые колебания распространяются в долготном направлении с востока на запад со скоростью ларморовского дрейфа плазмы, ~ первых км/с. Для теоретической интерпретации механизма возбуждения данных колебаний неоднократно делались попытки применить теорию дрейфовых неустойчивостей энергичных протонов кольцевого тока. Однако предшествующие теории не могли объяснить направление распространения волны, ее поляризацию, и поперечный масштаб колебаний.

Отмеченные трудности находят разрешение в рамках предложенной теории ДА неустойчивости.

Вблизи максимума в радиальном распределении частиц кольцевого тока, когда справедливо обратное соотношение (k)2 < a / R, возбуждается модифицированная кривизной дрейфовая альвеновская неустойчивость (раздел 5.3). В этом случае зацепление между модами обеспечивается кривизной геомагнитного поля и анизотропией плазмы. Модифицированная альвеновская неустойчивость имеет более низкий порог возбуждения по анизотропии энергичной компоненты по сравнению с ДА неустойчивостью. Детальный анализ данных магнитометра и спектрометра частиц геостационарного спутника GEOS-2 показал, что свойства УНЧ колебаний магнитного поля и потоков протонов кольцевого тока в восстановительную фазу магнитных бурь хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями.

В том случае, когда инжекция горячей плазмы происходит настолько быстро, что ДА неустойчивости не успевают развиться, возникает условие для возбуждения волн магнитозвукового типа (раздел 5.4).

Характерные особенности плазмы кольцевого тока – конечное давление ~1, анизотропия температур T > T, и резкие радиальные градиенты, создают благоприятные условия для развития ДЗ неустойчивости. Прямые спутниковые измерения "глобальных Pc5", названных так из-за своей стабильности и длительности, доходящей до десятков часов, указывают на их малый продольный масштаб локализации в приэкваториальной плоскости магнитосферы таким образом, что kz >> /VA.

Этот факт заведомо исключает из рассмотрения альвеновские волны, и детально исследованная ранее физика неустойчивостей альвеновских волн, которая получила убедительное экспериментальное подтверждение при наблюдениях других УНЧ колебаний, оказывается неприменимой к интерпретации глобальных Pc5. Выход из создавшейся ситуации найден в 5.4 теорией модифицированной ДЗ неустойчивости, развивающейся при увеличенной кривизне геомагнитного поля и высоких анизотропных плотностях потоков энергичных частиц. Порог возбуждения этой неустойчивости оказался ниже, чем у традиционной ДЗ неустойчивости n Aui eff = + O N RA Прямые спутниковые измерения показывают, что общая геофизическая ситуация в моменты возбуждения глобальных Pc5 волн благоприятствует развитию модифицированной ДЗ неустойчивости.

Возбуждение частицами квазимонохроматических Рс5 колебаний имеет место в фазу восстановления магнитной бури, когда неравновесные распределения горячих протонов медленно релаксируют к термодинамически устойчивому состоянию под действием кинетических дрейфовых неустойчивостей.

В начальную фазу бури интенсивная инжекция энергичных протонов и электронов может сопровождаться нерезонансной генерацией интенсивных иррегулярных возмущений типа (раздел 5.5). Эта генерация создает надтепловой уровень флуктуаций, из которого затем могут развиваться интенсивные гармонические колебания при кинетических неустойчивостях. Проведенный в главе цикл исследований привел к построению полной картины возможных механизмов возбуждения УНЧ колебаний в периоды магнитных бурь, когда резко усиливается интенсивность потоков частиц радиационных поясов Земли. Схематично возможная картина развития дрейфовых неустойчивостей в неоднородной анизотропной плазме показана на рис.19.

Одна из наиболее актуальных идей современной космической геофизики – возможность ускорения энергичных магнитосферных электронов до релятивистских энергий во время магнитных бурь УНЧ волнами. Эти волны, предположительно, играют в бесстолкновительной плазме роль промежуточного агента, передающего энергию от солнечного ветра группе магнитосферных электронов. Поэтому основные параметры УНЧ волн, возбуждаемых при магнитных бурях, представляют исключительную важность для моделирования механизмов ускорения и диффузии электронов в магнитосфере.

Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 9 |






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