WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

РОССОЛЕНКО Светлана Сергеевна БАЛАНС ДАВЛЕНИЯ НА МАГНИТОПАУЗЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ НИЗКОШИРОТНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ Специальность 01.04.08 – физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 2009 г.

Работа выполнена на Кафедре физики космоса физического факультета Московского Государственного Университета имени М.В.Ломоносова

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Антонова Елизавета Евгеньевна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Клейменова Наталья Георгиевна доктор физико-математических наук, Савин Сергей Петрович

Ведущая организация: Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.В.Пушкова Российской Академии наук

Защита диссертации состоится «24» июня 2009г. в 15 час. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 501.001.45 при Московском Государственном Университете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, г. Москва, Ленинские горы, НИИЯФ МГУ, 19-й корпус, аудитория 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан « 19 » мая 2009 г.

Учёный секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д501.001.45 кандидат физико-математических наук Вохник О.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Магнитосфера Земли представляет собой гигантскую космическую лабораторию, в которой удается проводить наблюдения, не внося существенных возмущений в измеряемые параметры, что часто не удается сделать в лабораторных условиях. В 1950х1970х годах прошел период основных открытий в области физики магнитосферы, впервые были идентифицированы основные области и границы в магнитосфере Земли.

Полученный за последние годы экспериментальный материал привел к перестройке многих основных представлений в физике магнитосферы. Все большее внимание уделяется изучений магнитосферной турбулентности, проблемам формирования и устойчивости распределения горячей плазмы. Решение многих проблем приобрело практический интерес, появилось понятие космической погоды. Предсказание космической погоды потребовало, в частности, проведения подробных исследований процессов проникновения плазмы солнечного ветра внутрь магнитосферы, формирования магнитосферных погранслоев.

При переходе через околоземную ударную волну происходит существенная модификация параметров плазмы солнечного ветра, возникает турбулентный магнитослой. Проникновение плазмы магнитослоя через магнитопаузу внутрь магнитосферы приводит к заполнению магнитосферы частицами солнечного ветра. На высоких широтах образуется плазменная мантия, на низких – низкоширотный погранслой.

Ниже в целях сокращения записи для обозначения низкоширотного погранслоя, как правило, используется английская аббревиатура LLBL (LLBL – Low Latitude Boundary Layer). Изучение LLBL позволяет прояснить процессы передачи массы, импульса и энергии из магнитослоя внутрь магнитосферы, и тем самым, определить характер взаимодействия плазмы солнечного ветра и магнитосферы Земли. В LLBL происходит перемешивание плазмы магнитослоя с плазмой плазменного слоя и его продолжения в дневные часы. Как правило, при наблюдениях спектров частиц в LLBL удается выделить отдельные популяции. Проникновение частиц магнитослоя внутрь магнитосферы может влиять на геомагнитную обстановку. Поэтому вопрос о формировании LLBL может рассматриваться в качестве важной части исследований по программам космической погоды. Решение данной проблемы требует проведения подробного анализа данных экспериментальных наблюдений и разработки новых теоретических подходов.

Пограничные слои магнитосферы Земли исследуются начиная с 1972 г. Однако, низкоширотный погранслой в настоящее время является сравнительно плохо изученной областью магнитосферы. Многие проблемы, связанные со структурой и особенностями формирования LLBL остаются пока нерешенными Было предложено несколько теорий проникновения плазмы в LLBL, основанных на анализе данных усовершенствованных приборов, установленных на спутниках, пересекавших LLBL. Большой вклад внесли многоспутниковые наблюдения пограничных слоев на аппаратах проектов ИНТЕРБОЛ и CLUSTER [Савин, 2008; Panov et al., 2008].

Определенные возможности открылись перед исследователями низкоширотного пограничного слоя в связи с полетами пяти аппаратов проекта THEMIS, все орбиты которых впервые лежат практически в экваториальной плоскости.

Теория формирования LLBL в результате пересоединения силовых линий магнитного поля при ламинарном течении плазмы встретилась с определенными трудностями. Так, например, не удавалось объяснить экспериментально измеренную зависимость толщины LLBL [Mitchell et al, 1987] от компоненты BZ межпланетного магнитного поля [Sandahl, 1999].

Картина поведения параметров плазмы и магнитного поля в магнитослое существенно отличается от картины распределения поля и плазмы вблизи магнитопаузы, постулируемой в моделях пересоединения на магнитопаузе. Магнитослой является чрезвычайно активной областью, наполненной различными волновыми модами, свойства которых содержат информацию о набегающем потоке солнечного ветра и которые ответственны за перенос и перераспределение энергии и импульса внутри магнитослоя.

Вариации параметров плазмы и магнитного поля в магнитослое могут достигать значительных величин и наблюдаются в широком диапазоне временных масштабов ([Sibeck et al., 2000], [Застенкер, 2008]). Поэтому существование таких флуктуаций необходимо учитывать при рассмотрении процессов формирования магнитопаузы.

В диссертации приведены результаты исследований анизотропии давления плазмы в LLBL, баланса давлений на магнитопаузе. Анализируется уровень турбулентных флуктуаций в магнитослое и их роль в балансе давления на магнитопаузе. Обсуждена возможность локального нарушение баланса давления на магнитопаузе при высоком уровне флуктуаций магнитного поля. Такой процесс может привести к проникновению плазмы внутрь магнитосферы и формированию LLBL. Проведен анализ зависимости толщины LLBL от VBZ (электрического поля) в солнечном ветре (где V-скорость солнечного ветра, BZ – Z-компоненты межпланетного магнитного поля (ММП)), компоненты ММП BZ, уровня флуктуаций параметров плазмы и магнитного поля в солнечном ветре и в магнитослое.

В ходе исследования использованы результаты наблюдений на спутниках проектов THEMIS и ИНТЕРБОЛ, спутниках WIND и Geotail.

Цель и задачи работы Целью работы является исследование степени влияния параметров плазмы и магнитного поля солнечного ветра, магнитослоя и их флуктуаций на процессы проникновения плазмы в низкоширотную магнитосферу и формирования LLBL.

В процессе исследования решались следующие задачи:

1. Анализ данных наблюдений потоков частиц с энергиями 01-22 кэВ и низкочастотного магнитного поля с целью выделении участков траекторий, на которых высокоапогейные спутники проектов ИНТЕРБОЛ и THEMIS пересекали LLBL.

2. Определение давления плазмы и степени его анизотропии вдоль орбиты спутника Интербол/Хвостовой зонд при пересечении спутником LLBL.

3. Вычисление распределений суммарного давления магнитного поля и плазмы c учетом анизотропии давления вблизи подсолнечной точки с целью изучения баланса давлений на магнитопаузе.

4. Расчет распределения магнитного поля вдоль дневных силовых линий и определение минимальных значений поля с целью их сравнения с амплитудами флуктуаций магнитного поля в магнитослое.

5. Сравнение параметров плазмы и магнитного поля в магнитослое с параметрами плазмы и магнитного поля внутри магнитосферы.

6. Определение времени пересечения LLBL и скорости плазмы с целью оценки толщины слоя.

7. Определение параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля в моменты наблюдений LLBL с целью определения влияния солнечного ветра на формирование LLBL.

8. Изучение ориентации ММП относительно головной ударной волны с целью определения влияния уровня флуктуаций в магнитослое на формирование LLBL.

9. Проведение сравнений полученных экспериментальных результатов с предсказаниями существующих теорий формирования LLBL.

Практическая ценность работы Работа может представлять интерес при исследовании процессов проникновения плазмы солнечного ветра внутрь магнитосферы Земли и формировании пограничных слоев магнитосферы. Представлен новый подход, учитывающий наблюдаемые турбулентные флуктуации в магнитослое.

Практическая значимость работы состоит в разработке методов анализа влияния флуктуаций параметров плазмы и магнитного поля в магнитослое и солнечном ветре на формирование LLBL.

Предложен метод исследования процесса формирования LLBL с учетом наблюдаемых флуктуаций параметров плазмы, магнитного поля и давления на магнитопаузе.

Личный вклад автора Результаты, вошедшие в диссертацию, получены автором при поддержке научного руководителя и других соавторов публикаций. Автором работы проведен отбор и анализ данных спутниковых наблюдений спутников проектов ИНТЕРБОЛ и THEMIS с использованием данных наблюдений на спутниках Geotail и Wind. Был поставлен ряд задач по определению характеристик низкоширотного погранслоя и их зависимости от параметров солнечного ветра и магнитослоя. Создан комплекс программ для исследования баланса давлений на магнитопаузе и распределения давления в приграничных областях магнитосферы.

Достоверность результатов обеспечивается использованными методиками анализа данных спутниковых наблюдений и отсутствием противоречий между полученными результатами и результатами других исследовательских групп, приведенными в цитируемой литературе.

Апробация работы Результаты, вошедшие в диссертацию, были представлены на ряде научных конференций как внутри страны, так и за рубежом:

1) Научная ассамблея COSPAR (2004, 2007, 2008).

2) Международная молодежная конференция «Week of Doctoral Students» (2005, 2007, Прага, Чехия).

3) Международная конференция «International Heliophysical Year» (2007, Звенигород).

4) Международная конференция «Conference on Problems of Geocosmos» (Санкт-Петербург, 2006, 2008).

5) Конференция молодых ученых «Фундаментальные и прикладные исследования» (2006, 2007, 2008, ИКИ РАН).

6) Конференция «Ломоносовские чтения» - МГУ им. М.В.Ломоносов (2005, 2006, 2007, 2008).

7) Международная конференция “Plasma Phenomena in the Solar System: Discoveries of Prof.

K.I.Gringauz – a view from the XXI century” (2008, ИКИ, Москва).

8) Молодежная научная школа «Экспериментальной и Теоретической Физики» (2005, Кабардино-Балкария).

9) Международная научная школа «Heliosphere and Galaxy» (2007, Румыния), 10) Международная школа и рабочий семинар “School and Workshop on Space Plasma Physics” (2008, Созополь, Болгария).

11) Международный семинар “Physics of Auroral Phenomenon” (2007, 2008, 2009, Апатиты).

12) Международная конференция EGU (2008, Вена) 13) Международная конференция The Non-Linear Magnetosphere, January 19-23, 2009, Vina del Mar, Chile 14) Конференция «Физика плазмы в солнечной системе», 17-20 февраля 2009 Г., ИКИ РАН а также на семинарах в НИИЯФ МГУ.

Публикации Результаты опубликованы в 4 статьях в российских и зарубежных журналах, в трудах российских и международных конференций, представлены в 13 тезисах различных конференций.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 130 наименований. Диссертация изложена на 146 страницах, содержит таблиц и 86 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследований. Приводятся положения, выносимые на защиту. Отмечается практическая ценность работы и личный вклад автора. Приводится список научных конференций, на которых были представлены результаты, вошедшие в диссертацию, а так же список публикаций автора по теме диссертации.

В первой главе приведен обзор результатов исследований низкоширотного погранслоя, турбулентности магнитослоя, теоретические подходы, описывающие проникновение плазмы магнитослоя внутрь магнитосферы и особенности измерений параметров плазмы и магнитного поля в проектах ИНТЕРБОЛ и THEMIS. Так же в первой главе описана структура магнитосферных доменов и локализация LLBL в магнитосфере Земли.

Вторая глава посвящена балансу давлений на магнитопаузе.

В разделе 2.1. описывается традиционный подход к исследованию баланса давлений вблизи магнитопаузы, использующий аппроксимацию Ньютона. Описаны первые результаты по экспериментальному изучению баланса давлений с учетом измерений динамического давления в эксперименте CLUSTER [Panov et al., 2008].

Указывается, что анализ результатов работы [Panov et al., 2008] по изучению баланса давлений демонстрирует отклонение от условия баланса давлений. Можно выделить ряд причин, приведших к данному результату. Прежде всего, магнитопауза довольно быстро двигалась, что является прямым следствием дисбаланса давлений. Во вторых, не была учтена анизотропия давления плазмы как в магнитослое, так и внутри магнитосферы.

Кроме того, возникает вопрос о применимости МГД условий баланса к бесстолкновительной турбулентной плазме. Поэтому требовалось с одной стороны оценить возможную ошибку, связанную с анизотропией давления и, во-вторых, постараться проследить изменение давления поперек магнитопаузы в максимально благоприятных для такой проверки условиях. Первая задача решается в данной главе с использованием измерений на спутнике ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд при пересечениях спутником LLBL на магнитосферном фланге. Вторая – по измерениям на спутниках проекта THEMIS вблизи подсолнечной точки. Так же проведен анализ роли флуктуаций магнитного поля магнитослоя в балансе давлений на магнитопаузе.

В разделе 2.2 второй главы проводится анализ анизотропии давления на фланге магнитосферы вблизи экваториальной плоскости по результатам измерений в проекте Интербол/Хвостовой зонд: событие 21 сентября 1995 г с 00:30 до 03:30 UT. Была определена анизотропия давления A = ( p / pII ) -1 в низкоширотном погранслое.

Pages:     || 2 | 3 |






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