WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Максим Сергеевич ДОЛГОНОСОВ РЕЗОНАНСНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОГЕРЕНТНЫХ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ПУЧКОВ УСКОРЕННЫХ ИОНОВ В МАГНИТОСФЕРНОМ ХВОСТЕ 01.04.02 – теоретическая физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2007

Работа выполнена в Институте космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) Научные руководители:

д.ф.- м.н. Л.М. Зеленый (ИКИ РАН)

Официальные оппоненты:

д.ф.- м.н., И.И. Алексеев (Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова) к.ф.- м.н., И.Ф. Шайхисламов (Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук)

Ведущая организация:

Институт физики Земли Российской академии наук

Защита состоится 2 ноября 2007 г. в 13 ч. 00 мин. на заседании Диссертационного Совета Д 002.113.03 ИКИ РАН по адресу, Москва, Профсоюзная ул., 84/32, 2-й подъезд, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН Автореферат разослан 1 сентября 2007 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, к.ф.-м.н. Буринская Т.М.

2 Актуальность темы Диссертация посвящена исследованию неадиабатического ускорения плазменного вещества в слабых магнитных полях, которое, по сути, является аналогом ускорения Ферми. Космическая эра, начавшаяся 50 лет назад, дала нам возможность исследования подобных процессов в околоземном пространстве, а именно, в пределах земной магнитосферы. Удивительным здесь является тот факт, что в результате неадиабатического ускорения частиц вместо термодинамически равновесной плазмы формируются филаментированные (как пространственно, так и энергетически) потоки частиц. Такого рода процессы являются внешним проявлением нелинейной динамики системы с несколькими степенями свободы, связанной, в частности, с появлением детерминистического хаоса. Однако в море хаоса существуют области «регулярности» (или резонансные области). Как раз именно эти области «регулярности» становятся источниками филаментированных ионных пучков, названных бимлетами (от англ. beamlet - пучочек).

Первые сообщения о наблюдениях бимлетов в геомагнитном хвосте были сделаны по данным спутника Интербол-2 в середине 80-х годов. Тогда же появились первые теоретические работы, описывающие механизм формирования бимлетов. Новый всплеск внимания к бимлетам возник после запуска Европейским космическим агентством в 2000 г. четырех идентичных аппаратов КЛАСТЕР (CLUSTER, http://clusterlaunch.esa.int), образующих в космосе тетраэдр. Данные этого уникального космического эксперимента выявили новые свойства космической плазмы, в том числе и бимлетов, что позволило создать некую эмпирическую классификацию различных типов бимлетов, основанную на различии энергетического спектра ионов в этих пучках. До настоящего времени развитой теории, проливающей свет на физические механизмы формирования бимлетов с различной дисперсией, предложено не было. Более того, интерпретации некоторых наблюдаемых свойств бимлетов, предложенные в различных работах, противоречили друг. Потребность в такой теории, в частности, связана и со следующим интересным свойством наблюдения бимлетов. В авроральной области (на расстояниях ~ 4-7 RE от Земли) возможно наблюдение всего «ожерелья» бимлетов. Это связано с тем, что за счет схождения магнитных силовых линий по мере приближения к Земле, бимлеты пространственно сближаются, кроме того, скорость спутника в этой области в несколько раз больше, чем в дальнем геомагнитном хвосте (x ~ 40-100 RE), а пересечение всего «ожерелья» бимлетов происходит в течение короткого времени (t ~ 1-5 мин). Как было показано в ранних теоретических работах (см., например, [4]), посвященных данному явлению, дисперсионная структура бимлетов очень чувствительна к возмущению магнитного поля в областях генерации бимлетов в токовом слое.

Поэтому наблюдения бимлетов в авроральной области могут играть роль практически мгновенного «слепка» топологии магнитного поля в дальних областях хвоста, близких к зоне пересоединения геомагнитного и межпланетного полей.

Данный факт можно было бы использовать как метод «дистанционного зондирования» плазменных процессов, протекающих в токовом слое в дальнем геомагнитном хвосте ( x > 10 RE). Однако, как было уже сказано, для этого необходимо более глубокое понимание природы бимлетов и их основных свойств.

Цель работы Целью данной диссертационной работы является детальное изучение свойств бимлетов (когерентных, локализованных и высокоэнергичных ионных пучков) в хвосте магнитосферы Земли. В работе построены и проанализированы модели, описывающие процессы формирования пучков и их основные свойства, дальнейшее распространение бимлетов в хвосте магнитосферы Земли, а также проимитированы различные условия наблюдения. Определенный интерес также представляло исследование условий наблюдения двух-пиковых функций распределения ионов по скоростям, во время регистрации бимлетов субспутниками европейского космического проекта КЛАСТЕР [13]. Достижение поставленных целей было связано с решением ряда конкретных задач:

1. Создание численной схемы, и дальнейшей ее реализации в численных кодах, для моделирования генерации бимлетов. Изучение условий генерации и общих свойств бимлетов.

2. Изучение влияния токов, созданных частицами, формирующими бимлет, на его свойства. Данные о собственных токах бимлетов должны быть получены в результате численного моделирования (результаты задачи №1).

3. Выявление универсальных закономерностей механизма генерации бимлетов. Анализ влияния модели магнитного поля на полученный результат.

4. Изучение условий пересечения бимлетов, сформировавшихся в соседних резонансных областях. Оценка геометрического расположения точки пересечения бимлетов относительно Земли для заданной модели магнитного поля.

5. Изучение пространственно-временных характеристик бимлета и возможная интерпретация данных космических экспериментов с учетом полученных результатов.

Полученные в диссертации результаты и теоретические предсказания предполагалось проверить на многочисленных случаях наблюдения бимлетов на спутнике КЛАСТЕР. Эта часть работы проведена совместно с к.ф.-м.н. Е.Е. Григоренко (ИКИ РАН). Стоит оговориться, что в геомагнитном хвосте наблюдается множество ионных потоков различной природы, регистрируемых в различных частях геомагнитного хвоста и в разных его состояниях. Основными здесь являются BBF (Bursty Bulk Flow, см.например, [3]) и TDIS (Time-of-Flight Ion Structures, см.например, [8]). В задачи настоящей работы не входило изучение свойств такого рода структур, механизм генерации которых принципиально отличается от механизма образования юимлетов.

Научная новизна работы Моделирование динамики ансамбля частиц в геомагнитном хвосте, формирующих бимлеты, проводилось и ранее (см., например, [5]), но в рамках эмпирической модели геомагнитного хвоста (Цыганенко-89). В данной же работе моделирование было проведено в аналитической модели магнитосферного хвоста (модель Цвингманна [14]). Однако, как было показано в диссертационной работе, независимо от модели магнитного поля, общие свойства бимлетов воспроизводятся достаточно хорошо в обоих случаях. Все прочие результаты моделирования, представленные в работе, являются новыми и нигде ранее не приводились. Влияние нелинейных эффектов, основными из которых, как мы считаем, являются собственные токи бимлетов, ранее никогда не исследовалось.

Впервые рассмотрены пространственно-временные свойства бимлетов, исследованы условия формирования двух-пиковых функций распределения ионов по скоростям в пограничной области плазменного слоя, проведены оценки перекрытия резонансных областей, внутри которых формируются бимлеты.

Научная и практическая ценность работы Полученные в диссертации результаты закладывают практические основы для методов дистанционной диагностики плазменных процессов, протекающих в токовом слое в дальнем геомагнитном хвосте, основывающихся на анализе дисперсионных свойств бимлетов. В частности, показано, что надежный мониторинг дисперсионных свойств бимлетов позволяет судить о вкладе собственных токов бимлетов в общий ток, поддерживающий обращенную конфигурацию магнитного поля, а величина модуляции нормальной компоненты магнитного поля в центре токового слоя за счет нелинейных эффектов, позволяет оценить размер магнитных островов и величину бифуркации поля в окрестности обращения магнитных силовых линий в дальних областях геомагнитного хвоста.

Универсальные свойства механизма ускорения ионов в центре токового слоя, найденные в диссертации, позволяют частично разрешить вопрос о разделении пространственно-временных характеристик бимлетов, неизбежно возникающий при интерпретации спутниковых данных. Найденные универсальные закономерности также дают дополнительную информацию о физических характеристиках электромагнитного поля в области ускорения.

Разработанные в диссертационной работе теоретические модели предсказывают условия наблюдения транзиентных эффектов, связанных, в первую очередь, с тем или иным режимом «включения» и «выключения» источника бимлетов в токовом слое.

Достоверность полученных результатов Особенностью диссертационной работы является попытка синергетически объединить разработку адекватных теоретических моделей с их дальнейшей апробацией на спутниковых наблюдениях, и далее – с постановкой новых нерешенных задач. Практически все теоретические представления, развиваемые автором, получили непосредственное экспериментальное подтверждение, а известным наблюдательным данным была дана непротиворечивая интерпретация.

Апробация работы Результаты диссертации неоднократно были представлены на различных международных и российских конференциях:

1. International Conference PLASMA-2003, Warsaw, Poland (2003) 2. 36th COSPAR Scientific Assembly, Beijing, China (2006).

3. Western Pacific Geophysical Meeting, Beijing, China (2006).

4. «Нелинейные волны», Н.Новгород (2006).

5. 6 международная конференция «Problems of Geocosmos», СанктПетербург (2006).

6. Совете РАН по «Нелинейной динамики», Москва, (2006).

7. Conference «40 years Russian-French cooperation in space science», Moscow (2006).

8. Конференция-совещание по программе ОФН-16, Москва (2007).

9. International Assembly for Geomagnetism and Aeronomy, Perugia, Italy (2007).

10. IV международная конференция «Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений», с.Паратунка, Камчатской обл. (2007).

11. Международная школа «Turbulence and Waves in Space Plasmas», L’Aquila, Italy (2007).

Личный вклад автора Все результаты, представленные в диссертации, за исключением приведенных в качестве иллюстрации экспериментальных данных (авторство в каждом конкретном случае указывается), были получены лично автором диссертации при поддержке научного руководителя и других соавторов публикаций. Соавторы публикаций, материал которых вошел в настоящую диссертацию, не возражали против использования в данной работе совместно полученных научных результатов.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из «Введения», 5 глав основного текста и «Заключения». Объем диссертации – 108 страниц. Библиография включает в себя наименований. Диссертация содержит 30 рисунков.

Благодарности Хочу выразить глубокую благодарность моему научному руководителю, Льву Матвеевичу Зеленому, за его неоценимую помощь в освоении исследовательского подхода на интересном и непростом пути научного познания. Особую благодарность хотелось бы выразить Р.А. Ковражкину, В.А. Сергееву, А.И.

Нейштадту и А.А. Васильеву за плодотворное обсуждение материалов диссертации, позволившее глубже понять суть исследуемых явлений. Автору посчастливилось сотрудничать с блестящими физиками – Vahe Peroomian (UCLA) и Е.Е. Григоренко (ИКИ РАН), от которых он многому научился, и благодаря которым, ему удалось что-то сделать в науке. Автор также признателен другим талантливым коллегам и прекрасным людям за годы совместной работы: Х.В.

Маловой, Т.М. Буринской, В.Ю. Попову, И.Л. Моисеенко, А.А. Чернышову, В.Л. Красовскому, А.В. Артемьеву, М.М. Могилевскому.

Во Введении обсуждаются актуальность и цели работы; формулируются вопросы, открытые к моменту начала работы над диссертацией, и намечаются пути их решения.

Глава 1 состоит из 6 параграфов. Данная глава посвящена теоретическому рассмотрению динамики частиц вблизи токового слоя хвоста магнитосферы Земли, следствием которой являются когерентные и пространственно локализованные пучки ионов, движущиеся вдоль силовых линий магнитного поля - бимлеты. В этой главе также получен универсальный закон, описывающий распределение по энергиям частиц бимлетов. Вкратце, представленные в данной главе теоретические выкладки можно свести к следующей цепочке рассуждений.

В области обращения магнитных силовых линий (окрестность точки z=0) магнитное поле можно представить в виде:

z B(x, z) = B0 (x) e + Bn (x)ez, (1) L ex где B0(x) - продольная, а Bn(x) - нормальная компоненты магнитного поля, и ez - базисные вектора. Нормальную компоненту Bn(x) магнитного поля можно d ln Bn (x) считать медленно меняющейся функцией L << 1, что подтверждается dx экспериментальными данными [10]. Предположим существование постоянного электрического поля Ey во всей рассматриваемой нами области, возникающего вследствие движения магнитосферы внутри солнечного ветра. Как уже упоминалось, впервые механизм ускорения частиц в такой конфигурации был описан в работе [12]. В этой работе было показано, что в процессе вращения частицы в магнитном поле, представленным уравнением (1), и постоянном электрическом поле Ey энергия частицы увеличивается. В приближении изначально холодной плазмы конечную скорость и энергию частицы можно выразить в виде:

V = 2V = 2 cE / B, (2) c y n 2 2 W = mV / 2 2mVc 2 == 2mc E / Bn, (3) y где VС - скорость конвекции плазмы в скрещенных полях Ey и Bn(x). Из этих соображений можно сразу сделать вывод: таким механизмом ионы должны ускоряться до гораздо более высоких энергий, чем электроны.

В работе [2] было показано, что магнитный момент сохраняется с точностью µ/µ~exp( -2), где параметр определяется как: (x)=(Rmin/L)1/2, Rmin- минимальный радиус кривизны силовых линий магнитного поля, L-ларморовский радиус частицы [6]. Для модели параболического магнитного поля этот параметр (x) определяется как:

Pages:     || 2 | 3 |






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