WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

Евгений Валентинович ПАНОВ ИЗУЧЕНИЕ ТОКОВЫХ СЛОЕВ НА ГРАНИЦЕ МАГНИТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ ПО ДАННЫМ ЧЕТЫРЕХ СПУТНИКОВ КЛАСТЕР 01.03.03 – физика Солнца

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2007

Работа выполнена в Институте космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) и Институте изучения солнечной системы им. Макса Планка (Max-Planck-Institut fr Sonnensystemforschung, MPS) Научные руководители:

д.ф.- м.н. С.П. Савин (ИКИ РАН) проф. Й. Бюхнер (MPS)

Официальные оппоненты:

к.ф.- м.н., В.Л. Красовский (ИКИ РАН) д.ф.- м.н., И.И. Алексеев (Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова)

Ведущая организация:

Институт земного магнетизма Российской академии наук

Защита состоится 6 апреля 2007 г. в 12 ч. 30 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 5 марта 2007 г.

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

1.

Общая характеристика работы

Актуальность темы Первые односпутниковые космические эксперименты, запущенные для изучения физических явлений в плазме Солнечной системы, открыли солнечный ветер, переходные области (магнитослои), компоненты планетных магнитосфер. Кроме того, эти эксперименты показали, что разные плазменные области разделены разрывами, например, в виде ударных волн, магнитопауз или плазмапауз.

Вместе с тем, односпутниковые эксперименты выявили сильные флуктуации параметров плазмы и электромагнитного поля во многих исследуемых областях. К сожалению, по измерениям в одной точке пространства в данный момент времени невозможно разделить пространственные вариации параметров от временных. Таким образом, односпутниковые эксперименты не дают определять частные производные измеряемых параметров. Малочисленные двухспутниковые наблюдения позволили определять пространственные производные только в одном измерении – в проекции на линию, соединяющую два спутника. Для изучения внешней границы магнитосферы Земли – магнитопаузы – и связанных с ней физических процессов это означало неопределенность в оценке скорости и толщины магнитопаузы, а также плотности тока в токовом слое магнитопаузы.

Кроме того, нельзя было определить, являются ли флуктуации электромагнитного поля на магнитопаузе волнами или это характерная структура магнитопаузы.

Запуск Европейским космическим агентством в 2000 г. четырех идентичных аппаратов КЛАСТЕР (CLUSTER) (http://clusterlaunch.esa.int/), образующих тетраэдр, и собранные ими данные на разных расстояниях между спутниками впервые позволили разделять пространственные и временные флуктуации моментов функций распределения плазмы и электромагнитного поля на разных масштабах, систематически определять скорость и толщину магнитопаузы, полный вектор плотности тока, проходящего через объем, заключенный внутри граней тетраэдра КЛАСТЕР, а также величину и направление волнового вектора возмущений в электромагнитном поле на частотах до ~2 Гц*. Таким образом, КЛАСТЕР предоставляет принципиально новые возможности, в частности, для изучения физических процессов, связанных с внешней границей магнитосферы Земли.

* Ограничение по частоте зависит от расстояния между аппаратами. При длине волны меньше этого расстояния появляется неоднозначность в определении волнового вектора.

Цель работы Целью диссертации является исследование по данным четырех аппаратов КЛАСТЕР на средних и высоких широтах магнитосферы Земли:

• параметров плазмы и магнитного поля в окрестности магнитопаузы, • ориентации, скорости, толщины и плотности тока магнитопаузы, • структуры магнитопаузы, • свойств электромагнитной турбулентности в окрестности магнитопаузы, • механизмов проникновения плазмы магнитослоя через магнитопаузу.

Научная новизна Результаты исследования параметров плазмы и магнитного поля в окрестности магнитопаузы, для получения которых не требовались наблюдения несколькими аппаратами, получены впервые статистически достоверным образом, то есть в виде функций распределения соответствующих величин.

Результаты диссертации, которые могли быть получены только с привлечением многоспутниковых методов анализа, являются новыми.

Научная и практическая ценность работы Исследование толщины магнитопаузы показало необходимость пересмотра имеющихся моделей токового слоя между двумя замагниченными плазмами, основанных на линейных кинетических эффектах, которые предсказывают, что толщина слоя должна быть порядка ионного ларморовского радиуса. В новые модели, вероятно, должны быть включены нелинейные кинетические эффекты, которые приводят к переносу ионов через токовый слой за счет взаимодействия волна-частица, что, возможно, позволяет расширить токовый слой магнитопаузы.

Регулярное обнаружение пересечений магнитопаузы, где изменение направления магнитного поля происходит на масштабах, в несколько раз меньших градиента основной компоненты магнитного поля, говорит о необходимости пересмотра подхода к определению толщины токового слоя магнитопаузы. За толщину следует принимать масштаб изменения направления магнитного поля в плоскости токового слоя магнитопаузы.

Оценки коэффициентов диффузии протонов магнитослоя в магнитосферу за счет взаимодействия волна-частица из наблюдений вблизи нижнегибридной частоты и протонно-циклотронной частоты, найденные из амплитуд флуктуаций магнитного поля и плотности тока, на два порядка превосходят квазилинейные оценки. Полученные коэффициенты диффузии достаточно велики для объяснения существования части пограничных слоев у магнитосферной границы магнитопаузы с наблюдаемыми градиентами плотности.

Результаты диссертации открывают возможность корректной постановки задачи для проведения серии численных экспериментов с целью систематического изучения возникновения плазменных неустойчивостей на токовом слое магнитопаузы Земли. Ошибка в постановке задачи равна сумме инструментальных погрешностей в данных и погрешностей методов анализа.

Результаты диссертации могут быть использованы при планировании и, далее, напрямую сопоставлены с результатами четрыехспутникового проекта NASA Magnetospheric Multiscale Mission (http://stp.gsfc.nasa.gov/missions/mms/mms.htm), старт которого запланирован в 2013 г, а также в подготовке предложения ESA по запуску 12-спутникового проекта Cross-Scale (http://www.cross-scale.org/). В частности, автор диссертации считает необходимым внести в программу интервал наблюдений с расстояниями между спутниками от сотен метров до нескольких километров.

Это обеспечило бы возможность изучения дисперсионных свойств электростатических флуктуаций на нижнегибридной частоте вплоть до ~100 Гц.

Апробация работы Результаты диссертации опубликованы в статьях, прошедших процедуру реферирования квалифицированными в отрасли специалистами международного уровня в журналах РФ, ЕС и США.

Кроме того, результаты диссертации представлены устно во время проведения летней школы «Методы анализа турбулентной плазмы» (Analysis Techniques for Turbulent Plasmas) в 2004 г., на ассамблее Европейского геофизического союза (European Geophysical Union, EGU) в 2005 г., на конференциях Немецкого физического общества (Deutsche Physikalische Gesellschaft, DPG) в 2005 и 2006 г.г., на ассамблее международного Комитетета по космическим исследованиям (Committee on Space Research, COSPAR) в г., а так же на семинарах ИКИ РАН и MPS.

Личный вклад автора Все результаты, представленные в диссертации, были получены лично автором диссертации при поддержке научных руководителей и других соавторов публикаций на основе данных приборов, которые были спроектированы, изготовлены, юстированы и размещены на борту четырех аппаратов КЛАСТЕР группами разработчиков инструментов.

2. Содержание работы Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения. Объем диссертации составляет 111 страниц, включая 55 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 130 статей.

Во введении обсуждаются актуальность и цель работы; ставятся открытые вопросы и намечается путь их решения с помощью новых методов анализа данных, собранных четырьмя идентичными аппаратами КЛАСТЕР.

В главе 1 объясняются принципы работы инструментов на борту КЛАСТЕР, измеряющих магнитное и электрическое поля, а так же функции распределения скоростей ионов. Кроме того, описаны используемые системы координат и методы анализа данных.

В главе 2 исследованы параметры плазмы и магнитного поля, собранные четырьмя спутниками КЛАСТЕР во время переходов магнитослоймагнитосфера на средних и высоких широтах. Для этого использовались данные двух сезонов: с февраля 2002 г. по июнь 2002 г. и с июня 2003 г. по май 2004 г.

В эти периоды расстояние между спутниками было 100 и 300 км, соответственно. Это позволило провести тщательный многоспутниковый анализ внешней границы магнитосферы. Исследование было сосредоточено как на характеристиках плазмы и магнитного поля со стороны прилегающего магнитослоя и в магнитосфере, так и на ориентации, движении и толщине токового слоя магнитопаузы, идентифицированного по характерному изменению направления вектора магнитного поля.

Во-первых, были проанализированы характеристики плазмы и магнитного поля для всех имеющихся за два сезона 154 переходов магнитослоймагнитосфера. В процессе анализа были использованы моменты функций распределения ионов, измеренные раз в 4 секунды, и данные магнитного поля с тем же временным разрешением. Подобный переход длится от десятков минут до часов. Причем, в одном переходе магнитопауза может быть пересечена много раз и при переходе через разные пограничные области. Переходы магнитослой-магнитосфера были разделены на три основные группы: 1) в дневную магнитосферу с прилегающим погранслоем низкоширотного типа или «входным слоем» 2) в касп, 3) в магнитосферную долю и плазменную мантию, а так же две смежные группы, когда в одном переходе встречается либо группы 1) и 2) одновременно, либо группы 2) и 3) одновременно.

Найдено, что поток плазмы магнитослоя двигался, в среднем, с альфвеновской скоростью. Тем не менее, плазма магнитослоя двигалась преимущественно со сверхальфвеновской скоростью над дневной магнитосферой и в основном с субальфвеновской скоростью над магнитосферной долей. При движении от дневной магнитосферы к магнитосферной доле плазма магнитослоя нагревается. Отношение теплового давления плазмы к магнитному (плазменный параметр ) в магнитослое было, в среднем, близко к единице, т.е. тепловое и магнитное давления находились в равновесии. При этом у магнитосферной доли плазменный параметр был, в среднем, в четыре раза больше, чем у дневной магнитосферы за счет указанного нагрева плазмы при переходе за касп.

Плотность плазмы магнитослоя может быть от нескольких частиц до нескольких десятков частиц в см3. При этом среднее значение соответствует ~15-20 см-3. Температура плазмы магнитослоя варьируется в пределах ~0.1-кэВ. Плотность ионов в магнитосфере варьируется в пределах ~0.01-10 см-3 c средним значением ~1 см-3 в дневной магнитосфере и ~0.1 см-3 в магнитосферной доле. Средняя температура в дневной магнитосфере (~4 кэВ) существенно выше, чем в магнитосферной доле (~0.1 кэВ). Среднее отношение температуры в магнитосфере к температуре в магнитослое равно ~15 у дневной магнитосферы и ~0.2 у магнитосферной доли. Тепловое давление плазмы магнитослоя над дневной магнитосферой примерно в два раза ниже, чем над магнитосферной долей. Было так же обнаружено, что лобовое давление потока магнитослоя компенсирует вплоть до 75% давления магнитного поля в магнитосфере Земли у дневной магнитопаузы. Остальные 25% скомпенсированы тепловым давлением плазмы магнитослоя. В отличие от этого, над каспом и позади него над магнитосферной долей лобовое давление магнитослоя компенсирует только до 50% давления магнитного поля Земли. В то же время, тепловое и магнитное давления магнитослоя компенсируют примерно поровну остальные 50% давления магнитного поля Земли.

Напряженность магнитного поля в прилегающем к магнитопаузе магнитослое может быть в 8 раз меньше, чем напряженность магнитного поля со стороны магнитосферы. Однако, примерно в 40% из 154 случаев перехода магнитослой-магнитосфера, напряженность магнитного поля в магнитослое была примерно равна напряженности магнитного поля со стороны магнитосферы. Таким образом, было подтверждено, что в среднем положение магнитопаузы есть результат суммарного равновесия давлений, требуемого тангенциальным разрывом. Нужно отметить, однако, что примерно в 15% случаев, в основном у дневной магнитосферы, напряженность магнитного поля в магнитосфере меньше, чем в прилегающем магнитослое. При этом наблюдается сильное нарушение баланса давлений, что говорит о нестационарности магнитопаузы.

Далее были выявлены наиболее вероятные углы поворота вектора магнитного поля при переходе из магнитослоя в магнитосферу в местах пролета аппаратов КЛАСТЕР. Найдено, что случаев с параллельно- или антипараллельно-направленными векторами магнитного поля в магнитослое и магнитосфере практически нет. Наиболее часто встречаемыми оказались углы ~75 и ~135 градусов. Эти значения соответствуют северному и южному направлению межпланетного магнитного поля, соответственно.

Чтобы лучше понять формирование токового слоя магнитопаузы вокруг каспа были исследованы более детально 52 случая пересечения магнитопаузы четверкой аппаратов КЛАСТЕР на высоких широтах с дневной стороны и со стороны хвоста. Токовый слой магнитопаузы идентифицировался по четкому изменению направления вектора магнитного поля, а также по соответствующим пограничным слоям. Орбита КЛАСТЕР редко позволяла наблюдать плазменную мантию в северной части магнитосферы. Наиболее часто у магнитопаузы был обнаружен прилегающий пограничный слой, аналогичный наблюдаемому на низких широтах (38 из 52 случаев). Плазменная мантия наблюдались в случаях. «Входной слой» был идентифицирован лишь в трех случаях пересечения магнитопаузы, которые произошли в северной части магнитосферы.

Pages:     || 2 |






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