Экспериментальное исследование нелинейных взаимодействий и процессов переноса плазмы в критических областях на границе магнитосферы

• Автор: Савин, Сергей Петрович
• Шифр специальности: 01.03.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 378 с. : ил.

Глава 1. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРОНИКНОВЕНИЯ ПЛАЗМЫ В МАГНИТОСФЕРУ ЧЕРЕЗ КАСП И МАГНИТОПАУЗУ.

1.1. Обзор «классических» представлений о процессах

переноса на границе магнитосферы.

1.2.0 роли турбулентности и сильной нелинейности в критических областях на магнитопаузе.

1.3.Основные исследуемые области в районе внешнего каспа

1.4. Анализ сигналов методом вэйвлетов.

1.5.06 экспериментальных методах измерения характеристик космической плазмы.

Глава 2. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОШИРОТНОЙ МАГНИТОПАУЗЫ И ТУРБУЛЕНТНОГО ПОГРАНСЛОЯ.

2.1.Пересечения магнитопаузы на высоких широтах и турбулентного погранслоя: от Прогноза-8 до Кластера.

2.2. Зависимость от параметров солнечного ветра.

2.3. «Диамагнитные полости» и нагрев плазмы из магнитослоя.

2.4.06 альвеновской природе поперечных колебаний на границе магнитосферы.
Глава 3. ТОПОЛОГИЯ ПЕРЕХОДА МАГНИТОСЛОЙ - КАСП И ПРОНИКНОВЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ПЛАЗМЫ В МАГНИТОСФЕРУ.
3.1. Зависимость зон флуктуаций от угла наклона геомагнитного диполя.
3.2.Разная топология горловины каспа по данным Интербола 1, Полара и измерениям в солнечном ветре.
3.3. Статистика регистрации застойных зон над каспом и «плазменных облаков» во внешнем каспе.
3.4. Динамическое взаимодействие потока плазмы с «плазменными облаками» на внешней границе каспа.
Глава 4. МНОГОМАСШТАБНЫЕ И КОГЕРЕНТНЫЕ ПРОЦЕССЫ ВБЛИЗИ ДНЕВНОЙ МАГНИТОПАУЗЫ.
4.1.Нелинейные каскады и когерентные структуры вблизи турбулентного погранслоя.
4.2.Микро и макро пересоединение магнитного поля на
деформированной магнитопаузе и заполнение магнитосферы солнечной плазмой.
4.3.Влияние солнечного ветра и магнитослоя на процессы в турбулентном погранслое.

Глава 5. ВОЗМУЩЕНИЯ И ПРОНИКНОВЕНИЕ ПЛАЗМЫ НА ГРАНИЦЕ БЛИЖНЕГО ХВОСТА МАГНИТОСФЕРЫ.
5.1. Многоспутникокое исследование проникновения плазмы при горизонтальном межпланетном магнитном поле.
5.2. Возмущения вниз по течению за каспом.
5.3.Средние и низкие широты.
Глава 6. О РОЛИ ИОННО-ЦИКЛОТРОННЫХ И БОЛЕЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ВОЛН.
6.1.0 природе и роли ионно-циклотронных волн.
6.2.Волны в нижнегибридном диапазоне и между нижнегибридной и электронно-циклотронной частотами.
Глава 7. ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОТОКА ПЛАЗМЫ С МАГНИТОСФЕРНЫМ ПРЕПЯТСТВИЕМ.
Гф 7.1. Резюме измерений.
7.2.Исследование статистических свойств турбулентности в ТПС.
7.3.Сравнение с кинетическим моделированием тонких токовых слоев.
7.4.Процессы переноса и нагрев ионов в турбулентном погранслое и застойной области над каспом.
7.5.Ускорение струй в иагнитослое и бесстолкновительное взаимодействие типа плазма-плазма.
7.6.Подход к взаимодействию магнитослоя с внешней магнитосферой как к сложной нелинейной системе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ЛИТЕРАТУРА.. |

Диссертация содержит результаты экспериментальных исследований динамики и процессов переноса на границе магнитосферы Земли, проведенных на основе данных высокоапогейных спутников, сопутствующих наземных измерений и наблюдений солнечного ветра. Приводятся как оригинальные данные отечественных космических экспериментов, так и результаты исследований в рамках кампаний, организованных 4 ведущими мировыми космическими агентствами. Они сопоставляются с теоретическими моделями нелинейных взаимодействий волна-частица, а также с результатами газодинамического, магнитно-гидродинамического и кинетического моделирования обтекания плазмой магнитосферного препятствия и нелинейной динамики тонких токовых слоев. Обосновывается важность коллективных взаимодействий для описания нестационарного взаимодействия потока бесстолкновительной плазмы со стоячими нелинейными волнами в погранслое.
Актуальность проблемы
Проблематика физики преобразования энергии и переноса массы в турбулентной среде, включая бесстолкновительную плазму, привлекает в последнее время пристальный интерес исследователей. Решение ряда практических задач, таких как изучение космической погоды, удержание лабораторной, в том числе термоядерной, плазмы, повышение надежности радиосвязи и др. невозможно без углубления нашего понимания гелиосферы и ее взаимодействия с магнитосферой Земли.
Изучение турбулентных процессов, включающих в себя образование когерентных структур, является одним из злободневных направлений современной физики и прикладных исследований. Многоточечные комплексные экспериментальные исследования особенно важны для плазмы, которая имеет большое количество внутренних степеней свободы, что осложняет построение теоретических и численных нелинейных моделей.
Как известно, при высокой стабильности общего потока солнечной энергии, корпускулярное излучение Солнца - солнечный ветер - значительно варьируется в зависимости от структуры и динамики солнечной короны и ее магнитного поля. Солнечный ветер взаимодействует с магнитным полем Земли, образуя земную магнитосферу. В целом магнитосфера сохраняет форму искаженного диполя с вытянутым в антисолнечном направлении магнитным хвостом, однако локальная форма границы и топология пограничных слоев может критически зависеть от направления межпланетного' магнитного поля (ММП) и наклона геомагнитного диполя по отношению к набегающему потоку. На определение структуры перехода от ламинарного потока к стабильной плазме внутри магнитосферной ловушки через турбулентный погранслой и были направлены основные усилия.
Процесс пересоединения на границе магнитосферы, где образуется конфигурация с противоположно направленными магнитными полями, протекает спорадически и далеко не всегда' определяется- динамическим давлением солнечного ветра и ММП: существует, например, необъясненная периодичность этих процессов с частотой 1-10 мГц, определяемая процессами в пограничной области магнитосферы, исследуемых в данной работе.

южном ММП. Таким образом, вряд ли entry layer является результатом пересоединения в подсолнечной точке.
На низких широтах погранслой оказался существенно более тонким, чем на высоких, иногда он полностью отсутствовал и вообще обладал более низкой плотностью, чем смежный МГС. В 29 из 41 пересечений низкоширотной • магнитопаузы, в которых наблюдался пограничный слой, скорость потока не
превышала внешнюю, даже для южного ММП, благоприятного для пересоединения у экватора. Это свидетельствует, что: (1) пересоединение на низких
широтах не является эффективным ламинарным процессом и (2) высокоширотный entry layer не заполняется плазмой с низких широт в результате пересоединения, это происходит, скорее всего, в результате процессов в каспе. Отсюда, почти несомненно, следует третий вывод. Так как существует много косвенных свидетельств пересоединения, в особенности зависимость внутренней магнитосферной конвекции и суббурь от ориентации ММП, и так как перенос вещества довольно убедительным образом связывается с нарушением вмороженности, утверждается, что пересоединение является побочным продуктом проникновения МГС плазмы в полярные каспы.
Добавим, что последний вывод делался с оговорками, что на HEOS-2 не было Зх-мерных измерений параметров ионов (как и на Hawkeye-1, см. далее). Однако, почти 5 лет измерений на Интерболе-1 (1995-2000 гг.),
когда Зх-мерные ионные измерения проводились более половины времени на дневной магнитопаузе, не привели даже к попытке опровергнуть выводы, основанные на данных HEOS-2: погранслой на низких широтах наблюдался
нерегулярно, ускоренные потоки носят характер всплесков.
Вернемся к данным с HEOS-2. Поток ионов в entry layer нерегулярен, что можно видеть из рис. 1.14, на котором на верхней панели показаны *' энергетические распределения ионов в анти-солнечном направлении раз в
минуты. На нижней панели даны угловые распределения на 4 выделенных энергиях (см. обозначения на верхнем левом спектре) смещенные на 1 порядок относительно друг друга. Каждая энергия измеряется в течение одного оборота спутника 6.6 с, т.е. угловые спектры на разных выделенных энергиях отделены ~ 20с. Видно, что за это время плазменный поток может существенно изменить направление. Последнее иллюстрирует турбулентный характер потока в entry layer.
Какова же причина турбулентности? Мы, полагаем, что это является простым гидродинамическим следствием существования воронкообразной формы магнитопаузы в каспах. МГС имеет тенденцию заполнить эту область застойной турбулентной плазмой, как обычная жидкость делает это, обтекая вокруг а препятствия в виде выступа, как показано на рис. 1.13. Внешние колебания давления действуют на довольно упругую магнитопаузу и приводят пограничный слой в нерегулярное движение. Наблюдаемый масштаб времени, простирается от 10 до нескольких десятков секунд, типичные скорости потока имеют порядок 100 км/с (рис. 1.13). Если основные возмущения ассоциировать с пересечением конвективных ячеек, тогда типичные времена когерентности (а также времена жизни индивидуальных ячеек конвекции) оцениваются t ~ 20 с. Для поперечной скорости конвекции мы берем V ~ 50 км/с. Типичным размером, s, вихря тогда будет: s = V-t ~ 1000 км,
коэффициент "вихревой" диффузии Ded ~ 5 Ю10 м2/с, что на 2 порядка
величины больше, чем коэффициенты диффузии за счет микропроцессов, полученные в разделе 1.1. Это не удивительно, поскольку крупномасштабные нерегулярные конвективные движения приводят к большему переносу массы, импульса или энергии, чем мелкомасштабные процессы. Поскольку толщина entry layer, d ~ 10000 км, мы можем оценить время перемешивания Т ~ d2/Ded ~2000 с. Средняя скорость притока через магнитопаузу в entry layer