Ускоренные ионные структуры в пограничной области плазменного слоя хвоста магнитосферы Земли

• Автор: Григоренко, Елена Евгеньевна
• Шифр специальности: 01.03.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 220 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Пограничный плазменный слой, его пространственная структура, динамика и значение для циркуляции энергии в магнитосфере Земли

1.1. История открытия и пространственно-временная структура пограничного

плазменного слоя (ППС)

1.2. Различные динамические явленій, наблюдаемые в ППС геомагнитного хвоста, и их

связь с процессами в авроральной области

1.3. Источники ионов в геомагнитном хвосте

1.4. Модели ускорения частиц, наблюдаемых в ППС

1.5. Итоги исследований ППС и открытые вопросы

2. Спутниковые измерения в геомагнитном хвосте. Идентификация ППС по спутниковым данным
2.1. Спутник Интербол-1 (Хвостовой Зонд): орбита, измерения плазмы и магнитного поля в геомагнитном хвосте
2.2. Измерения плазмы и магнитного поля в хвосте магнитосферы Земли спутником Geotail
2.3. Спутниковый квартет Cluster
2.4. Методы идентификации ППС
3. Пространственно-временная структура ППС по данным квартета Cluster
3.1. Преимущества многоточечных измерений и методика оценки временных и пространственных размеров ускоренных ионных структур
3.2. Определение минимальной длительности и размеров структур ускоренных ионов в направлениях перпендикулярных магнитным силовым линиям
3.3. Длительность и характерные пространственные размеры ускоренных ионных структур
Заключение
4. Влияние направления ММП и геомагнитной активности на ускорение ионов в
магнитосферном хвосте
4.1. Влияние межпланетных условий на вероятность наблюдения ускоренных ионных
структур в ППС хвоста
4.2. Наблюдения структур ускоренных ионов в ППС хвоста на разных фазах
геомагнитной активности
4.3. Особенности ионных и электронных распределений в ППС, характерные для спокойных и возмущенных геомагнитных интервалов
Заключение
5. Ускоренные ионные структуры в ППС геомагнитного хвоста во время спокойных н слабо-возмущснных геомагнитных интервалов. Резонансный механизм ускорения
5.1. Наблюдение ускоренных ионов в ППС хвоста во время спокойных и слабовозмущенных геомагнитных интервалов
5.2. Статистические исследования плазменных характеристик, наблюдаемых в ППС хвоста во время спокойных геомагнитных интервалов
5.3. Мультиплетные ионные спектры в ППС геомагнитного хвоста
5.4. Продольные электрические токи в ППС во время спокойных и слабо-возмущенных геомагнитных интервалов
5.5. Заключение. Особенности неадиабатического ускорения ионов в ТС хвоста во время спокойных и слабо-возмущенных геомагнитных периодов

6. Структуры ускоренных ионов в ППС геомагнитного хвоста во время возмущенных
геомагнитных интервалов. Ускорение ионов вблизи Х-линии
6.1. Наблюдение ускоренных ионов в ППС хвоста во время возмущенных геомагнитных интервалов
6.2. Статистические исследования плазменных характеристик, наблюдаемых в ППС хвоста во время возмущенных геомагнитных интервалов
6.3. Продольные электрические токи в ППС во время возмущенных геомагнитных итервалов
6.4. Заключение. Особенности неадиабатического ускорения ионов в ТС хвоста во время возмущенных геомагнитных периодов
7. Низкочастотные колебания альвеиовского типа, наблюдаемые в высокоширотной
части ППС во время распространения высокоскоростных ионов
7.1. Наблюдения низкочастотных колебаний магнитных силовых трубок ППС
7.2. Связь низкочастотных возмущений магнитных силовых трубок ППС с транзиентными возрастаниями энергии холодных ионов в долях хвоста
7.3. Экспериментальное исследование критерия развития неустойчивости Кельвина-Г ельмгольтца
7.4. Энергетические характеристики низкочастотных альвеновских волн в ППС
Заключение
Заключение
Литература

Введение
Диссертация содержит результаты экспериментальных исследований структуры и динамики пограничного плазменного слоя хвоста магнитосферы Земли, проведенных на основе наблюдений высоко-апогейных российских и зарубежных космических аппаратов, сопутствующих наземных и межпланетных измерений, а также их теоретическую интерпретацию.
Актуальность проблемы
Одной из актуальнейших проблем космической физики является проблема ускорения заряженных частиц до огромных энергий. Эти процессы тем более интересны, что они нарушают привычное «классическое» представление об устройстве природы, согласно которому всё должно стремиться к равновесному состоянию хаоса, при котором любая упорядоченная структура внутри системы со временем разрушается. Однако новейшие открытия, в том числе и в физике космической плазмы, часто выходят за рамки классических представлений. Несмотря на кажущуюся «экзотичность» упорядоченных структур, обладающих большой свободной энергией, подобные явления чрезвычайно распространены в космосе: это, в первую очередь, потоки высокоэнергичных заряженных частиц солнечных и галактических космических лучей, механизмы ускорения которых, на Солнце и в звездах, сейчас активно изучаются. Однако подобные процессы происходят и вблизи Земли - в земной магнитосфере, что существенно облегчает их прямое детальное исследование в спутниковых экспериментах. Ускорение заряженных частиц до энергий в десятки, а иногда и в сотни раз превышающих их первоначальные значения, происходит, в основном, в геомагнитном хвосте, который образуется на ночной стороне Земли за счет вытягивания силовых линий геомагнитного поля потоком солнечного ветра, обтекающим магнитосферу. Геомагнитный хвост представляет собой грандиозную самосогласованную магнитоплазменную конфигурацию, в которой происходит накопление и диссипация энергии, поступающей из солнечного ветра [65, 159]. При этом геомагнитный хвост представляет собой довольно упорядоченную и устойчивую систему, сохраняющую свою структуру вплоть до десятков миллионов километров от Земли.
Наиболее мощное выделение энергии, как правило, происходит при трансформации топологии магнитного поля - магнитном псресоединении, которое происходит как в астрофизических объектах, так и в магнитосферах Земли и планет. В последнем случае это явление особенно интересно для физики плазмы, так как, во-первых, происходит в очень горячей бесстолкновительной разреженной плазме, которую трудно создать в лабораторных установках, и, во-вторых, это явление доступно для детального изучения с помощью теперь

вечер. Такое ускорение возможно лишь в тех областях, где нарушается первый адиабатический инвариант и движение заряженной частицы «размагничивается», что имеет место в нейтральном слое (НС), если параметр адиабатичности аг, введенный в работе [46] как:
становится меньше 1.0. Здесь, Вс — радиус кривизны силовой линии магнитного поля в области взаимодействия частицы с ТС и для ~ максимальная величина ларморовского радиуса заряженной частицы. При этом, предполагалась линейная зависимость магнитного поля в хвосте от X и 2 координат:
где Во - напряженность магнитного поля в высокоширотной доле хвоста на радиальном расстоянии X от Земли и L — характерная толщина ПС на расстоянии Xот Земли.
Для анализа неадиабатической динамики зараженных частиц была использована упрощенная модель НС с малой, нормальной к слою компонентой магнитного поля, постоянной величины. Реальные значения нормальной к слою компоненты магнитного поля, Bz, оказываются настолько малыми, что также, как и в обычном НС, где Bz = 0, первый адиабатический инвариант, обычно используемый в физике плазмы — магнитный- момент частицы - по-прежнему не сохраняется. Однако, присутствие Bz компоненты кардинальным образом изменяет топологию магнитного поля и является необходимым, для объяснения инжекции частиц вдоль силовых линий магнитного поля в ППС по направлению к Земле. В модели предполагалось, что такая инжекция произойдет лишь после того как частицы продрейфуют из высокоширотных долей хвоста к НС, проведут в его окрестности некоторое время, одновременно-ускоряясь там электрическим полем утро-вечер. При этом частицы приобретают энергию за счет механизма сходного с механизмом Ферми, при отражении от «магнитного зеркала» движущегося со скоростью конвекции: Vc = E/Bz, где Е -напряженность электрического поля утро-вечер и Bz — величина нормальной компоненты магнитного поля в области взаимодействия частиц с НС. Тогда величина энергии, приобретаемой частицей в результате такого взаимодействия:
где т - масса частицы. Здесь предполагается, что величина энергии АIV, набираемой
В =В0 (X) -2— ех + BZ(X)-e z,

частицей при взаимодействии с ТС намного превышает её начальную энергию тУо 12 (где Ко - начальная скорость частицы).