Исследование свойств и источников вариаций плазмы и магнитного поля в магнитослое Земли

• Автор: Шевырев, Николай Николаевич
• Шифр специальности: 01.03.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 122 с. : ил.

Актуальность темы

Краткий обзор результатов исследования магнитослоя

Цель работы

Содержание работы

1 Проект ИНТЕРБОЛ: Методы измерения и анализа данных.

Используемая база данных

1.1 Проект ИНТЕРБОЛ

1.1.1 Прибор ВДП

1.1.2 Прибор ФМ-ЗИ

1.2 Измерения плазмы и магнитного поля на аппаратах VIND, СЕОТАШ и 1МР-8

1.3 Методы анализа данных

1.3.1 Корреляционный анализ
1.3.2 Спектральный анализ
2 Турбулентность солнечного ветра и магнитослоя
2.1 Введение
2.2 Сравнение интенсивности низкочастотных и высокочастотных вариаций в солнечном ветре и в магнитослое
2.3 Сопоставление одновременных вариаций на спутниках ИНТЕРБОЛ-1 и VIND
2.4 Сопоставление измерений с газодинамическими моделями
2.4.1 Газодинамическая модель Спрайтера
2.4.2 Модель Карталева
2.5 Анализ многоспутниковых измерений
2.5.1. Среднемасштабные вариации
2.5.2. Мелкомасштабные вариации
2.6 Распределение вариаций внутри магнитослоя. Радиальный профиль
2.7 Выводы Главы 2

3 Зависимость турбулентных свойств плазмы магнитослоя от внешних условий
3.1 Введение
3.2 Квазипараллельная и квазиперпендикулярная ударная волна.
Методика определения угла 0Вп в солнечном ветре и в магнитослое
3.3 Зависимость вариаций потока ионов и магнитного поля в магнитослое от ориентации межпланетного магнитного поля.
Примеры пересечений магнитослоя спутником ИНТЕРБОЛ-1
3.3.1 Пересечение магнитослоя 14 июня 1999г
3.3.2 Пересечение магнитослоя 16 июля 1997г
3.4 Статистика вариаций потока ионов и модуля магнитного поля в зависимости
от угла 0Вп
3.5 Спектральный анализ вариаций в солнечном ветре, форшоке и магнитослое
3.6 Выводы Главы 3
4 Волны зеркальной моды в магнитослое Земли
4.1 Введение
4.2 Экспериментальные данные
4.2.1 Анализ измерений 12 июня 1996г
4.2.2 Анализ волновых мод 12 июня 1996г
4.2.3 Анализ измерений 28 июня 1996г
4.2.4 Анализ измерений 06 сентября 1998г
4.3 Выводы Главы 4
Заключение
Выводы работы и ее научная новизна
Научная и практическая ценность работы
Личный вклад автора
Апробация работы
Положения выносимые на защиту
Список работ автора по теме диссертации
Литература

Актуальность темы
Проблема воздействия солнечного ветра на магнитосферу Земли является ключевой в изучении солнечно-земных связей и представляет большой научный и практический интерес для задач, объединенных в теме “Космическая погода”. В настоящее время, при рассмотрении этих задач, в качестве исходных параметров для моделей, описывающих процессы внутри магнитосферы и на ее границе, как правило, используются данные аппаратов, находящихся на значительном удалении от Земли (например, в точке либрации L1), т.е. измерения невозмущенного солнечного ветра. При этом никак не учитываются процессы, происходящие в областях прилегающих к магнитосфере - в форшоке, на ударной волне, а также в магнитослое. Однако достаточно очевидно, что на границу магнитосферы воздействует не невозмущенный солнечный ветер, а модифицированный в этих областях (и главным образом в магнитослое) поток плазмы (Schwartz et al., [1996]; Song et al., [1999a]). Так например, в работе Николаевой и др. [1998] было показано, что быстрые и большие движения магнитопаузы определяются динамикой давления плазмы в магнитослое при постоянстве динамического давления солнечного ветра.
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]. Наблюдаемые в магнитослое структуры, как правило, нелинейны, поэтому они должны взаимодействовать друг с другом, а также с нелинейными структурами солнечного ветра, такими как ударные волны и разрывы. Это будет приводить к модификации таких структур и исследование механизмов и степени их модификации имеет большое значение для прикладных задач солнечно-земной физики.
Таким образом, магнитослой является своеобразным интерфейсом между солнечным ветром и магнитосферой, и исследование механизмов генерации различных типов волн и неустойчивостей в магнитослое, а также процессов их распространения и взаимодействия с магнитосферой крайне важно, особенно в свете последних работ по повышению точности прогноза "Космической погоды". Кроме того, магнитослой является природной лабораторией плазмы, в которой складываются уникальные по своим свойствам условия, не

Все описанные эффекты могут иметь место в отдельных случаях, однако статистически модель Спрайтера дает вполне удовлетворительные расчеты моментов пересечения границ магнитослоя и средних значений параметров. Поэтому, несмотря на возможные погрешности, она вполне применима для отдельных задач, связанных с оценкой средних параметров плазмы в магнитослое, откликов на сильные изменения плотности или скорости, а также при оценивании положения спутника внутри магнитослоя.
2.4.2 Модель Карталева
Как видно, модель Спрайтера обладает рядом неустранимых недостатков. Для более точного сопоставления была использована другая более современная модель Карталева (Kartalev and Dobreva, 2005). Подробное описание модели можно найти в работе (Kartalev, 1996). Эта модель является трехмерной, в отличие от двумерной модели Спрайтера. Еще одним существенным отличием данной модели является то, что при расчете положения и формы магнитопаузы она учитывает реальные условия в солнечном ветре, а также конфигурацию магнитного поля и токи в магнитосфере. То есть, для заданных внешних условий в солнечном ветре и значений индекса геомагнитной активности Dst, положение и форма магнитопаузы появляются самосогласованным образом, а распределение параметров в магнитослое и ударная волна - как часть общего решения. Конфигурация магнитных полей в магнитосфере в модели Карталева задается моделью Цыганенко (Tsyganenko, 2002а, 2002b), что позволяет получать ряд интересных особенностей на магнитопаузе и в частности, модель Карталева предсказывает образование каспов - воронкообразных структур в магнитном поле Земли, находящихся в местах осей магнитного диполя, в которых магнитопауза прогибается внутрь магнитосферы образуя области "застоя" плазмы. Кроме того, модель учитывает ряд эффектов магнитного поля при расчетах распределения параметров в магнитослое и, тем самым, позволяет провести более точное сопоставление. В то же время, она является чрезвычайно требовательной к вычислительным ресурсам, поэтому крайне сложно провести полноценное моделирование реальных пересечений магнитослоя. В ходе совместной работы над сопоставлением реальных измерений с моделью были промоделированы всего несколько пересечений.
Рассмотрим результаты моделирования для пересечения магнитослоя спутником ИНТЕРБОЛ-1 24 мая 1997 года. В этот день аппарат двигался из солнечного ветра, около 06:20 UT он пересек ударную волну, затем на протяжении 3 часов двигался в магнитослое и в 09:15 UT пересек магнитопаузу. В качестве монитора солнечного ветра использовался спутник WIND, имевший координаты GSE (161.2,12.7, 10.1)Re.