Исследование физических процессов во внутренней магнитосфере Земли

• Автор: Русанов, Алексей Александрович
• Шифр специальности: 01.03.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 97 с. : ил.

ГЛАВА 1: МЕТОДЫ АНАЛИЗА ДАННЫХ
1. Введение
М 2. Методы обнаружения полезных сигналов
3. Нейронные сети с самоорганизацией
4. Метод спектрограмм
5. Разложение Карунена-Лове
ГЛАВА 2: ИДЕНТИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ В ВОЛНОВЫХ ДАННЫХ
1. Введение
2. Предварительный анализ
3. Схема разделения и классификации сигналов
4. Выводы
ГЛАВА 3: ЛЕНГМЮРОВСКИЕ ВОЛНЫ В ПОЛЯРНОЙ ШАПКЕ: НАБЛЮДЕНИЯ И АНАЛИЗ
1. Введение
2. Используемые данные
3. Результаты наблюдений
4. Интерпретация наблюдений
5. Выводы
ГЛАВА 4: ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ
* АВРОРАЛЬНЫХ ТОКОВ И УРОВЕНЬ ФЛУКТУАЦИЙ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
1. Введение
2. Используемые данные
3. Используемые методы
4. Моделирование Кр индекса
5. Моделирование АЬ индекса
6. Методы повышения качества предсказаний индексов
7. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Изучение физических процессов во внутренних областях магнитосферы Земли является в настоящее время объектом пристального внимания исследователей. Эти области экранированы от прямого воздействия плазмы солнечного ветра, но их динамика во многом определяется именно энергией Солнца, накопленной и преобразованной в геомагнитном хвосте.
Воздействие солнечного ветра приводит к спорадическим вариациям магнитного поля Земли, которые регистрируются в геомагнитных обсерваториях и описываются геомагнитными индексами. Наиболее употребительные из них: Кр, АЬ и П5,. Индекс П5, характеризует амплитуду кольцевого тока в период магнитных бурь, АЬ - интенсивность авроральных токов, Кр - уровень флуктуаций магнитного поля. Исследованию зависимости геомагнитных индексов от состояния солнечного ветра, а именно его плотности, скорости и величины межпланетного магнитного поля (ММП), посвящено большое количество работ. Эти исследования важны для понимания процессов передачи энергии от плазмы солнечного ветра во внутренние области магнитосферы, однако они имеют и практический интерес, связанный с прогнозами «космической погоды». Известно, что во время повышенной солнечной активности амплитуда вариаций геомагнитного поля возрастает, что может приводить к наводкам в системах электроснабжения, повреждениям телекоммуникационных систем и сбоям в работе искусственных спутников Земли. Корректный прогноз «космической погоды», который невозможен без знания механизмов воздействия солнечного ветра на магнитосферу, позволит заранее предсказывать появление геомагнитных возмущений и таким образом снизить урон от многих из этих катастроф.
Для определения факторов, влияющих на генерацию и развитие геомагнитных возмущений, обычно используются два подхода. Первый основан на поиске явной зависимости значения одного из геомагнитных индексов от плотности, скорости солнечного ветра и ММП; второй подход - на моделировании искомой зависимости нейронными сетями. Нейронные сети
позволяют строить модели для широкого класса зависимостей, в том числе и нелинейных, однако не дают возможности получить явные формы для этих зависимостей. В отсутствие исчерпывающей модели воздействия солнечного ветра на амплитуду геомагнитных вариаций применение второго подхода обычно дает лучшие результаты. Одним из критериев качества моделей выступает коэффициент корреляции между рядом наблюдаемых значений индексов и их модельными значениями. Исследования зависимостей Кр- и АЬ-индексов от параметров солнечного ветра и ММП показали, что планетарная геомагнитная активность, характеризуемая Кр-индексом, определяется, в основном, г-компонентной ММП, плотностью и скоростью солнечного ветра. Коэффициент корреляции для модели с такими параметрами составляет порядка 0,76. Амплитуда авроральных токов, характеризуемая АЬ-индексом, зависит не только от г-компоненты ММП, плотности и скорости солнечного ветра, но и от у-компоненты ММП. Коэффициент корреляции для модели с такими параметрами составляет порядка 0,87. Таким образом, существует необходимость в создании моделей, которые более адекватно описывают поведение индексов.
Динамика плазмы внутренней магнитосферы приводит к развитию большого числа волновых процессов, например таких, как шипения, свисты и ленгмюровские волны. Изучение ленгмюровских волн представляют особый интерес, поскольку они достаточно легко возбуждаются и поглощаются частицами плазмы. Одни из первых наблюдений ленгмюровских волн в авроральных областях были сделаны в ходе измерений на геофизических ракетах, которые проводились на высотах ~500 км. В этих экспериментах были зарегистрированы электростатические всплески с широким набором характеристик: от очень интенсивных (~500 мВ/м), но непродолжительных (<1 мс), до слабых (-1 мВ/м), но длительных (несколько секунд). Наблюдения ленгмюровских волн на низкоорбитальных искусственных спутниках Земли проводились во многих волновых экспериментах, например в проектах АРЕОЛ/АРКАД-3 и Еге)а. В результате наблюдений в проекте АРЕОЛ/АРКАДинтервалов имелись также данные прибора ИОН, которые позволяли определить положение спутника относительно границы полярной шапки. На основе анализа этих интервалов было установлено, что сигналы регистрируются либо в полярной шапке, либо на полярной границе авроральной области.
Для всех зарегистрированных ленгмюровских сигналов характерны: низкочастотная модуляция, сильные вариации амплитуд и ширина спектра, составляющая ~ 10% от локальной плазменной частоты. В некоторых случаях одновременно с ленгмюровскими волнами регистрировались низкочастотные сигналы. Для подробного анализа характерных свойств наблюдаемых электростатических волн далее исследуются три интервала из волновых измерений, проведенных 24 ноября 1996 года. На выбор этих интервалов повлияло несколько факторов. Во-первых, это наличие данных прибора ИОН, так как периоды работы приборов НВК-ОНЧ и ИОН не всегда совпадают, в то время как данные по частицам необходимы для исследования наблюдаемых структур. Во-вторых, эти события иллюстрируют основные свойства ленгмюровских сигналов, которые были перечислены выше. В-третьих, исследование этих событий позволяет сравнить свойства волн, наблюдаемых глубоко в полярной шапке и вблизи от границы с авроральной областью. Анализ выбранных событий также позволяет сделать некоторые количественные оценки, которые приводятся ниже (см. таблицу 1).