Волновая активность магнитосферы и ионосферы в диапазоне Pc5 пульсаций

• Автор: Белаховский, Владимир Борисович
• Шифр специальности: 25.00.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 134 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. Волновые процессы в магнитосфере и ионосфере в Рс5 диапазоне (Обзор)
1.1. Общее представление о геомагнитных пульсациях
1.2. Типы геомагнитных Рс5 пульсаций
1.2.1. Тороидальные геомагнитные Рс5 пульсации
1.2.2. Полоидальные геомагнитные Рс5 пульсации
1.2.3. Магнитозвуковые колебания магнитосферной полости
1.3. Прохождение МГД волн через ионосферу к земной поверхности
1.4. Геомагнитные Рс5 пульсации и пульсации в потоках частиц
1.5. Глобальные Рс5 пульсации
1.6. Методы регистрации эффектов воздействия УНЧ волн на ионосферу
1.6.1. Риометрическое поглощение космического радиоизлучения
1.6.2. Когерентное и некогерентное рассеяние радиоволн
1.7. Исследование Рс5 пульсаций с помощью радаров
1.8. Длиннопериодные геомагнитные пульсации вблизи области каспа
1.9. Постановка задач
ГЛАВА 2. Геомагнитные Рс5 пульсации и пульсации в потоках частиц
2.1. Тороидальные геомагнитные Рс5 пульсации и пульсации в потоках частиц
2.1.1. Данные наблюдений
2.1.2. Событие 21 Ноября 2003 года
2.1.3. Временная структура вариаций магнитного поля и риометрического поглощения
2.1.4. Локальная меридиональная структура
2.1.5. Азимутальное распространение
2.1.6. Динамика энергичных частиц в магнитосфере
2.1.7. О механизмах генерации Рс5 пульсаций в риометрическом поглощении
2.2. Полоидальные геомагнитные Рс5 пульсации и пульсации в потоках частиц
2.3. Выводы к Главе
ГЛАВА 3. Глобальные Рс5 пульсации
3.1. Глобальные Рс5 пульсации 31 Октября 2003

3.1.1. Пространственные характеристики Рс5 пульсаций по данным наземных сетей магнитных станций
3.1.2. Динамика энергичных частиц в магнитосфере
3.1.3. УНЧ колебания геомагнитного поля на спутниках GOES и POLAR
3.2. О возможных механизмах и специфике глобальныхРс5 пульсаций
3.3. Азимутальные характеристики одновременных геомагнитных Рс5 пульсаций в утреннем и дневном секторах
3.4. Выводы к Главе
ГЛАВА 4. Рс5 пульсации в ионосфере
4.1 Электрическое поле Рс5 колебаний в ионосфере по радарным данным
4.2. Метод эффективного импеданса
4.2.1. Обсуждение результатов синхронных радарных и наземных магнитных наблюдений Рс5 пульсаций
4.3. Модуляция ионосферных параметров геомагнитными Рс5 пульсациями
4.3.1. Возможные механизмы модуляции ионосферы магнитосферной альфвеновской волной
4.3.2. Нелинейные искажения УНЧ волн
4.4. Определение широтного профиля резонансной частоты Рс5 пульсаций по радарным данным
4.5. Длиннопериодные пульсации вблизи области каспа
4.6. Выводы к Главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список опубликованных работ автора по теме диссертации
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ:
1. Координаты наземных станций
2. Координаты геостационарных спутников

ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы. В диссертации рассмотрено наиболее мощное и крупномасштабное волновое электромагнитное явление в околоземной среде - Рс5 пульсации, являющиеся по своей физической природе магнитогидродинамическими (МГД) волнами.
Актуальность диссертационного исследования. Геомагнитные пульсации являются наиболее интенсивным проявлением волновой электромагнитной активности в околоземном пространстве. МГД волны, пронизывающие все околоземное космическое пространство, доносят до земной поверхности информацию о свойствах окружающей Землю плазмы. Среди всего многообразия типов геомагнитных пульсаций Рс5 колебания с периодами порядка 3-10 минут являются одним из наиболее мощных волновых процессов в магнитосфере Земли: их амплитуда на геосинхронной орбите достигает 20-30% от уровня геомагнитного поля, масштаб Рс5 волны сравним с размером магнитосферы. Рс5 пульсации эффективно переносят энергию солнечного ветра (СВ) в магнитосферу и далее в ионосферу, активно влияют на динамику заряженных частиц радиационных поясов в магнитосфере и могут быть источником энергии для дуг полярных сияний.
Одна из наиболее актуальных проблем космической физики - определение механизма ускорения электронов до релятивистских энергий во время магнитных бурь, т.к. релятивистские электроны могут выводить из строя аппаратуру на спутниках. Один из возможных механизмов появления релятивистских электронов основан на идее резонансного ускорения и радиальной диффузии частиц на Рс5 волнах. Согласно этому сценарию, Рс5 пульсации являются промежуточным агентом, передающим энергию от солнечной плазмы или кольцевого тока ускоренным электронам, и детальное знание пространственно-временной структуры этих волн исключительно важно для оценки эффективности волнового механизма ускорения.
Характерной особенностью процесса распространения МГД волн диапазона Рс5 в магнитосфере является альвеновский резонанс силовых линий, поэтому выделение резонансных эффектов в структуре поля колебаний позволяет проводить мониторинг плотности магнитосферной плазмы по наземным данным.
Таким образом, понимание механизмов генерации Рс5 пульсаций, их пространственно-временных характеристик, зависимости их свойств от параметров межпланетной среды, связи с потоками заряженных частиц важно для солнечно-земной физики и космических технологий.

постоянной. Если не рассматривать влияние ионосферы, то мощность космического радиоизлучения, принимаемого на поверхности Земли на фиксированную антенну, является функцией звездного времени. Лепесток антенны в течение суток прочерчивает по небосводу дорожку из-за вращения Земли.
Магнитоионная теория Эплтона-Хартри показывает, что энергия радиоволн поглощается во время их прохождения через ионизированную среду из-за столкновений электронов с другими частицами [Дриацкий, 1974]. Количественно поглощение энергии может быть представлено выражением:
где А - поглощение в децибелах, Е0 - напряженность поля падающей волны, Е -напряженность поля после того, как радиоволна пересечет в ионизированной среде расстояние і?. Расчеты для прохождения радиоволны с круговой поляризацией через ионизированную среду дают
Здесь еж т- соответственно заряд и масса электронов, электронная плотность Д частота соударений электрона V, со - круговая частота падающей волны, ац - циклотронная частота, соответствующая продольной составляющей магнитного поля. Знак плюс в выражении соответствует обыкновенной, и знак минус - необыкновенной компоненте радиоволны. Найденные значения поглощения А (в дб) на одной частоте можно использовать для определения ptvdS, так как величины в уравнении (1.7.) известны.
Для измерения ионосферного поглощения используется риометр (RIOMETER -relative ionospheric opacity meter), представляющий собой приемник радиоизлучения на частотах 20-50 МГц. Наиболее распространенной частотой является частота 30 МГц. Использование записей мощности космического радиоизлучения для измерения поглощения позволяет получить ряд ценных сведений о физике ионосферы. Одновременные наблюдения с использованием антенн с различными характеристиками направленности дают возможность определить горизонтальную протяженность областей повышенной ионизации, ответственных за поглощение. Увеличение поглощения космического радиоизлучения, регистрируемого риометром, может быть вызвано вторгающимися электронами с Е=20-50 кэВ или протонами с энергиями в десятки МэВ на высотах 70-100 км, вызывающими ионизацию в D-слое ионосферы. Высота, на которой происходит поглощение радиосигнала, зависит от его частоты. Большинство риометров

(і.б.)