Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Динамика энергичных магнитосферных электронов и вызываемого ими аврорального поглощения радиоволн

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Динамика энергичных магнитосферных электронов и вызываемого ими аврорального поглощения радиоволн"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

М на правах рукописи

ШУХТИНА МАРИЯ АЛЕКСЕЕВНА

УДК 550.385

ДИНАМИКА ЭНЕРГИЧНЫХ МАГНИТОСФЕРНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ И ВЫЗЫВАЕМОГО ИМИ АВРОРАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ РАДИОВОЛН

специальность 04 . 00. 22 - геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1994

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

В. А. Сергеев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Б. Е. Брюнелли кандидат физико-математических наук А. В. Франк-КаменецкиЙ

Ведущая организация: Институт Земного Магнетизма и

Распространения Радиоволн РАН

Защита диссертации состоится 1994г. в ^Гчасов Офъилн. в ауд. 347

на заседании специализированного совета Д.063.57.51 по защите диссертации на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: г. Санкт-Петербург, Университетская набережная, Д- 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. А. М. Горького СПбГУ.

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь

специализированного совета С1 у Я

кандидат физико-математических наук

с&Л—с.

А. Зайцева.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

В диссертации исследуется динамика аврорального поглощения радиоволн в ионосфере Земли и моделируется поведение магнитос-фсрпых энергичных (с энергиями в несколько десятков кэВ) частиц, вызывающих поглощение.

Актуальность темы. Хотя доля энергичных частиц в магнитосфере мала в процентном отношении, их роль в физике магнитосферы весьма существенна. Вызываемые этими частицами эффекты - авро-ральное поглощение радиоволн, авроральное рентгеновское излучение, ОНЧ-излучепие - охватывают б течение нескольких часов всю авро-ральную зону, влияя на состояние ионосферно-магнитосферпой системы и парушая радиосвязь. Кроме того, сами энергичные частицы являются инструментом исследования строения магнитосферы и происходящих в ней процессов (обобщая, это можно сказать и о космическом пространстве). Наконец, вопрос об источнике энергичных частиц является одним из ключевых в физике магнитосферы.

Одним из наиболее ярких эффектов, вызываемых энергичными электронами, является авроральное поглощение радиоволн ( АП ) -существенное ослабление радиосигналов средних и высоких частот на высокоширотных станциях п периоды авроральной активности. Морфология этого явления подробно изучалась. Выло установлено, что начальное возмущение зарождается вблизи полуночного меридиана и затем распространяется в восточном и западном направлениях приблизительно вдоль исправленной геомагнитной параллели. В суточной вариации поглощения имеются два максимума: узкий в ночном и протяженный в позднем утреннем секторе, и глубокий минимум в вечерние часы. Существующая точка зрения связывает авроральное поглощение с высыпанием частиц из дрейфующего на восток электронного облака; предполагается, что высыпания происходят в результате рассеяния электронов па свистовых волнах. Однако многие аспекты этой интерпретации неясны или не были изучены количественно. Так, не получила исчерпывающего объяснения такая существенная особенность

явления, как утренний максимум АП. Нет устоявшегося мнения о механизме ускорения энергичных электронов, вызывающих авроральное поглощение (ускоряются ли частицы электрическим полем конвекции о процессе дрейфа с ночной стороны на дневную или вихревым электрическим нолем но время взрывных активизаций).

Неясность природы источника и механизма формирования морфологических характеристик аврорального поглощения затрудняет его диагностику и текущий прогноз, которые представляют большой интерес для обеспечения радиосвязи. В настоящее время не существует методики, позволяющей описывать изменение АП в реальном времени. Применяемые методы диагностики и прогноза носят статистический характер и базируются йа 3-х часовых Кр и Ар -индексах. Однако механизм связи поглощения с этими индексами неясен, а характерные временные масштабы явления составляют от десятков минут до 1-3 часов в зависимости от долготного сектора, что принципиально не позволяет получить хорошие корреляционные зависимости АП с указанными индексами.

Как уже упоминалось, авроралькое поглощение вызывается энергичными электронами, дрейфующими вокруг Земли. Зона максимальных амплитуд АП в ионосфере (Ф' ~ 65® — 68°)' проектируется на геоцентрические расстояния ~ 6-10 Ее в экваториальной плоскости магнитосферы. Геостационарные спутники, летающие в этой области, измеряют различные характеристики дрейфующих частиц: спектр, питч-угловое распределение, дисперсию. Их исследованию, также как и моделированию дрейфов энергичных частиц во внутренней магнитосфере, посвящено множество работ; однако ряд вопросов остается неясным - в частности, характер питч-угловой дисперсии.частиц и времена. наблюдения дрейфовых эхо на разнесенных в пространстве спутниках отличаются от расчетных. При этом при расчетах, как правило, рассматривались только приэкваториальные частицы, а в качестве модели магнитного ноля использовалось Яйбо дкпольное поле, либо модель Мида - Фэйрфильда, имеющая существенные расхождения с

экспериментом именно в рассматриваемой области магнитосферы. В связи с этим существенным становится аккуратный учет недипольных эффектов при моделировании дрейфов частиц. Моделирование дрейфов энергичных электронов с различными питч-углами в реалистичной магнитосферной конфигурации и при наличии близкого к реальному электрического поля конвекции важно и для физического объяснения морфологии аврорального поглощения.

Целью диссертационной работы является изучение кинематики энергичных частиц п ближней магнитосфере на основе расчета дрейфов частиц в реалистичных магнитном и электрическом полях и построение динамической модели АП. В основе модели лежит доказываемое ниже представление о том, что появление энергичных электронов в области геосинхронной орбиты и вызванное ими авроральное поглощение связаны с разрушением тока в хвосте магнитосферы во время суббури, и потому - с соответствующей токовой системой - Биркеландовской токовой петлей ( БТП ). В магнитосфере рассчитываются дрейфовые траектории частиц с произвольными питч-углами в последней версии модели Н. А. Цыганеяко, которая и настоящее время наилучшим образом описывает конфигурацию магнитного поля в данной области. Исследуется также влияние электрического поля конвекции на поведение частиц, вызывающих АП.

Материалом для исследования служат записи риометров и таблицы максимальных значений поглощения сети станций в Арктике и Антарктике; а также данные мировой сети магвятовариационных станций и данные о параметрах межпланетпоЙ среды, полученные на спутнике ШР-Л.

Защищаемые положения. , -

1. Показано, что для создания избыточных потоков электронов в энергетическом диапазоне ~ 30 — 100 кэВ наиболее эффективны кратковременные йвгеисивные вихревые электрические поля, связанные с суббурей, а не крупномасштабное электрическое поле конвекции.

2. Экспериментально установлен факт тесной взаимосвязи амплитуды бухт аврорального поглощения с интенсивностью среднеширот-

ных ыагни-ных бухт взрывного типа (коэффициент корреляции ~ 0.8), а также слабая зависимость величины поглощения от общего уровня магнитной активности.

3. Построена динамическая модель аврорального поглощения, основанная на стандартных магнитных данных среднеширотаых станций и позволяющая проводить диагностику и текущий прогноз вариаций величины поглощения во всей авроральной зоне с временным разрешением 10-15 минут.

4. Показано, что полученная Редерером для безвихревых магнитных конфигураций формула средней дрейфовой скорости частиц верна и для класса реалистичных моделей магнитосферы, содержащих распределенные токи плоской конфигурации.

5. На основании модельных расчетов проведена количественная оценка иедипольных эффектов в области геосинхронной орбиты: расщепления дрейфовых оболочек и долготной зависимости скорости дрейфа частиц. В ночной части магнитосферы обнаружен эффект бездрейфовых траекторий, приводящий к немонотонной зависимости величины скорости дрейфа от питч-угла частицы. Показано, что форма дрейфовых траекторий приэкваториальных частиц не соответствует конфигурации зоны аврорального поглощения, в то время как форма траекторий частиц с малыми питч-углами близка к форме зоны АП.

6. Показано, что в окрестности местного геомагнитного полудня ~ часто наблюдается резкий (в 3 и более раз) спад амплитуды бухты поглощения. Моделирование эффекта показывает, что одним из основных факторов, вызывающих спад высыпающихся электронных потоков, является электрическое поле конвекции. Приведены экспериментальные данные, подтверждающие этот вывод.

Диссертация базируется на данных высокоширотных риометри-ческих станций за 1967-1969, 1977-1979 и 1980-1983 годы и данных среднеширотных магнито-вариациониых станций за период 19671909 гг. Использовались также данные о параметрах межпланетной среды, полученных на спутнике 1МР-1, за период 1977-1979 гг.

Научная новизна,

Установлена тесная связь между амплитудой бухты риометричес-кого поглощения и амплитудами магаитных среднеширотных бухт, вызываемых Биркеландовгкой токовой петлей.

На основе указанной выше количественной связи впервые построена динамическая модель распределения аврорального поглощения, позволяющая проводить диагностику и текущий прогноз величины поглощения в реальном времени. Выявлено влияние локализации очага взрыва на поведение поглощения. Обнаружен резкий спад величины поглощения в околополуденные часы МЬТ.

Формула расчета усредненной по баунс-периоду скорости дрейфа частиц с произвольным питч-углом, выведенная ранее для безвихревых магнитных конфигураций, обобщена на достаточно широкий класс моделей магнитосферы, содержащих плоские токовые слои.

Проведено моделирование дрейфа энергичных частиц с произвольными питч-углами в реалистичной модели магнитосферы. Показано несоответствие области дрейфа приэкваториальных частиц зоне АП и сходство формы дрейфовых траекторий частиц с малыми питч-углами с формой зочы аврорального поглощения. Это означает, что общепринятое представление о том, что зона поглощения является ионосферной проекцией дрейфовых траекторий приэкваториальных частиц требует уточнения или пересмотра.

Исследовано явление резкого спада амплитуды бухты поглощения в околополуденном секторе МЬТ. Показано, что одной из причин спада является существование в магнитосфере электрического поля конвекции.

Показано, что под действием электрического поля конвекции в при условии сохранения частоты резонансной волны в позднем утреннем секторе формируется максимум величины А~ — Аг, где Л~ и Ас - существующее и критическое значения анизотропии соответственно, что способствует формированию утреннего максимума АП.

Научная и практическая ценность. Разработанная динамическая модель АП дает лучшее по сравнению с существующими методиками

- а -

описание вариаций АП, поэтому она может быть использована для диагностики и прогноза величины анрорального поглощения, что важно для обеспечения радиосвязи.

Реализация работы. Результаты исследований использовались при выполнении работ по темам НИР НИЙФ СПб ГУ.

Апробация работы. Результаты исследований*докладывались и обсуждались на научных семинарах СПбГУ и ИЗМИР АН, на XX Международной Ассамблее МГТС d Вене в 1991г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 129 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 5 таблиц, библиографию из 122 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе представлен обзор литературы. На основе большого числа экспериментальных данных сделан вывод о том, что преимущественным механизмом энергизации частиц является их ускорение индукционным электрическим полем. Рассмотрены основпые физические представления, связанные с явлением аврор&льного поглощения. К настоящему bj змепи установлено, что поглощение космического радиоизлучения вызывается энергичными частицами, высыпающимися из дрейфующего на восток электронного облака, инжектируемого во внутреннюю магнитосферу из хвоста по время брейк-ада. Показано, но в целом имеющийся экспериментальный материал подтверждает дрейфовую природу динамики энергичных частиц в магнитосфере у иопосфере. Однако существуют экспериментальные данные, не нахо-дпщие объяснения в рамках дипояъной модели мапгатосфериого поля. В со язи с этим поставлена задача моделирования дрейфов энергичных

частиц ».реальной магнитосфере и реальном электрическом поле. По литературным данным выбраны наиболее адекватные модели магнитного и электрического полей. Представлено современное состояние диагностики и прогноза АП, В настоящее время не существует методики, позволяющей рассчитывать вариации поглощения в реальном времени; используются статистические зависимости величины поглощения или его вероятностных характеристик от 3-х часовых индексов активности Кр и Ар. Поставлена задача создания методики текущей диагностики и прогноза риометрического поглощения на основе физических представлений о механизме явления.

По второй главе создана динамическая модель распределения ав-рорального поглощения, позволяющая проводить диагностику и краткосрочный прогноз поглощения по средлепшротным магнитным данным. Прежде всего на основе рассмотрения периода стационарной конвекции подтверждена, роль вихревих электрических полей в генерации АП и установлена количественная связь амплитуды бухты поглощения в утренпем секторе с амплитудой иочпой среднеширотной бухты взрывного типа ДТ = л/ДЯ2 + ДО2 , т.е. косвенно с величиной индукционного электрического поля , пропорционального ДТ. Предложена и опробовала методика расчета поглощения в реальном времени на основе динамической модели среднестатистической суббури я . поглощении, построенной Берш и др., и полученных количественных, соотношений между амплитудами риометрической и среднеширотной магнитной бухт. Несмотря на удовлетворительное согласие экспериментальных и расчетных вариаций поглощения, данная методика име«,-т существенный недостаток - использование образа среднестатистической суббури неизменной формы и длительности. В связи с этим в рамках тех же физических представлений разработана другая методика, позволяющая рассчитывать вариации поглощения в реальном Времени по средш'широтньш магнитны« данным с учетом длительности инжек-ций. Во всех секторах МЬТ в центре зоны поглощения решена оПрдтнпл задача:

А = TF,

где А-массив значений поглощения, Т-матрица значений горизонтальной составляющей среднеширотной магнитной вариации взрывного тига, а F- искомая функция отклика величины поглощения на единичную инжекцию (ступеньку длительностью 15 минут и амплитудой 10 нТл). Для построения функций отклика были использованы массивы магнитных и риометрических данных за 2?2 периода 1967-1969 годов длительностью от 5 до 25 часов со скважностью 15 минут. Использовались данные 10 средяеширотных магнитных станций, расположенных на разных долготах. Функции отклика были построены для станций Диксон ( Ф' = 67.9" ) и Молодежная ( Ф' = -66.5°). Также на основе таблиц максимальных для каждого часа значений АП финской цепочки станций и риометрических записей Скандинавской цепочки построен широтный разрез амплитуды бухты поглощения в различных секторах MLT. На примере двух событий, содержащих несколько суббурь, на большом числе авроральвых станций с помощью модели рассчитана величина аврорального поглощения, которое сопоставлено с экспериментальными данными. Сопоставление показало, что расчетные кривые воспроизводят временные вариации поглощения ; соотношение расчетных и наблюдаемых амплитуд лежит в основном в пределах фактора 2.

На основе анализа функций отклика обнаружен резкий спад величины поглощения в околополуденном секторе и выявлена зависимость пида функций отклика от локализации очага взрыва.

Третья глава посвящена расчету дрейфовых движений энергичных частиц в реальной магнитосфере. Аналитически показано, что формула Редорера для усредненной по баунс-периоду скорости дрейфа, выведенная для случая отсутствия токов, поперечных к магнитным силовым линиям, может быть обобщена на достаточно широкий класс моделей магнитосферы, содержащих плоские распределенные токи. Проведены траектории« расчеты дрейфа частиц с различными

питч-углами п реалистичной магнитосферной конфигурации. Они выявили существование качественных отличий от дрейфа в дииольном поле и показали несоответствие формы дрейфовых траекторий приэкваториальных частиц конфигурации зоны максимального поглощения и сходство формы дрейфовых траекторий электронов с малыми питч-углами с формой зоны АП.

Здесь же исследуется явление резкого спада аврорального поглощения в послеполуденные часы, обнаруженное в главе 2 при построении функции отклика АП. Существование явления подтверждено на примерах по конкретным экспериментальным данным. Проведено моделирование дрейфа электронов с энергией в несколько десятков кэВ в скрещенных электрическом и магнитном полях. Показано, что под действием электрического поля конвекции в околополуденном секторе должно происходить уменьшение электронных потоков, высыпающихся из дрейфующего на восток облака. Оценка снизу спада потоков на долготном интервале 3 часа МЬТ (от 10 до 13 часов) дает величину 20-30% для стандартных величин электрического поля. Предложенный механизм экспериментально подтверждается зависимостью долготы начала спада поглощения от величины Вг -компоненты ММП, являющейся косвенной мерой конвекционного электрического поля.

Проведенные расчеты также показали, что в процессе дрейфа электронов на дневную сторону при условии сохранения частоты резонансной волны в поздние утренние часы величина превышения анизотропией ее критического значения максимальна, что способствует формированию утреннего максимума АП,

В заключении сформулированы основные выводы диссертации;

1. Экспериментально установлен факт тесной взаимосвязи амплитуды бухт аврорального поглощения с интенсивностью среднеширот-ных магнитных бухт взрывного типа (коэффициент корреляции ~ 0.8), а также слабая зависимость величины поглощения от общего уронни магнитной активности.

2. Построена динамическая модель аврорального поглощении, основанная на стандартных магнитных данных среднешицотных станцпП

и позволяющая проводить диагностику и текущий прогноз вариаций величины поглощении во всей авроральной зоне с временным разрешением 10-15 минут.

3. Показано, что полученная Редерером для безвихревых магнит-пых конфигураций формула средней дрейфовой скорости частиц верна и для класса реалистичных моделей магнитосферы, содержащих распределенные токи плоской конфигурации.

4. IIa основании модельных расчетов проведена количественная оценка недипольных эффектов в области геосинхронной орбиты: расщепления дрейфовых оболочек и долготной зависимости скорости дрейфа частиц. В ночной части магнитосферы обнаружен эффект бездрейфовых траекторий, приводящий к немонотонной зависимости величины скорости дрейфа от питч-угла частицы. Показано, что форма дрейфовых траекторий приэкваториальных частиц не соответствует конфигурации зоны аврорального поглощения, в то время как форма траекторий частиц с малыми питч-углами близка к форме зоны АП.

5. Показано, что в окрестности местного геомагнитного полудня часто наблюдается резкий (в 3 и более раз) спад амплитуды бухты поглощения. Моделирование эффекта показывает, что одним из основных . факторов, вызывающих спад высыпающихся электронных потоков, является электрическое поле конвекции. Приведены экспериментальные данные, подтверждающие этот вывод.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Савинов A.B., CepreeD В.А., Шухтина М.А., Ранта X., Стау-гашг П. Связь уровня высыпаний энергичных электронов с магнитными возмущениями // Геомагнетизм и аэрономия, 1986, т.26, N.6, с. 958-9G2.

2. Шухтина М.А., Сергеев В.А. Моделирование дрейфов энергичных частиц в реальной магнитосфере вблизи геосинхронной орбиты // Геомагнетизм и аэрономия, 1991, т.31, N.5, с. 775-780.

3. Sergeev V.A., Shukhtina M.A., Bosinger Т., Belian R.D. Energetic particle injections: temporal structure, injection site and kinematics of particle clouds.-XX IUGG General Assembly Program and Abstracts, Graz, Austria, 1991, P. 414.

4. Шухтина M.A., Сергеев В.А. О диагностике и текущем прогнозе глобальной динамики аврорального поглощения // Магнитосферные исследования, М.: МГК, 1992, N.18, с. 84-97.

5. Shukhtina М.А. On the calculation of the magnetic drift velocity of particles with arbitrary pitch angles// Planet. Space Sci., 1993, Vol.41, N.4, P. 327-331.