Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Динамика полярных сияний и электрические поля в магнитосфере

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Динамика полярных сияний и электрические поля в магнитосфере"

РГо О А

Санкт-Петербургский государственный университйт

1 0 ¡■••^

На правах рукописи

КОРНИЛОВА Татьяна Андреевна УДК 550.385.36

ДИНАМИКА ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ

В МАГНИТОСФЕРЕ

04.00.22 - геофизика

• А в т о'р е ф а р а т

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена в Полярном геофизическом инотитуте' Кольского научного центра РАН.

Научный руководитель:

доктор физико-иатематичеокшс

наук Пудовкин и.И.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических

наук Распопов О.М.

кандидат.физико-математических

наук Кузнецова Т.В.

Ведущая организация - Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт /г. Санкт-Петербург/.

Защита диссертации состоится " 3 " 1993 г. в У^Г" час. е?с? мин. в ауд. _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 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ.

Реферат разослан ¿¿"■'Лл-'С^!! 1993 г.

Ученый секретарь

специализированного Совета Зайцева С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

В диссертации рассматривается динамика полярных сияний на разных фазах суббури и по движению сияний исследуется поведение электрических полей в магнитосфере.

• Актуальность проблемы. Изучение магнитосферных возмущений и, в частности, их проявление в динамике полярных сияний имеет большое значение как в фундаментальных исследованиях по физике магнитосферы, так и в прикладных задачах, связанных с освоением космического пространства и жизнедеятельности человека.

Несмотря на достижения в области геофизики все еще нет единой физической модели суббури, для построения которой необходимо знать, как. развивается возмущение на всех фазах суббури, наглядным проявлением которой являются полярные сияния. Использование наземных данных о полярнкх сияниях имеет то преимущество, что позволяет проводить на большом пространственном и временном масштабе непрерывный мониторинг процессов в магнитосфере, что недоступно прямым спутниковым и ракетным данным.

Высокоширотная ионосфера представляет собой экран, на котором с поверхности Земли можно наблюдать процессы, происходящие в космической плазме, которые невозможно смоделировать в лабораторных условиях. К таким процессам относятся развитие турбулентности в магнитосферной плазме, появление аномального сопротивления и двойных электростатических слоев.

Актуальность исследования динамики полярных сияний обусловлена и тем, что в ней отражается поведение электрических полей в разных областях магнитосферы и ионосферы, определящих электродинамику суббури, знание которой даст возможность понять физику процессов, приводящих к передаче энергии из солнечного ветра в магнитосферу и ее диссипацию в ионосферу через явление, называемое суббурей.

Цель данной работы - исследование динамики авроралымх форм на разных фазах суббури и установление связи с процессами в магнитосфере /перестройка магнитного поля, вариации электрических полей и энергии/, изучение процессов, связанных с аномальным сопротивлением по данным о пульсациях и полярных сияниях. Содержание диссертации составляет решение этой проблемы в основном на базе телевизионных данных и аскафдльмов полярных сияний. В работе также бшш использованы спектральные, магнитные и фотометрические данные.

На защиту выносятся:

1. Положение о том, что развитие магнитосферной суббури контролируется вариациями вихревой Е„ и потенциальной Вт компонент магни-

тосферного. электрического поля, которые могут быть разделены по наблюдениям за движением авроральных дуг; для авроральных форм, источники которых находятся на замкнутых силовых линиях-, движение к экватору определяется изменением потенциальной компоненты электрического поля, а движение сияний, обусловленное процессами в области пересоединения во время взрывной фазы, позволяет следить за изменением вихревой компоненты.

2. Положение о том, что за несколько минут до начала брейкапа наблюдается затухание в дуге и окружающем ее фоновом свечении /исследована структура затухания/.

3. Положение о том, что черные сияния являются специфическим проявлением полярных сияний и могут быть использованы для изучения продольных электрических полей. /Дана классификация черных сияний/.

Научная новизна работы заключается в том, что предложен метод, позволяющий по наблюдениям полярных сияний во время суббури разделять вихревую и потенциальную компоненты электрического поля в магнитосфере и исследовать эти поля.

Впервые исследована морфология черных сияний и предложена их классификация.

Детально изучена структура затухания сияний перед .брейкапом и тонкая.структура приполюсной границы в фазу расширения.

Научная и практическая значимость. Результаты исследований, проведенных, в диссертации, важны для понимания процессов в магнитосфере и ионосфере во время суббури. Они могут быть учтены при разработке комплексных программ по изучению околоземной плазмы и магнито-сферно-ионосферного взаимодействия. Экспериментальные данные по тонкой структуре сияний во время суббури дают возможность усовершенствовать модель пересоединения магнитных силовых линий в хвосте магнитосферы.

Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке задачи, отборе экспериментального материала, его обработке, выполнении расчетов и интерпретации полученных результатов. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами. Автором самостоятельно сформулированы положения, выносимые на защиту.

Реализация работы. Работа выполнена в рамках плана научно-исследовательских работ Полярного геофизического института Кольского научного центра.

Результаты исследований вошли в ряд научных отчетов ПГИ по темам: Исследование пространственных вариаций параметров полярных сияний в широком временном интервале и их связь с другими геофизически-

ми явлениями, № гос. регистрации 01860046402; Исследование динамических характеристик полярных .сияний, № гос. регистрации 81055450; Исследование полярных сияний с целью дополнения модели; Экспериментальные исследования оптического излучения верхней полярной атмосферы в широком диапазоне спектра.

Адробадия работа. Результаты работы представлялись на Всесоюзных семинарах в Апатитах в 1981 и 1991 гг., на Международных конференциях по исследованию верхней атмосферы оптическими методами в Дублине в 1980 г. и в Тромсе в 1991 г., на Всесоюзном совещании по итогам выполнения проекта МИМ в -Ашхабаде в 1981 г., на Международном симпозиуме по полярным геомагнитным явлениям в Суздале в 1986 г., на Научной ассамблее НАГА в Эдинбурге в 1987 г., на Конгрессе по космическому пространству в Вашингтоне в 1992 г., на научных семинарах в Полярном геофизическом институте..

■ Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Диссертация содержит 150 страниц машинописного текста, 43 рисунка, 1 таблицу, библиографию из 156 ниаменований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОЙ

Во введении сформулирована цель работы, ее актуальность, практическая и научная значимость, научная новизна полученных результатов, положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе дается обзор современных представлений об авро-ральной суббуре, описана схема развития суббури в дискретных полярных сияниях, согласно которой в суббуре выделено три фазы: подготовительная, взрывная и фаза восстановления. Показана роль электрических полей в развитии магнитосферной суббури и их связь с полярными сияниями. Дано описание магнитосферной суббури с точки зрения процессов передачи энергии из солнечного ветра в магнитосферу.

Для объяснения физических закономерностей иагнитосферной суббури привлечена модель импульсного пересоединения магнитных силовых линий в плазменном слое хвоста магнитосферы и. рассмотрена сущность этой модели. Возможность экспериментальной проверки некоторых следствий модели, проявляющихся в полярных сияниях, и их количественной оценки позволили сформулировать конкретные задачи, решению которых посвящены следующие главы диссертации.

Во второй главе в основном рассмотрена динамика дискретных форм полярных сияний на предварительной и взрывной фазах суббури и ее

связь с электрическими полями. В связи с тем, что структура, динамика и интенсивность полярных сияний отражают воздействие электрических полей разной физической природы, на основании модели импульсного пересоединения силовых линий магнитного поля в плазменном слое хвоста магнитосферы предложен метод разделения потенциальной и вихревой компонент электрического поля в магнитосфере по наблюдениям движения сияний.

Проанализировано движение сияний на предварительной фазе суббури по аскафильмам сияний и получено распределение потенциальной компоненты электрического поля с учетом того, что экваториальное движение сияний определяется направленным с утра на вечер электрическим полем в магнитосфере.

Детально изучено движение дуг и вариации интенсивности дуги и фонового свечения в период их затухания перед брейкапом. Сходстйо поведения вариаций интенсивности свечения дуги и фона говорит о том, что электрическое поле, если оно связано с затуханием, действует в значительной части плазменного слоя.

Далее рассмотрена структура овала полярных сияний во время взрывной фазы суббури и показано, что в меридиональном сечении овала в это время наблюдается два максимума вероятности появления дискретных форм около границ области свечения с большим максимумом у приполюсной границы. Обнаружено, что скорость экваториального движения дискретных.форм сияний увеличивается с широтой. Анализ телевизионных данных с высоким временным и пространственным разрешением показал, что существуют короткоживущие дуги с временем жизни около 1 минуты и менее, они движутся к экватору со значительно большими скоростями, чем долгоживущие■и их время жизни обратно пропорционально скорости движения. По полученному распределению скоростей движения дуг к экватору в активную фазу рассчитано распределение интенсивности потенциальной компоненты электрического поля в магнитосфере, которое, как и в предварительную фазу, оказалось неоднородным вдоль хвоста магнитосферы.

Особое внимание уделено распространению сияний к полюсу во время взрывной фазы суббури по телевизионным данным. Оно имеет значительно более сложный характер, чем "наслоение" дуг в более высокие широты, как считалось ранее. Вначале брейкапа наблюдается быстрое движение самих дуг к полюсу с большими скоростями, при этом прослеживается тенденция уменьшения скорости по мере продвижения к полюсу. Когда развитие аврорального возмущения приближается к максимуму, сияния к полюсу смешаются в основном скачками, относительно медленно

докатываясь до предельной широты. При этом дуги, возникая, либо стоят на месте, либо начинают двигаться к экватору.

На основании закономерностей, проявляющихся в движении дуг к полюсу на приполюсной кромке овала, рассмотрены вариации интенсивности вихревой компоненты электрического поля во взрывную фазу. Оказалось, что вихревое электрическое поле максимально в начале брейка-па и направлено с утра на вечер как и потенциальное поле, затем быстро спадает и меняет знак на фазе восстановления.

По вариациям потенциального и вихревого электрических полей, рассчитан энергетический бюджет'суббури и показано, что потенциальная компонента, определяемая процессами непосредственного воздействия солнечного ветра на магнитосферу, передает энергию в плазменный слой приблизительно с постоянной скоростью во время взрывной фазы и фазы'восстановления; вихревая компонента, связанная с процессами накопления и высвобождения энергии вносит максимальный энергетический вклад в начале бреАкала и быстро спадает со временем. Через " 15 минут действие потенциального поля становится преобладалним в энергетике суббури.

В конце главы оценена ошибка в расчетах величины полей по движению сияний, возникающая в результате пренебрежения продольными полями; она составляет ~ 25 %.

Третья глава посвящена изучению аномального сопротивления и продольных электрических полей по наземным данным: телевизионным наблюдениям полярных сияний и параметрам геомагнитных пульсаций P¿2.

В предположении, что длительность цугов РС2 определяется наряду

с другими параметрами сопротивлением магнитосферной плазмы и, следовательно, оно должно сказываться на величине декремента затухания ¥12 во время суббури, исследована эволюция декремента затухания Р*2 в ходе суббури и изменение периодов Р12. Оказалось, что в момент, близкий к началу брейкапа, сопротивление магнитосферной плазмы возрастает примерно на полпорядка, достигая некоторой предельной величины для каждой суббури, что» по-видимому, соответствует периоду максимального развития аномального сопротивления в магнитосферной плазме; с развитием взрывной фазы аномальное сопротивление резко уменьшается. •

Важным объектом исследования третьей главы являются черные сияния, представляющие собой отсутствие свечения на диффузном фоне. Подробно описаны наблюдавшиеся типы черных сияний, проявляющихся как в виде дискретных форм, так и в вице разного рода пространственно-временных пульсаций. Дана классификация черных сияний и измерены

скорости движения, время жизни и ширина черных полос и дуг. На основании морфологических особенностей черных сияний приведены доказательства, подтверждающие, что черные сияния являются особым физическим явлением, как и обычные сияния. По аналогии с дугами обычных сияний дня объяснения черных дут предложено рассматривать модель потенциального двойного электростатического слоя, электрическое поле в котором направлено противоположно электрическому полю в обычном двойном слое.

По скоростям движения неоднородностей свечения около дуг черных сияний оценены величины продольной разности потенциалов в окрестностях дуги на уровне ионосферы. Для черных полос и дуг, .находящихся вблизи обычных активных сияний эти оценки совпадают по величине с продольной разностью потенциалов в обычных двойных слоях, а для дуг и полос черных сияний на диффузном фоне они на порядок меньше. Такие формы черных сияний, как дуги и полосы, можно использовать для исследования двойных слоев и продольных электрических полей.

В заключении приведены основные результаты работы, которые состоят в следующем:

1. Предложен метод, позволяющий по наземным наблюдениям полярных сияний разделять потенциальную и вихревую компоненты электрического поля в магнитосфере и показано, что движение авроральных форм к экватору, источники которых находятся на замкнутых силовых линиях магнитного поля, позволяет следить за изменением потенциальной компоненты электрического поля, а движение сияний, связанных с областью пересоединения'во время взрывной фазы, - за изменением вихревой компоненты, исследовано поведение электрического поля во время суббури.

2. Исследование энергетики суббури по вариациям электрических полей в магнитосфере показало, что в начале брейкапа в энергетику суббури больший вклад вносит вихревая компонента магнитосферного электрического поля, быстро спадающего со временем, затем преобладает влияние потенциального поля. Суммарная энергия, вносимая вихревым полем в область плазменного слоя в хвосте магнитосферы, связанную с авроральным овалом за время активной фазы для среднестатистической суббури составляет 0.7»10^ эрг, а потенциальным полем 0.3-1021 эрг.

3. Обнаружено, что перед началом брейкапа наблюдается затухание свечения в дуге и окружающем ее фоне. Затухание в дуге происходит

за ~ 4 минуты до начала брейкапа, а в фоновом свечении на 1-2 минуты раньше, чем в дуте. Затуханию предшествует небольшое увеличение яркости /примерно за 7 минут до начала брейкапа/ в фоне и дуте. Глубина затухания в дуте ~ 30 % от среднего уровня свечения дуги в предварительную фазу, а в фоне ~ 20 %.

4. Исследована тонкая структура приполюсной границы сияний в активную фазу по телевизионным данным и показано, что картина формирования и движения дуг на приполюсной границе овала значительно сложнее, чем последовательное возникновение все Солее высокоширотных дуг. В начальной стадии брейкапа преобладает движение дуг к полюсу с большими скоростями, тогда как вблизи максимума магнитной бухты распространение к полюсу осуществляется скачками. Длительность существования .дискретных дуг ~ 1 минуты, время между появлением дуг имеет в распределении максимумы на 30 и 130 с, расстояние между возникающими дугами ~ 50 км.

5. Описаны разные формы черных сияний и дана их классификация. Показано, что черные сияния являются не просто провалом в диффузном свечении, а особым явлением, аналогичным обычным сияниям, что подтверждает сходство динамики и форм черных и обычных сияний, характерное движение неоднородностей в фоновом свечении, появление в спектре сияний водородных эмиссий вблизи черных полос и изменение направления и скорости движения неоднородностей в обычных сияниях при появлении около них черных полос. В качестве механизма, объясняющего появление черных дуг, предложено рассматривать двойные потенциальные слои с электрическим полем, направленным противоположно направлению электрического поля в обычных двойных слоях. Оцененная по скоростям движения неоднородностей продольная разность потенциалов в двойных слоях, связанных с черными полосами и дугами, находящимися вблизи активных сияний ~ 2.5 кВ, а для черных полос на диффузном фоне на порядок меньше.

6. По декременту затухания пульсаций Р£2 исследовано изменение аномального сопротивления магнитосферной плазмы в ходе суббури и показано, что перед началом брейкапа или за несколько минут до него аномальное сопротивление резко возрастает примерно в 5 раз, достигая некоторой предельной величины, что обусловлено сильной турбулизацией магнитосферной плазмы в момент начала брейкапа.

. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Зверев В.Л., Корнилова Т.А., Пудовкин М.И., Старков Г.В. Широтный ход скорости дуг полярных сияний // Геомагнетизм и аэрономия.-1988.- т.28.- № 6,- с.1031-1033.

2. Корнилоза Т.А., Пудовкин М.И., Старков Г.В. Затухание сияний перед брейкапом // Геомагнетизм и аэрономия,- 1989.- т.29.- .>£ 3.-с.503-506.

3. Зверев В.Л., Корнилова Т.А., Старков Г.В. Меридиональная структура аврорального овала во время суббури // Морфология и физика полярных сияний. Изд. КНЦ, Апатиты.- 1988.- с.77-82.

4. Корнилова Т.А., Пудовкин М.И., Старков Г.В. Тонкая структура сияний вблизи полярной границы авроральной выпуклости в фазу брейкада // Геомагнетизм и аэрономия.- 1990.- т.30.- № 2.~ с.250-254.

5. Pudovkin Ы.1., Semeaov T.S., .Starkov G.V., Kornilova Т.А. -Auroral dynamics and electric fields during substorm // Proceedings of the 18^ annual meeting on the upper atmosphere by optical methods. Homay, TromsS,17-21 June, 1991.- p.22.

6. Корнилова Т.А., Пудовкин М.И. Вариации параметров пульсаций Р¿2 с развитием суббури // Геомагнетизм и аэрономия,- 1973.- т.15,-й 2, с.327-330.

7. KOrxtilova Т.А., Chernouss S.A., Pudovkin M.I. Black auroras // Полярные геомагнитные возмущения и связанные с ними явления. Изд. КФАН СССР, Апатиты.- 1989,- с.91-95.- Abstracts of Proceedings of international symposium polar geomagnetic phenomena, May 25-31, 1986, Souzdal, TISSE, p.53.

8. Pudovkin U.I., Senenov V.S., Kornilova Т.Д., Kozelova T.V. The development of a magnetospheric substorm; Theory and experiment, XI.// Исследования по геомагнетизму и аэрономиии и физике солнца. Изд. Наука.- 1990.- бып.89,- с.28-57.

9. Pudovkin M.I., Semenov V.S., Starkov G.V., Eornilova T.A.

On separation of the potential and vertex parts of the magne-totail electric field // Planet. Space Sci.- 1991,- v.39.-S 4.- p.563-568.