Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геомагнитные вариации на геостационарной орбите в точке стояния ИСЗ "Электро"

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Геомагнитные вариации на геостационарной орбите в точке стояния ИСЗ "Электро""

На правах рукописи

ВОРОНИН Александр Алексеевич

Геомагнитные вариации на геостационарной орбите в точке стояния ИСЗ «Электро»

Специальность 25.00.29 - «Физика атмосферы и гидросферы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

3 МАЯ 2012

Москва 2012

005018864

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении «Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Писанко Юрий Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Калегаев Владимир Владимирович

кандидат физико-математических наук Гудкова Валентина Александровна

Ведущая организация:

ИЗМИР АН

Защита состоится 23 мая 2012 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 327.008.01 при Институте прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова под адресу: 129128, г. Москва, ул. Ростокинская, д.9

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ФГБУИПГ" по адресу: 129128, г. Москва, ул. Ростокинская, д.9.

года

Ученый секретарь диссертационного совета:

к.ф.-м.н.

Е.Н.Хотенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Формулировка проблемы и её актуальность

Геомагнитные измерения с борта геостационарных искусственных спутников Земли (ИСЗ) за рубежом начали проводить с конца шестидесятых годов прошлого века. В настоящее время такие измерения, при которых магнитовариационная станция выносится непосредственно в область нахождения токовых систем околоземного космического пространства, то есть - в область расположения внешних источников геомагнитного поля, доступны в реальном времени и составляют неотъемлемый элемент информационного обеспечения работы национальных и международных служб диагностики и прогноза «космической погоды». Именно последним обстоятельством, в значительной степени, определяется актуальность проведения указанных измерений и интерпретации получаемых при этом магнитограмм в точках стояния геостационарных ИСЗ.

Первым отечественным геостационарным ИСЗ, в число задач которого входило и измерение геомагнитного поля в точке стояния, был метеорологический ИСЗ «Электро», запущенный с космодрома Байконур ракетой-носителем "Протон" 31 октября 1994 года. Точка стояния ИСЗ - на экваторе на 76 градусе восточной долготы -находилась над Индийским океаном к югу от Индии.

Инспекция полученных с борта ИСЗ «Электро» магнитограмм показала наличие как пропусков в данных геомагнитных измерений, так и участков данных, значения геомагнитного поля на которых выходили за пределы динамического диапазона магнитометра (±180 нТл). Кроме того, измеренные значения компонент геомагнитного поля (находящиеся в пределах динамического диапазона) в точке стояния ИСЗ «Электро» существенно отличались от их значений, ожидаемых из моделей геомагнитного поля, что могло быть следствием нештатной ориентации немагнитной штанги, на которой были смонтированы датчики магнитометра.

Задачи диссертационной работы

Исходя из вышеизложенного, задачи данной диссертационной работы формулировались следующим образом:

1. Разработать метод определения фактической ориентации немагнитной штанги, на которой были смонтированы датчики бортового магнитометра, относительно системы координат ИСЗ, основанный на требовании максимального совпадения измеренного и модельного единичных векторов геомагнитного поля в точке стояния на магнитоспокойных интервалах.

2. Разработать процедуру коррекции данных измерений геомагнитного поля в точке стояния ИСЗ на нештатную ориентацию немагнитной штанги.

3. На основе решения первых двух задач восстановить набор данных геомагнитных измерений в точке стояния за весь период проведения измерений.

4. Оценить возможности использования восстановленного набора данных геомагнитных измерений для исследования геомагнитных вариаций, наблюдаемых в точке стояния ИСЗ и при благоприятных обстоятельствах провести такое исследование.

Научная новизна работы

Предложен оригинальный метод определения фактической ориентации немагнитной штанги, на которой были смонтированы датчики бортового магнитометра, относительно системы координат ИСЗ, основанный на требовании максимального совпадения измеренного и модельного единичных векторов геомагнитного поля в точке стояния на магнитоспокойных интервалах. Предложена оригинальная процедура коррекции данных измерений геомагнитного поля в точке стояния ИСЗ на нештатную ориентацию немагнитной штанги, с помощью которой удалось восстановить набор данных первых российских геомагнитных измерений в точке стояния на геостационарной орбите за весь период проведения измерений с марта 1997 года по август 1998 года. Впервые по данным геомагнитных измерений с борта российского геостационарного ИСЗ удалось идентифицировать геомагнитные пульсации Рс-5 на геостационарной орбите.

Научная н практическая ценность работы

Научную и практическую ценность работы можно сформулировать следующим образом:

1. Удалось восстановить для использования в научных исследованиях все данные геомагнитных измерений (с марта 1997 года по август 1998 года), впервые проведённых с борта российского геостационарного ИСЗ.

2. Впервые по данным российских геомагнитных измерений на геостационарной орбите удалось идентифицировать геомагнитные пульсации Рс-5.

3. Разработанный в диссертации метод определения фактической ориентации немагнитной штанги, на которой смонтированы датчики бортового магнитометра, может быть использован для восстановления полезной магнитометрической информации при нештатных ситуациях на геостационарных ИСЗ.

4. Анализ восстановленного набора бортовых магнитограмм показал, что длины немагнитной штанги ~ 3 метра недостаточно для того, чтобы полностью исключить влияние помех, создаваемых функционированием бортовых систем ИСЗ, на измерение геомагнитных вариаций в точке стояния.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод определения фактической ориентации немагнитной штанги, на которой были смонтированы датчики бортового магнитометра, относительно системы координат ИСЗ, основанный на требовании максимального совпадения измеренного и модельного единичных векторов геомагнитного поля в точке стояния на магнитоспокойных интерпалах.

2. Процедура коррекции данных измерений геомагнитного поля в точке стояния ИСЗ на нештатную ориентацию немагнитной штанги, с помощью которой удалось восстановить набор данных первых российских геомагнитных измерений в точке стояния на геостационарной орбите за весь период проведения измерений с марта 1997 года по август 1998 года.

3. Факт идентификации геомагнитных пульсаций Рс-5 по данным первых российских геомагнитных измерений на геостационарной

орбите.

Личный вклад автора

Все представленные к защите результаты, а именно:

1. Метод определения фактической ориентации немагнитной штанги, на которой были смонтированы датчики бортового магнитометра, относительно системы координат ИСЗ, основанный на требовании максимального совпадения измеренного и модельного единичных векторов геомагнитного поля в точке стояния на магнитоспокойных интервалах.

2. Процедура коррекции данных измерений геомагнитного поля в точке стояния ИСЗ на нештатную ориентацию немагнитной штанги, с помощью которой удалось восстановить набор данных первых российских геомагнитных измерений в точке стояния на геостационарной орбите за весь период проведения измерений с марта 1997 года по август 1998 года.

3. Факт идентификации геомагнитных пульсаций Рс-5 по данным российских геомагнитных измерений на геостационарной орбите.

получены лично автором. В печатных работах, опубликованных совместно с другими соавторами, все соавторы внесли в эти работы одинаковый вклад.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит 132 страницы, 58 рисунков, 7 таблиц и 1 приложение. Список литературы насчитывает 111 наименований.

Во Введении сформулирована тема диссертации, обоснована её актуальность, обозначены задачи работы, направления исследований и основные положения, выносимые на защиту. Показана новизна полученных результатов, их научная и практическая ценность, а также описана структура диссертационной работы.

Первая глава диссертации представляет собой обзор литературы, относящейся к теме диссертации. Дано определение магнитосферы и перечислены особенности её структуры. Описаны основные трёхмерные

токовые системы магнитосферы, а также физическая природа дрейфов заряженных частиц в геомагнитном поле и геомагнитных пульсаций. Перечислены основные типы волн в магнитосфере, включая альвеновские и магнитозвуковые волны. Для иллюстрации особенностей распространения звуковых волн в магнитосфере используется аналогия со звуковыми волнами в воздухе. Быстрые магнитозвуковые волны распространяются поперёк геомагнитного поля и переносят волновую энергию между различными магнитными L-оболочками. При рассмотрении альвеновских волн на геомагнитных силовых линиях используется аналогия с волнами сдвига на натянутой струне. Поскольку смещение линии поля нечётных гармоник симметрично относительно экватора, нечётные гармоники называются симметричными модами (чётные гармоники антисимметричны). Источники, смещающие поле вблизи экватора, возбуждают, в основном, симметричные нечётные гармонические моды. Ионосфера служит для альвеновских волн, распространяющихся вдоль линий поля, хорошим «зеркалом», так что эти волны, отражаясь туда и обратно между северным и южным концами геомагнитных силовых линий, формируют стоячую альвеновскую волну аналогичную колебаниям струны, закреплённой на обеих концах. Для чисто поперечной стоячей волны есть два независимых колебания: тороидальная мода, в которой возмущение магнитного поля является чисто азимутальным, и полоидальная мода, в которой возмущение магнитного поля является чисто радиальным на экваторе. За исключением тороидальной фундаментальной моды периоды полоидальных и тороидальных мод практически одинаковы. В интервале геоцентрических расстояний между 5 и 10 радиусами Земли период тороидальной фундаментальной моды изменяется пропорционально квадрату геоцентрического расстояния. Таким образом, силовые линии геомагнитного поля во внутренней магнитосфере - это непрерывный набор резонаторов, каждый из которых может осциллировать на нескольких гармониках в двух почти не связанных друг с другом режимах: тороидальном и полоидалыюм. В принципе, частота возбуждённых колебаний не имеет верхнего предела, но резонансные частоты свыше 0,1 Гц (период 10 сек) не наблюдались. Фундаментальная тороидальная мода (почти синусоидальные колебания, в основном, западно-восточной компоненты поля) имеет узел (áBx=0) на экваторе, а вторая тороидальная гармоника на экваторе имеет пучность (<5Bi=max). Период фундаментальной моды - примерно 200 сек (5 мГц); гармоники проявляются в интервале периодов от 20 сек до 50 сек (50-20 мГц). Полоидальные моды преимущественно радиальны, а их период (от 50 сек до 100 сек) позволяет предположить, что это, возможно, вторая гармоника. Фундаментальная тороидальная мода, по-видимому, возбуждается неустойчивостью Кельвин-Гельмгольца (неустойчивость

ветер-вода), возникающей при сдвиговых течениях плазмы с внешней или внутренней стороны боковой границы магнитосферы. Источник тороидальных гармонических мод - крупномасштабные (в азимутальном направлении) внешние вариации давления в переходной области. Полоидальные моды попадают в баунс-резонапс с энергичными ионами, то есть источником энергии для этих волн являются баунс-колебания энергичных ионов. Кроме резонансов в магнитосфере есть ещё два типа волн - это волны сжатия с периодами от 2 до 10 минут и ионно-циклотронные волны с частотами от 0,1 до 4 Гц. Волны сжатия проявляются в значительных осцилляциях северо-южной компоненты геомагнитного поля. Чаще всего они наблюдаются в сумерки и поздним вечером на больших Ь вблизи экватора. Преобладание волновой активности данного типа на ночной стороне и к западу свидетельствует в пользу того, что за возбуждение этих волн отвечают ионы, инжектированные на ночной стороне (ионы в геомагнитном поле дрейфуют к западу). Обычно такие инжекции происходят во время магнитных бурь. Источник энергии волн сжатия - дрейфовая неустойчивость границы раздела плазма-магнитное поле. Ионные циклотронные волны асоциируются с ионной циклотронной неустойчивостью магнитосферной плазмы. Геомагнитные пульсации подпитываются энергией взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой и эта переданная пульсациям энергия в конечном итоге днссипирует в ионосфере.

Вторая глава диссертации посвящена использованным автором наборам данных измерений. Дано описание устройства и принципа действия бортового магнитометра геостационарного ИСЗ «Электро». Описан использованный в диссертации набор магнитометрических данных измерений в точке стояния геостационарного ИСЗ «Электро» с марта 1997 года по август 1998 года. Система координат этого ИСЗ фиксирована относительно ИСЗ и вращается вместе с ним в экваториальной плоскости. Ось Ъ ориентирована параллельно оси вращения Земли с положительным направлением на север. Ось X ориентирована в положительном направлении на восток. Ось У ориентирована радиально с положительным направлением от Земли (в зенит). Данные измерений - это минутные значения трёх компонент геомагнитного поля в точке стояния. Для работы с данными измерений в диссертации была написана специальная программа, описанная в приложении. Инспекция данных выявила сильное различие измеренных и модельных (модель Алексеева-Калегаева) данных в точке стояния. Была высказана гипотеза о том, что это различие может быть следствием нештатной ориентации немагнитной штанги, на которой были смонтированы датчики магнитометра. Установить фактическую

ориентацию штанги относительно системы координат ИСЗ можно, потребовав совпадения среднесуточных значений измеренных и модельных единичных векторов магнитного поля на магнито спокойных интервалах. Описаны индексы геомагнитной активности и параметры солнечного ветра, которые служат для выбора магнитоспокойных интервалов и в качестве управляющих параметров в моделях магнитосферы, используемых в диссертации.

В третьей главе диссертации описан метод определения фактической ориентации немагнитной штанги, на которой смонтированы датчики магнитометра, относительно системы координат ИСЗ, а также процедура коррекции данных магнитометрических измерений в точке стояния на нештатную ориентацию немагнитной штанги. В диссертации для моделирования геомагнитных вариаций в точке стояния геостационарного ИСЗ «Электро» использовалась магнитостатическая модель Алексеева-Калегаева, в которой учитываются следующие источники геомагнитного поля: кольцевой ток, токи на магпитопаузе, токи внутри Земли, токи в хвосте магнитосферы, продольные токи. В качестве управляющих параметров модель использует дату и время, координаты точки околоземного космического пространства, в которой производится расчёт, скорость и плотность солнечного ветра, Д?/ и АЬ индексы геомагнитной активности, а также северо-южную составляющую межпланетного магнитного поля. Корректировка магнитометрических данных, полученных с борта ИСЗ «Электро», возможна, если удастся определить фактическую ориентацию немагнитной штанги спутникового магнитометра относительно системы координат ИСЗ. Определить фактическую ориентацию штанги магнитометра можно, сравнивая измеренные единичные векторы магнитного поля с единичными векторами, получаемыми в точке стояния ИСЗ «Электро» из модели геомагнитного поля, на спокойных в геомагнитном отношении интервалах времени. Для устранения влияния суточного хода геомагнитного поля, который наблюдается на геостационарной орбите даже в магнитоспокойные дни, следует при определении фактической ориентации немагнитной штанги пользоваться среднесуточными значениями измеренного и модельного полей. Среднесуточные значения компонент поля, полученные из модели ЮЯК остаются практически постоянными на протяжении всего времени работы бортового магнитометра, что естественно, поскольку в модели ЮЯР не учитываются основные источники поля на больших геоцентрических расстояниях. Эти внешние источники поля учитываются в модели Алексеева-Калегаева, которая поэтому и была выбрана для использования в процедуре определения фактической ориентации штанги магнитометра относительно системы координат

ИСЗ. Предполагается, что система координат бортового магнитометра (вследствие нештатной ориентации его немагнитной штанги) повёрнута относительно осей системы координат ИСЗ на некоторые углы Эйлера. Для устранения систематической ошибки в данных магнитометрических измерений, связанной с нештатной ориентацией штанги магнитометра, необходимо преобразованием поворота координатной системы бортового магнитометра совместить измеренный н модельный единичные векторы геомагнитного поля в точке стояния. Из всего массива данных измерений геомагнитного поля бортовым магнитометром ИСЗ «Электро» для определения фактической ориентации немагнитной штанги были выбраны магнитоспокойные интервалы, на которых значения трёхчасового индекса геомагнитной активности ар не превышали 7. По теореме Эйлера для совмещения измеренного в точке стояния единичного вектора геомагнитного поля с модельным единичным вектором необходимо умножить измеренный единичный вектор на произведение пяти матриц поворота. Углы Эйлера, задействованные в этих матрицах поворота, вычислялись на всех магнитоспокойных участках, которые удалось идентифицировать в магнитометрических данных измерений. Результаты расчётов углов Эйлера показали, что ориентация штанги магнитометра хотя и была нештатной, но оставалась постоянной в течение всего периода проведения геомагнитных измерений. В 1997-98 годах геостационарный ИСЗ «Электро» дважды переворачивали, что естественным образом подразделяет весь набор магнитометрических данных на три периода, отделённых друг от друга переворотами ИСЗ. Внутри каждого из этих трёх периодов значения вычисленных углов Эйлера практически не изменялись, что позволило использовать при корректировке измеренных магнитометрических данных усреднённые по каждому из таких периодов значения вычисленных углов Эйлера. По вычисленным углам Эйлера были пересчитаны измеренные бортовым магнитометром в точке стояния минутные значения трёх составляющих геомагнитного поля. Как и следовало ожидать, скорректированные минутные данные магнитных измерений, в целом, повторяют поведение модельного поля в 199798 годах, что свидетельствует о том, что гипотеза о неточной ориентации немагнитной штанги бортового магнитометра относительно системы координат ИСЗ нашла своё подтверждение.

Четвёртая глава диссертации посвящена геомагнитным вариациям в точке стояния ИСЗ «Электро». Даётся характеристика геомагнитных вариаций на геостационарной орбите по результатам измерений в точках стояния американских геостационарных спутников. В своей суточной вариации Ъ компонента максимальна в местный полдень и минимальна в местную полночь. Амплитуда суточной вариации 2. компоненты

составляет (35-45) нТл; амплитуда суточных вариаций X и У компонент - (6-18) нТл. Поведение поля во время магнитных бурь на геостационарной орбите на начальной и главной фазах бурь мало отличается от его поведения на земной поверхности. Однако, поле на геостационарной орбите восстанавливается эффектами кольцевого тока значительно быстрее, чем на земной поверхности. Определяющий вклад в геомагнитную возмущённость на геостационарной орбите вносят эффекты суббурь, наиболее сильные в предполуночное время. На магнитограммах Z и \ компонент начальная фаза суббури характеризуется сначала уменьшением значений поля, а затем их быстрым возвращением к спокойному уровню; с этим быстрым возрастанием Ъ и У компонент ассоциируются возмущения в X компоненте, которые, по-видимому, обусловлены продольными токами. На геостационарной орбите за (1-4) часа до начала взрывной фазы суббури наблюдается постепенное уменьшение значений Ъ компоненты. Максимальное значение понижения Ъ компоненты составляет 30-50 нТл от спокойного уровня; значение Z компоненты может оставаться на этом минимальном уровне в течение трёх часов. Затем Ъ компонента относительно быстро (в течение ~ 15 минут) восстанавливается до первоначального уровня. Это восстановление величины Ъ компоненты на геостационарной орбите происходит одновременно с началом магнитной суббури. Таким образом, существует принципиальная возможность прогнозирования суббуревой активности с заблаговременно стыо 1-4 часа по данным измерений Ъ компоненты геомагнитного поля на геостационарной орбите. Магнитопауза пересекает геостационарную орбиту в редких случаях. Амплитуда геомагнитных пульсаций Рс-1,2 на геостационарной орбите составляет (1-2) нТл, амплитуда пульсаций Рс-3 - до 2 нТл, амплитуда пульсаций Рс-4,5 - до 3 нТл. Форма колебаний Рс-4,5 - квазисинусоидальная с резкими началом и концом, а в их спектре обычно более чётко выражена одна спектральная составляющая. Из всего набора скорректированных минутных данных магнитных измерений в точке стояния ИСЗ «Электро» за 1997-98 годы были выбраны непрерывные участки - вследствие нестабильной работы бортового магнитометра в данных измерений имеются частые лакуны. Максимальная длина непрерывного участка, которую удалось выделить, составляет 360 минут (6 часов). При анализе непрерывных участков данных измерений было замечено, что в компонентах геомагнитного поля присутствуют прямоугольные импульсы, повторяющиеся в разные дни в одно и то же время. Было сделано предположение, что такие импульсы — это реакция магнитометра на включение/выключение бортовых систем ИСЗ. Они свидетельствуют о недостаточной длине 3 метра) немагнитной штанги и представляют собой помеху при анализе геомагнитных

вариаций, наблюдаемых в точке стояния ИСЗ. Поэтому анализ наблюдаемых в точке стояния ИСЗ «Электро» геомагнитных вариаций проводился только на участках данных, не содержащих прямоугольных импульсов. Это значительно сократило число пригодных для анализа участков непрерывных данных, а также длительность многих таких участков. На одном из пригодных для анализа участков длительностью 6 часов видно, что измеренные значения Z компоненты возрастают по мере приближения к местному полудню в точке стояния ИСЗ. За эти шесть часов величина Z компоненты возросла примерно на 20 нТл (то есть примерно на половину амплитуды своей суточной вариации на геостационарной орбите). На другом шестичасовом интервале величина Z коспоненты уменьшилась на 15 нТл по мере приближения к местной полночи. Недостаточная длительность непрерывных участков минутных данных геомагнитных измерений в точке стояния и узкий частотный диапазон (1-7 мГц), представляющий интерес с точки зрения идентификации геомагнитных пульсаций Рс-4 и Рс-5 малой амплитуды, накладывают значительные ограничения на выбор подходящего цифрового фильтра и оконной функции. В качестве оптимального для решения задачи идентификации геомагнитных пульсаций Рс-4 или Рс-5 в точке стояния ИСЗ «Электро» был выбран фильтр Чебышева II рода. Его использование позволило идентифицировать геомагнитные пульсации Рс-5 в данных первых российских геомагнитных измерений на геостационарной орбите.

В заключении содержатся выводы и основные результаты диссертации. Сформулированы предложения о возможном применении результатов, полученных в диссертации.

В приложении описана программа обработки данных магнитометрических измерений, разработанная в диссертации, даётся описание интерфейса этой программы и инструкции по её эксплуатации.

Апробация диссертационной работы

Результаты, полученные и описанные в диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях, посвященных 70-летию первой дрейфующей экспедиции СП-1 (Москва, 2009), 100-летию со дня рождения академика Е.К.Федорова (Москва, 2010), 55-летию Института прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова (Москва, 2011), на заседании одиннадцатой Баксанской молодежной школы по экспериментальной и теоретической физике (Нальчик, 2010), а также на заседании IV Magnetometer Workshop (Siguenza, Guadalajara, Spain, 2011).

Основные результаты, изложенные в диссертации, были опубликованы в журналах из списка ВАК «Труды Главной геофизической обсерватории имени А.И.Воейкова» (2012, вып.564), «Гелиогеофизические исследования» (2012, №1), а также в научных сборниках «Труды ИПГ» (2008, вып.86, 2010, вып.88, 2011, вып.90), «Труды одиннадцатой Баксанской молодёжной школы по экспериментальной и теоретической физике» и в «Proceedings of the IV Magnetometer Workshop».

Список работ автора по теме диссертации

1. Воронин A.A., Попытка определения параметров, характеризующих ориентацию геостационарного спутника «Электро» по данным бортовых магнитометрических измерений, Труды ИПГ- 2008, вып.86, с.23-28

2. Воронин A.A., Определение ориентации геостационарного спутника «Электро» с использованием модели Алексеева-Калегаева, Труды ИПГ - 2010, вып.88, с.46-50

3. Воронин A.A., Геомагнитные пульсации в точке стояния метеорологического геостационарного спутника «Электро», Труды ИПГ-2011, вып.90, с. 111 -117

4. Воронин A.A., Геомагнитные пульсации на геостационарной орбите 1997-1998 гг по данным измерений геостационарного спутника «Электро», Тезисы лекций и докладов всероссийской конференции «11-я Баксанская молодёжная школа экспериментальной и теоретической физики» БМШ ЭТФ-2010, М., МИФИ, 2010, с.9

5. Воронин A.A., Коррекция магнитометрических данных, полученных с борта метеорологического геостационарного спутника «Электро», Труды ГГО, вып.564, 2012, с. 268-278

6. Воронин A.A., Геомагнитные пульсации в точке стояния метеорологического геостационарного спутника «Электро», Труды ГГО, 2012, в печати

7. Воронин A.A., Идентификация геомагнитных пульсаций Рс-5 в точке стояния метеорологического геостационарного спутника «Электро», Гелиогеофизические исследования (электронный журнал), 2012, № 1

8. Zarutsky, A.A., Shablin, Ju.P., Kocherov, S.A., Voronin, A.A., Pisanko, Yu.V., Svidsky, P.M., Results of Flight Tests of the Magnetometer for the Geostationary Project "Electro-L", Proceedings of the IV Marnetometer Workshop, Siguenza, Guadalajara, Spain, 2011,p.ll

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Воронин, Александр Алексеевич, Москва

61 12-1/835

Институт прикладной геофизики имени академика Е. К. Федорова

На правах рукописи УДК 523.9-332, 551.521.3

Воронин Александр Алексеевич

Геомагнитные вариации на геостационарной орбите в точке стояния ИСЗ

«Электро»

Специальность 25.00.29 - «Физика атмосферы и гидросферы»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель Доктор физико-математических наук

Ю.В. Писанко

Москва-2012 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

Формулировка проблемы и её актуальность........................................................5

Задачи диссертационной работы...........................................................................6

Научная новизна работы.........................................................................................6

Научная и практическая ценность работы...........................................................7

Структура и объем диссертации............................................................................9

Апробация диссертационной работы..................................................................17

ГЛАВА 1.....................................................................................................................19

ГЕОМАГНИТНЫЕ ВАРИАЦИИ В ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ......................................................................................................19

1.1. Токовые системы в магнитосфере................................................................19

1.2. Волны в магнитосфере..................................................................................22

1.3. Резонансы на геомагнитных силовых линиях.............................................27

1.4. Тороидальные моды.......................................................................................33

1.5. Полоидальная мода................................... .....................................................35

1.6. Источники волн в магнитосфере..................................................................35

1.7. Неустойчивости магнитосферной плазмы..................................................37

1.7.1. Волны сжатия..........................................................................................37

1.7.2. Ионные циклотронные волны................................................................39

1.8. Поток энергии.................................................................................................40

ГЛАВА 2.....................................................................................................................43

ПОДГОТОВКА ДАННЫХ МАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ..................................43

2.1. Бортовой магнитометр - описание и принцип действия...........................43

2.2. Магнитометрические данные.......................................................................49

2.3. Индексы геомагнитной активности..............................................................53

2.4. Параметры солнечного ветра и межпланетного поля................................57

ГЛАВА 3.....................................................................................................................58

КОРРЕКТИРОВКА ДАННЫХ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В ТОЧКЕ СТОЯНИЯ ИСЗ «ЭЛЕКТРО».....................................................................58

3.1. Использованные при корректировке модели геомагнитного поля...........58

3.1.1. Модель ЮЫЕ...........................................................................................58

3.1.2. Модель Алексеева-Калегаева.................................................................59

3.1.3. Сравнение моделей.................................................................................63

3.2. Поиск магнитоспокойных участков.............................................................65

3.3. Вычисление углов Эйлера.............................................................................67

3.4. Корректировка данных магнитометрических измерений в точке стояния ИСЗ «Электро»......................................................................................................70

ГЛАВА 4.....................................................................................................................72

ГЕОМАГНИТНЫЕ ВАРИАЦИИ В ТОЧКЕ СТОЯНИЯ ГЕОСТАЦИОНАРНОГО ИСЗ «ЭЛЕКТРО»..........................................................72

4.1. Геомагнитные вариации на геостационарной орбите................................72

4.1.1. Суточные вариации на геостационарной орбите.................................72

4.1.2. Геомагнитные бури на геостационарной орбите.................................73

4.1.3. Суббури на геостационарной орбите....................................................74

4.1.4. Пересечение магнитопаузой орбиты геостационарного спутника.... 75

4.1.5. Геомагнитные пульсации на геостационарной орбите.......................75

4.2. Выделение непрерывных участков в магнитометрических данных.........79

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................................113

ПРИЛОЖЕНИЕ 1....................................................................................................123

ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ ОБРАБОТКИ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ

ДАННЫХ.................................................................................................................123

П. 1. Требование к программному обеспечению.............................................123

П. 2. Описание программного обеспечения.....................................................125

П. 3. Интерфейс программного обеспечения...................................................128

П. 4. Работа с программным обеспечением.....................................................129

ВВЕДЕНИЕ

Формулировка проблемы и её актуальность

Геомагнитные измерения с борта геостационарных искусственных спутников Земли (ИСЗ) за рубежом начали проводить с конца шестидесятых годов прошлого века. В настоящее время такие измерения, при которых магнитовариационная станция выносится непосредственно в область нахождения токовых систем околоземного космического пространства, то есть -в область расположения внешних источников геомагнитного поля, доступны в реальном времени и составляют неотъемлемый элемент информационного обеспечения работы национальных и международных служб диагностики и прогноза «космической погоды». Именно последним обстоятельством, в значительной степени, определяется актуальность проведения указанных измерений и интерпретации получаемых при этом магнитограмм в точках стояния геостационарных ИСЗ.

Первым отечественным геостационарным ИСЗ, в число задач которого входило и измерение геомагнитного поля в точке стояния, был метеорологический ИСЗ «Электро», запущенный с космодрома Байконур ракетой-носителем "Протон" 31 октября 1994 года. Точка стояния ИСЗ - на экваторе на 76 градусе восточной долготы - находилась над Индийским океаном к югу от Индии.

Инспекция полученных с борта ИСЗ «Электро» магнитограмм показала наличие как пропусков в данных геомагнитных измерений, так и участков данных, значения геомагнитного поля на которых выходили за пределы динамического диапазона магнитометра (±180 нТл). Кроме того, измеренные значения компонент геомагнитного поля (находящиеся в пределах динамического диапазона) в точке стояния ИСЗ «Электро» существенно отличались от их значений, ожидаемых из моделей геомагнитного поля, что могло быть следствием нештатной ориентации немагнитной штанги, на которой были смонтированы датчики магнитометра.

Задачи диссертационной работы

Исходя из вышеизложенного, задачи данной диссертационной работы формулировались следующим образом:

1. Разработать метод определения фактической ориентации немагнитной штанги, на которой были смонтированы датчики бортового магнитометра, относительно системы координат ИСЗ, основанный на требовании максимального совпадения измеренного и модельного единичных векторов геомагнитного поля в точке стояния на магнитоспокойных интервалах.

2. Разработать процедуру коррекции данных измерений геомагнитного поля в точке стояния ИСЗ на нештатную ориентацию немагнитной штанги.

3. На основе решения первых двух задач восстановить набор данных геомагнитных измерений в точке стояния за весь период проведения измерений.

4. Оценить возможности использования восстановленного набора данных геомагнитных измерений для исследования геомагнитных вариаций, наблюдаемых в точке стояния ИСЗ и при благоприятных обстоятельствах провести такое исследование.

Научная новизна работы

Предложен оригинальный метод определения фактической ориентации немагнитной штанги, на которой были смонтированы датчики бортового магнитометра, относительно системы координат ИСЗ, основанный на

требовании максимального совпадения измеренного и модельного единичных векторов геомагнитного поля в точке стояния на магнитоспокойных интервалах. Предложена оригинальная процедура коррекции данных измерений геомагнитного поля в точке стояния ИСЗ на нештатную ориентацию немагнитной штанги, с помощью которой удалось восстановить набор данных первых российских геомагнитных измерений в точке стояния на геостационарной орбите за весь период проведения измерений с марта 1997 года по август 1998 года. Впервые по данным геомагнитных измерений с борта российского геостационарного ИСЗ удалось идентифицировать геомагнитные пульсации Рс-5 на геостационарной орбите.

Научная и практическая ценность работы

Научную и практическую ценность работы можно сформулировать следующим образом:

1. Удалось восстановить для использования в научных исследованиях все данные геомагнитных измерений (с марта 1997 года по август 1998 года), впервые проведённых с борта российского геостационарного ИСЗ.

2. Впервые по данным российских геомагнитных измерений на геостационарной орбите удалось идентифицировать геомагнитные пульсации Рс-5.

3. Разработанный в диссертации метод определения фактической ориентации немагнитной штанги, на которой смонтированы датчики бортового магнитометра, может быть использован для восстановления полезной магнитометрической информации при нештатных ситуациях на геостационарных ИСЗ.

4. Анализ восстановленного набора бортовых магнитограмм показал, что

длины немагнитной штанги ~ 3 метра недостаточно для того, чтобы полностью исключить влияние помех, создаваемых функционированием бортовых систем ИСЗ, на измерение геомагнитных вариаций в точке стояния.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод определения фактической ориентации немагнитной штанги, на которой были смонтированы датчики бортового магнитометра, относительно системы координат ИСЗ, основанный на требовании максимального совпадения измеренного и модельного единичных векторов геомагнитного поля в точке стояния на магнитоспокойных интервалах.

2. Процедура коррекции данных измерений геомагнитного поля в точке стояния ИСЗ на нештатную ориентацию немагнитной штанги, с помощью которой удалось восстановить набор данных первых российских геомагнитных измерений в точке стояния на геостационарной орбите за весь период проведения измерений с марта 1997 года по август 1998 года.

3. Факт идентификации геомагнитных пульсаций Рс-5 по данным первых российских геомагнитных измерений на геостационарной орбите.

Личный вклад автора

Все представленные к защите результаты, а именно:

1. Метод определения фактической ориентации немагнитной штанги, на которой были смонтированы датчики бортового магнитометра, относительно системы координат ИСЗ, основанный на требовании максимального совпадения измеренного и модельного единичных векторов геомагнитного поля в точке стояния на магнитоспокойных интервалах.

2. Процедура коррекции данных измерений геомагнитного поля в точке стояния ИСЗ на нештатную ориентацию немагнитной штанги, с помощью которой удалось восстановить набор данных первых российских геомагнитных измерений в точке стояния на геостационарной орбите за весь период проведения измерений с марта 1997 года по август 1998 года.

3. Факт идентификации геомагнитных пульсаций Рс-5 по данным российских геомагнитных измерений на геостационарной орбите.

получены лично автором. В печатных работах, опубликованных совместно с другими соавторами, все соавторы внесли в эти работы одинаковый вклад.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит 132 страницы, 58 рисунков, 7 таблиц и 1 приложение. Список литературы насчитывает 111 наименований.

Во Введении сформулирована тема диссертации, обоснована её актуальность, обозначены задачи работы, направления исследований и основные положения, выносимые на защиту. Показана новизна полученных результатов, их научная и практическая ценность, а также описана структура диссертационной работы.

Первая глава диссертации представляет собой обзор литературы, относящейся к теме диссертации. Дано определение магнитосферы и перечислены особенности её структуры. Описаны основные трёхмерные токовые системы магнитосферы, а также физическая природа дрейфов заряженных частиц в геомагнитном поле и геомагнитных пульсаций. Перечислены основные типы волн в магнитосфере, включая альвеновские и магнитозвуковые волны. Для иллюстрации процесса распространения звуковых волн в магнитосфере используется аналогия со звуковыми волнами в воздухе. Быстрые магнитозвуковые волны распространяются поперёк геомагнитного поля и переносят волновую энергию между различными магнитными Ь-оболочками. При рассмотрении альвеновских волн на геомагнитных силовых линиях используется аналогия с волнами сдвига на натянутой струне. Поскольку смещение линии поля нечётных гармоник симметрично относительно экватора, нечётные гармоники называются симметричными модами (чётные гармоники антисимметричны). Источники, смещающие поле вблизи экватора, возбуждают, в основном, симметричные нечётные гармонические моды. Ионосфера служит для альвеновских волн, распространяющихся вдоль линий поля, хорошим «зеркалом», так что эти волны, отражаясь туда и обратно между северным и южным концами геомагнитных силовых линий, формируют стоячую альвеновскую волну аналогичную колебаниям струны, закреплённой на обеих концах. Для чисто поперечной стоячей волны есть два независимых колебания: тороидальная мода, в которой возмущение магнитного поля является чисто азимутальным, и полоидальная мода, в которой возмущение магнитного поля является чисто радиальным на экваторе. За исключением тороидальной фундаментальной моды периоды полоидальных и тороидальных мод практически одинаковы. В интервале геоцентрических расстояний между 5 и 10 радиусами Земли период тороидальной фундаментальной моды изменяется пропорционально квадрату геоцентрического расстояния. Таким образом, силовые линии геомагнитного поля во внутренней магнитосфере - это непрерывный набор резонаторов,

каждый из которых может осциллировать на нескольких гармониках в двух почти не связанных друг с другом режимах: тороидальном и полоидальном. В принципе, частота возбуждённых колебаний не имеет верхнего предела, но резонансные частоты свыше 0,1 Гц (период 10 сек) не наблюдались - источник таких высокочастотных колебаний не структурирован в пространстве так, чтобы возбуждать резонанс по всей длине силовой линии. Фундаментальная тороидальная мода (почти синусоидальные колебания, в основном, западно-восточной компоненты поля) имеет узел (<2?_[=0) на экваторе, а вторая тороидальная гармоника на экваторе имеет пучность (<Э?1=тах). Период фундаментальной моды - примерно 200 сек (5 мГц); гармоники проявляются в интервале периодов от 20 сек до 50 сек (50-20 мГц). Полоидальные моды преимущественно радиальны, а их период (от 50 сек до 100 сек) позволяет предположить, что это, возможно, вторая гармоника. Фундаментальная тороидальная мода, по-видимому, возбуждается неустойчивостью Кельвин-Гельмгольца (неустойчивость ветер-вода), возникающей при сдвиговых течениях плазмы с внешней или внутренней стороны боковой границы магнитосферы. Источник тороидальных гармонических мод -крупномасштабные (в азимутальном направлении) внешние вариации давления в переходной области. Полоидальные моды попадают в баунс-резонанс с энергичными ионами, то есть источником энергии для этих волн являются баунс-колебания энергичных ионов. Кроме резонансов в магнитосфере есть ещё два типа волн - это волны сжатия с периодами от 2 до 10 минут и ионно-циклотронные волны с частотами от 0,1 до 4 Гц. Волны сжатия проявляются в значительных осцилляциях северо-южной компоненты геомагнитного поля. Чаще всего они наблюдаются в сумерки и поздним вечером на больших Ь вблизи экватора. Преобладание волновой активности данного типа на ночной стороне и к западу свидетельствует в пользу того, что за возбуждение этих волн отвечают ионы, инжектированные на ночной стороне (ионы в геомагнитном поле дрейфуют к западу). Обычно такие инжекции происходят во время магнитных бурь. Источник энергии волн сжатия - дрейфовая неустойчивость

границы раздела плазма-магнитное поле. Ионные циклотронные волны ассоциируются с ионной циклотронной неустойчивостью магнитосферной плазмы. Геомагнитные пульсации подпитываются энергией взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой и эта переданная пульсациям энергия в конечном итоге диссипирует в ионосфере.

Вторая глава диссертации посвящена использованным автором наборам данных измерений. Дано описание устройства и принципа действия бортового магнитометра геостационарного ИСЗ «Электро». Описан использованный в диссертации набор магнитометрических данных измерений в точке стояния геостационарного ИСЗ «Электро» с марта 1997 года по август 1998 года. Система координат этого ИСЗ фиксирована относительно ИСЗ и вращается вместе с ним в экваториальной плоскости. Ось Ъ ориентирована параллельно оси вращения Земли с положительным направлением на север. Ось X ориентирована в положительном направлении на восток. Ось У ориентирована радиально �