Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Пространственная структура и длиннопериодные пульсации потоков высыпающихся электронов

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Пространственная структура и длиннопериодные пульсации потоков высыпающихся электронов"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Сибирское отделение ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНО-ЗШНОл ФИЗИКИ

На правах рукописи

САМСОНОВ .Сергей Николаевич

УЖ 550.388

1ГР0СТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА И ДЛИНН011ЕИЮДНЫЕ тЬСАЩ ПОТОКОВ ВЫСШШцИХСЯ ЭЛЕКТРОНОВ

04.00.22 - геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Иркутск - 1993

У

Работа выполнена в Институте космофизических исследований и аэрономии Якутского научного центра Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук ЛАЗУТИН Л.Л.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

ПОПОВ Г.В.

кандидат физико-математических наук ПАРХОМОВ В.А.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ

Защита состоится » ДЗ" ыюна 1993 года в ^пр часов на заседании специализированного совета Д.003.24.01 при Институте солнечно-земной физики СО РАН, 664033, Иркутск, Лермонтова, 126

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗФ Автореферат разослан " ^ » ЦЛ-СХ^ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат.наук

ОЬЩАЯ' характеристика РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование потоков высыпающихся энергичных электронов (с энергией в десятки-сотни кэВ) позволяет получать информацию о строении и динамических процессах магнитосферы и ионосферы Земли. Потоки высыпающихся энергичных электронов реагируют на изменения структуры магнитных и электрических полей, параметров плазмы, уровня волнового излучения и поэтому являются носителем информации о протекании физических явлений в околоземном пространстве и перестройке его структур.

Кроме фундаментальных проблем изучение высыпания энергичных электронов позволяет решать прикладные задачи, связанные с освоением регионов высоких широт и околоземного пространства. Высыпание энергичных электронов в высоких широтах приводит к аномальной ионизации нижней ионосферы, что вызывает нарушения радиосвязи, приводит к отказам радионавигационных систем. Освоение околоземного космического пространства также требует знания распределения потоков высыпающихся энергичных электронов, влияющих на радиационную обстановку на низковысотных космических аппаратах.

Все вышеперечисленное позволяет утверждать, что диагностирование, а в конечном счете и прогнозирование высыпания энергичных электронов представляет одну из важ№ задач физики околоземного космического пространства.

Актуальность изучения процесса высыпания энергичных электронов определяет необходимость построения статистической картины пространственного распределения высыпания энергичных электронов, основанной на обнаруженных экспериментальных характеристиках высыпающихся электронов, анализируемых в сочетании с другими видами наземных, аэростатных и спутниковых наблюдений. При анализе временных характеристик высыпания необходимо учитывать, что медленные изменения потока высыпающихся электронов отражают глобальные структуры в магнитосфере, в то время как быстрые изменения

диапазона коротколериодных колебаний (КШО характеризуют локальные структуры.

В предшествующих настоящей работе исследованиях обычно изучались или крупномасштабные или мелкомасштабные структуры высыпания электронов, в то время как совместный анализ таких структур может дать новую информацию о механизмах высыпания частиц. Кроме того, недостаточно статистически обеспеченное количество экспериментального материала, обычно получаемого в отдельных видах наблюдений в различных геофизических условиях, не позволяло получить детальную картину высыпания электронов в утренне-днев-ные часы.

\ Анализ методов измерения потоков высыпающихся- электронов с ^ ^ энергией в десятки-сотни кэВ показал, что наиболее дешевым и I статистически обеспеченным является метод, основанный на регист-»* рации поглощения космического радиошума (1ШР) на меридиональной цепочке риометрических станций. {

Целью работы является:

1. Изучение пространственно-временных и амплитудных характеристик пульсирующего 11КР минутных периодов, его связи с пульсациями в других геофизических явлениях и механизма его образования,

2. Исследование статистической картины пространственного распределения ИКР на различных фазах цикла солнечной активности' и физических процессов, ответственных за в'-сыпание электронов.

Научная новизна

Комплексный анализ наземных, аэростатных и спутниковых данных позволил обнаружить:

- новые морфологические и корреляционные характеристики пульсирующих потоков высыпающихся электронов с энергией в десятки-сотни кэв;

- положение области, в которой наблюдается совпадение модуляционных характеристик риометрического поглощения и КНЧ-ОНЧ излучения, и ее изменения в зависимости от уровня геомагнитной возмушенности;

- статистическое распределение крупномасштабных структур -высыпания электронов в периоды различной солнечной активности.

На защиту выносятся: г~

1. Пространственно-временные и амплитудные характеристики пульсирующего х1КР, их зависимость от магнитной активности, связь с пульсациями ¡Ш-ОНЧ излучения и МГД-волнами, а также созданная на их основе классификация минутных колебаний потоков высыпающих-

I

ся электронов.!

2. Полученные по долговременным наблюдениям на якутской меридиональной цепочке риометров пространственные структуры высыпающихся электронов с тремя характерными областями высыпания и особенности их изменения на различных фазах цикла солнечней активности.

3. Наземный метод определения положения плазмопаузы по высыпаниям электронов.

Научная и практическая значимость работы. Создан прибор -якутская меридиональная цепочка риометрических станций, предназначенный для проведения одновременных измерений потоков высыпающихся электронов с энергиями в десятки-сотни кэВ в интервале I. ~ 3-8.

Предложен новый способ наземной диагностики положения плазмопаузы. Получены новые характеристики потоков высыпающихся электронов, расширяющие физические представления о процессе высыпания частиц, что может быть использовано для прогнозирования состояния нижней ионосферы.

Личный вклад автора. Диссертант является одним из инициаторов .• сновным исполнителем создания якутской меридиональной цепочки риометрических станций. Им проводилась установка и эксплуатация, риометрических станций, обработка наблюдательного материала, его анализ и интерпретация.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международных конференциях:

- Полярные геомагнитные явления (Суздаль, 1986)

- XIX Генеральная ассамблея МАГА (Ванкувер, 1987)

- K0CI1AP ХХУП Оспу, 1988)

- Исследование средней атмосферы (Душанбе, 1989)

- У симпозиум КАПГ (Самарканд, 1989)

- Весеннее, 1991 г., собрание американского геофизического союза

- СТЭ11 (Лаурел, 1992)

- также на всесоюзных конференциях и симпозиумах.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа содержит 168 страниц, 39 рисунков и 7 таблиц. Список цитируемой литературы содержит /58 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность экспериментального исследования высыпающихся электронов с энергией в десятки-сотни кэВ, указывается цель работы, показана научная новизна диссертации. Сформулированы основные положения, выносящиеся на защиту.

В первой главе рассматриваются методы измерения потоков высыпающихся энергичных электронов. На основе сравнения этих методов сделан выбор метода, основанного на регистрации поглощения космического радиошума на меридиональной цепочке риометрических

станций. Приводятся пространственные характеристики высыпания, а также показан азимутальный дрейф потока электронов и изменение его параметров в процессе дрейфа. Рассмотрение пространственно-временных характеристик потоков высыпающихся энергичных электронов показало, что максимум распределения частоты появления высыпающихся электронов в утренне-дневные часы совпадает с максимумом распределения частоты появления естественного КНЧ-ОНЧ излучения.

Анализ причин, объясняющих существование утренне-дневного максимума частоты появления потоков высыпающихся энергичных электронов, показал отсутствие однозначной интерпретации и необходимость дальнейшего изучения этой проблемы.

Вторая глава посвящена изучению пульсирующего поглощения, амплитуда которого промодулирована колебаниями минутных периодов. Ее цель состоит в исследовании новых морфологических и корреляционных характеристик, способствующих систематизации этих пульсаций с возможностью их классификации и выявления механизма образования пульсирующего риометрического поглощения.

Основным прибором, используемым в данном исследовании, является созданная при личном участии автора якутская меридионачь-ная цепочка риометрических станций, расположенная вблизи 200° геомагнитной долготы, и состоящая в настоящее время из 7 пунктов наблюдения. Кроме того, в работе использовались магнитные данные и данные КНЧ-ОНЧ излучения, полученные на станциях якутской цепочки, а также другие наземные, аэростатные и спутниковые наблюдения.

Изучение суточного распределения числа случаев появления пульсирующего поглощения показало постоянство временного положения максимума при изменении уровня геомагнитной возмущенности и сезона наблюдений. Такое постоянство распределения объясняется совпадением, распределений пульсирующего поглощения космического

радиошума ПКР на станциях якутской меридиональной цепочки, наблюдаемых на Ь -оболочках от 4 до 8. Исследование зависимости амплитуды пульсирующего поглощения от уровня геомагнитной возмущен-ности показало отличие от подобней зависимости для всех случаев ИКР. Определено местоположение широты, на которой наблюдается максимальное число случаев появления пульсирующего ПКР и ее изменения от уровня геомагнитной возмущенности.

Сопоставление пульсаций риометрического поглощения с пульсациями в других видах геофизических наблюдений позволило обнаружить совпадение пульсаций ЛКР с пульсациями в магнитном поле и КНЧ-СНЧ излучении. Минутным периодам пульсирующего риометрического поглощения лучше всего соответствуют магнитные колебания типа Рс5. Сравнение пульсаций амплитуд риометрического поглощения и КНЧ-ОНЧ излучения показало, что совпадение характерных признаков однотипной модуляции амплитуд КНЧ-ОНЧ излучения и риометрического поглощения наблюдаются для станций регистрации ПКР, находящихся за пределами проекции плазмосферы.

Анализ связи колебаний в наземных данных магнитного поля, риометрического поглощения и КНЧ-ОНЧ излучения с колебаниями магнитного поля на борту спутника "АМРТЕ СС1£" свидетельствовал о развитии в экваториальной плоскости магнитосферы циклотронной неустойчивости, инкремент которой модулировался колебаниями меридиональной компоненты магнитного поля Земли. Кроме того, этот-анализ показал, что колебания распространяются по направлению от магнитосферы -к Земле, и что пульсации потоков высыпающихся электронов, ответственных за появление пульсаций ПКР, не являются причиной появления колебаний магнитного поля на Земле за счет модуляции проводимости нижней ионосферы.

Расчет пульсирующего риометрического поглощения, полученного по данным магнитного поля и распределения частиц на спутнике "ГЕОС-2", показал хорошее совпадение с наблюдаемым наземным пуль-

сирующим ПНР. Это означает, что в проведенном исследовании модулированное с периодами в единицы минут поглощение космического радиошума обусловлено пульсирующими потоками высыпающихся энергичных электронов вследствие модуляции инкремента циклотронной неустойчивости радиационных поясов Земли магнитогидродинамичес-кими волнами. При этом состояние неустойчивости соответствует режиму близкому к слабой питч-угловой диффузии энергичных электронов в конус потерь.

Новые морфологические и корреляционные характеристики пульсаций ИКР, обнаруженные в даннсм исследовании, позволили расширить существующую классификацию пульсаций потоков высыпающихся частиц и предложить новую методику наземного диагностирования положения плазмопаузы.

В третьей главе изучаются крупномасштабные структуры высыпания энергичных электронов. Исследование топологии и динамики области риометрического поглощения показало, что в суточном распределении числа случаев появления 1ЖР существуют три максимума, отражающие различный характер сброса частиц из магнитосферы в атмосферу Земли: полуночный - сброс в процессе ускорения частиц во время суббури; утренний - сброс из дрейфующего облака электронов, испытывающих дополнительное ускорение конвекционным электрическим полем; дневной - сброс из области захвата, часто сопровождающийся модуляцией длиннопериодными колебаниями.

Анализ суточных распределений числа случаев появления ИКР в годы с различной фазой цикла солнечной активности (1985-1989) показал, что основные тенденции изменения параметров 11КР сохраняются. Изменяются, в основном, количественные характеристики отдельных особенностей. С усилением солнечной активности наблюдается уменьшение ширины области появления риометрического поглощения и ее незначительное смещение в экваториальном направлении.

о

Рассмотрение пространственно-временных и амплитудных характеристик риометрического поглощения позволило обнаружить, что в утренне-дневные часы наряду с общеизвестной круговой зоной высыпания частиц, центр которой находится вблизи 66-67° исправленной геомагнитной-широты, существует дополнительная область высыпания, расположенная полярнее круговой зоны с максимальным числом случаев появления 11КР около 10 часов местного времени. Дополнительная область наиболее ярко проявляется вблизи минимума солнечной активности. На фазе роста проявление этой области ослабевает, а вблизи максимума солнечной активности ее проявление почти незаметно .

Сравнение данных риометрического поглощения финской и якутской меридиональных риометрических цепочек подтвердило, что в круговой зоне в утренне-дневные часы ПНР связано с азимутально дрейфующими из полуночного сектора энергичными электронами.

Анализ причин появления риометрического поглощения в утрен-не-дневном секторе круговой зоны показал, что оно в основном связано с развитием циклотронной неустойчивости радиационного пояса Земли. При этом состояние неустойчивости соответствует режиму слабой питч-угловой диффузии. Появление риометрического поглощения в дополнительной области в основном связано с дрейфом электронов из полуночного сектора и последующего их высыпания без локального ускорения на дневной стороне.- Эта область характеризуется режимом питч-угловой диффузии электронов в конус потерь более сильной, чек в круговой зоне.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. Исследованы пространственно-временные и амплитудные характеристики пульсирующего ИКР, их зависимость от магнитной активности, связь с пульсациями КНЧ-ОНЧ излучения и МГД-волнами. На основе впервые обнаруженных морфологических и корреляционных

характеристик создана классификация минутных колебаний потоков высыпающихся электронов.

2. Пространственные структуры высыпающихся электронов с тремя характерными областями высыпания и особенности их изменения на различных фазах цикла солнечной активности изучены по данным якутской меридиональной цепочки. По риомегрическим наблюдениям обнаружено, что в утренне-дневные часы полярнее общеизвестной круговой зоны существует дополнительная область высыпания. Анализ пространственных и амплитудных характеристик ИКР с'привлечением спутниковых и наземных измерений КНЧ-ОНЧ излучения и потоков высыпающихся электронов позволил показать, что круговая зона в утренне-дневные часы обычно характеризуется режимом слабой диффузии электронов по питч-углам, а дополнительная, которая наиболее отчетливо проявляется в минимуме солнечной активности, -режимом более сильной диффузии.

3. Предложена методика определения положения плазмопаузы, использующая полученные закономерности комплексных наблюдений риометрического поглощения, КНЧ-ОНЧ излучения и значений критических частот Ё-слоя ионосферы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Самсонов С.Н. Устойчивые пульсации риометрического поглощения с периодом I50-b00 с // Геофизические исследования на широтах авроральной зоны. Сб. научных трудов. Якутск: Якутский филиал СО АН СССР. 198Ь. СЛ39-144.

2. Самсонов С.Н. Вариации риометрического поглощения // ^'руктура и динамика геофизических явлений в высокоширотной ионосфере. Сб. науч.трудов. Якутск: Якутский филиал СО АН СССР. 1987. C.III-II7.

3. Самсонов С.Н., Соколов В.Д., Вершинин Е.Ф., Лазутин JI.JI. Связь пульсации уровней космического радиошума и КНЧ-ОНЧ излучения // Геомагнетизм и аэрономия. 1987. Т.27, № 4. С.646-6Ы.

4. Соколов В.Д., Самсонов С.Н., Иванов ü.il. и др. Якутская меридиональная цепочка риометров // Наблюдения искусственных небесных тел. G6. науч.трудов. М.: Астросовет АН СССР.. 1988. № 84. 4:2. С.¿06-211.

5. Соколов В.Д., Самсонов С,Н., Слепцова К.II., Калинина О.Я. Динамика и география области высыпания электронов по риометричес-ким наблюдениям вблизи минимума солнечной активности // Наблюдения искусственных небесных тел. Сб. науч.трудов. М.: Астросовет АН СССР. 1988. № 84. 4.2. C.20I-205.

6. Самсонов С.Н. Проявление одновременных пульсаций минутного диапазона периодов в магнитных и риометрических данных // Электродинамические процессы в высоких широтах. Сб.науч.трудов. Апатиты: Кольский филиал АН СССР. 1988. С.70-74.

7. Самсонов С.Н., Муллаяров В.А., Лазутин Л.Л. Поглощение космического радиошума и параметры распределения энергичных электронов на геостационарной орбите // Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т.29, № 6. С.937-941.

8. Самсонов С.Н., Соколов В.Д. Две зоны высыпания энергичных электронов // Геомагнетизм и аэрономия. 1990. Т.30, № 2.

С.216-221.

9. Самсонов С.Н., Соколов В.Д., Ранта X. Особенности дневного риометрического поглощения // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Сб. науч.трудов. М.: Наука. 1991. Вып.93. С.69-72.

10. Самсонов С.Н., Соколов В.Д. Возможности наземной диагностики местоположения плазмопаузы по высыпаниям электронов // Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т.31, № I. C.I9I-I92.