Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Пространственная структура низкочастотных гидромагнитных волн в аксиально-симметричной и трехмерно-неоднородной моделях магнитосферы

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Пространственная структура низкочастотных гидромагнитных волн в аксиально-симметричной и трехмерно-неоднородной моделях магнитосферы"

РГБ ОД 1 О ФЕВ 1998

На правах рукописи УДК 533.951

Клнмушкнн Дмитрии Юрьевич

Пространственная структура низкочастотных гидромагнитных волн в аксиально-симметричной и трехмерно-неоднородной моделях магнитосферы

04.00.23 - физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Иркутск, 1997

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институт« солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской Академи! наук (г.•Иркутск).

Научный руководитель: доктор фиэ.-мат. наук В.А. Маэур.

Официальные оппоненты: доктор фиэ.-мат. наук И.А. Кринберг,

кандидат физ.-мат. наук В.В. Мишин

Ведущая организация: Объединенный институт физики Земли

им. О.Ю.Шмидта РАН (г.Москва)

Защита диссертации состоится "_" ¿¿¿^/им^, 1998 г. в__

часов на заседании диссертационного совета Института солнечно-земной физики СО РАН (Иркутск, ул.Лермонтова, 126),

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗФ СО РАН.

Автореферат разослан

Ваш отзыв просим направить по адресу: 664033, Госсия, Иркутс! а/я 4026, ИСЗФ СО РАН, ученому секретарю диссертационного совет;

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат фиэ.-мат. наук X У А.И.Галк:

Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Исследования распространения МГД-волн в околоземной плазме ведутся на протяжении уже почти полувека. В этой области науки получен ряд важных результатов, но многие вопросы все еще остаются без ответа. Один из них - какова глобальная структура низкочастотных гидромагнитных волн в земной магнитосфере. Актуальность этого вопроса обусловлена тем, что на глобальную структуру ИГД-волн оказывают влияние неоднородность фоновой плеэнн, кривизна силовых линий геомагнитного поля, наличие групп высокоэнергичных час.1)ц и конечность давления плазны. Таким образом, исследование структуры 1чГД-волн может дать информацию об этих свойствах магнитосферы, что может быть полезным для совершенствования методов ее диагностики.

Согласно последним данным, полученным со спутников, многие виды геомагнитных пульсаций, особенно волны с большими значениями азимутального волнового числа (ш>>1), часто наблюдаются в регионах магнитосферы с большим отношением плазнеиного давления к магнитному (параметр 3 порядка единицы). Это Дзлает особенно важным изучение структуры МГД-волн с щ>>1 в горячей неоднородной плазме. Как известно, существует три моды колебаний горячей плазмы в магнитном поле: альфвеновские волны, быстрый магнитный звук (ВИЗ) и медленный магнитный звук (ИМЗ). В пределе больших азимутальных волнов! < чисел ролью ПМЗ можно пренебречь. Кривизна силовых линий и наличие равновесного, электрического тока приводят к тону, что альфвеновские волны и ММЗв горячей магнитосферной плазме связаны между собой. Структуре этих связанных колебаний било посвящено довольно большое количество тематических работ. Однако характер математических приближений, принятый в этих исследованиях, был таков, что позволял исследовать только продольную (вдоль направления силовых линий) структуру этих связанных колебаний, в то время как их структура поперек магнитных оболочек оставалась неизвестной. В отличие от этих исследований, Данная диссертационная работа посвящена изучению глобальной пространственной структуры (в том числе структуры поперек магнитных оболочек) гидромагнитпых волн в аксиально-симметричной и трехмерно-неоднородной моделях магнитосферы. При этом рассматриваются произвольные значения Р,

учитываются продольная неоднородность и сжимаемость плазмы, кривизна силовых линий геомагнитного поля, а также взаимодействие гидромагнитных волн с высокоэнергичными частицами (бауне-дрейфовый резонанс).

Целью работы является теоретическое исследование распространения и структуры низкочастотных магнитогидродинамических волн в магнитосфере при учете конечного давления плазмы, наличия различных популяций частиц, кривизны силовых линий и трехмерной неоднородности околоземной плазмы.

Научная новизна работы

В диссертационной работе разработана теория распространения и структуры МГД-волн в неоднородной плазме, являющаяся новой не только в геофизических исследованиях, но и в физике плазмы. Кроме того, новизна работы обусловлена применением этой теории для изучения низкочастотных геомагнитных пульсаций в магнитосфере Земли.

Практическое значение работы

Практическая значимость работы заключается в подробном исследовании влияния неоднородности околоземной плазма на распространение в ней низкочастотных геомагнитных пульсаций. Таким образом, результаты диссертации представляют интерес как шаг на пути создания достоверной гидромагнитной диагностики ближнего космоса.

Поскольку фйзическая постановка задачй при изучении волновых процессов во внешних слоях солнечной атмосферы (особенно волнового нагрева хромосферы и короны) очень близка к постановке задачи при исследовании МГД-колебаний земной Магнитосферы, результаты диссертационной работы, помимо геофизических приложений, могут быть использованы и в физике Солнца.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены автором на следующих научных мероприятиях:

- 30-я научная Ассамблея КОСПАР, июль 1994 г., Гамбург, Германия;

- XX Генеральная Ассамблея Европейского геофизического общества (ЕГС), апрель 1994, Гренобль, Франция;

- XXX Генеральная Ассамблея Международного Союза Геодезии и Геофизики, июль 1995 г., Боулдер, США;

- XXX Генеральная Ассамблея ЕГС, май 1996 г., Гаага, Нидерланды;

- XXII Генеральная Ассамблея ЕГС, апрель 1997 г., Вена, Австрия;

- VIII научная ассамблея Международной ассоциации геомагнетизма и аэрономии, август 1997, Уппсала, Швеция.

- семинары Института солнечно-земной физики СО РАН, Объединенного института физики Земли РАН, Института космических исследований РАН, НИИ ядерной физики им. Скобельцына при МГУ.

обгон и структура работы

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и списка литературы. Общий объем 126 е., рисунков - 22, библиография - 132 названия.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Во введении проведен краткий обэер f бот, отражающих современное состояние исследуеиой проблемы - структуры гидромагнитных волн в неоднородных моделях магнитосферы. Сформулирована цель работы и кратко охарактеризовано содержание по главам.

Z. В первой главе предложен новый метод описания альфвеновс-кой и клгнитозвуковой мод колеба!. 1й неоднородной плазмы. Метод, изложенный в этой работ.а, основан на следующей. В пределе идеальной проводимости плазмы электрическое поле МГД-волны является двумерным (продольная компонента равна нулю), это поле можно разбить на потенциальную и вихревул компоненты. В однородной плазне потенциальная компонента ассоциируется с альфвеновской'волной, вихревая - с магнитным звуком. Предложено сохранять такое разбиение и при изучении колебаний неоднородной плазмы. В этом случав исчезают какие-либо недоразумения при предельном переходе к случав однородной плазмы, постановке граничных условий, однозначно устанавливается, что полоидальная мода является разновидностью альфвеновских колебаний. Этот метод обобщен на случай колебаний горячей плазмы.

3. Во второй глава изучена пространственная структура гидро-

- б -

магнитных волн в аксиально-симметричиой магнитосферной плазме конечного давления с учегон кривизны силовых линий и наличия равновесного тока.

В предлагаемой диссертационной работе показано, что в наиболее общем случае, когьа магнитосферные параметры (альфвеновская скорость, отношение плазменного давления к магнитному, плотность равновесного тока) меняются поперек магнитных оболочек монотонно, низкочастотные гидромагнитные волны (связанная альфвеновская н медленная магнитоэвуковая йоды), будучи в продольном направлении стоячими, являются бегущими в направлении поперек магнитных оболочек. Область распространения волны (облас!Ь прозрачности) с одной стороны по радиальной координате ограничена обычной точкой поворота (полоидальной поверхностью), с другой стороны - сингулярной точкой поворота (резонансной поверхностью). Виа этой области, т.е. в области непрозрачности, волна экспоненциально спадает. Волна возбуждается вблизи полоидальной поверхности к распространяется в сторону резонансной, где полностью поглощается из-за диссипации в ионосфере. При учете конечного давления плазмы имеются две области прозрачности волны, одна из которых соответствует медленному иаглитному звучу, другая - алъфвеновской волне. В первом случае на резонансной поверхности выполняется условие ММЗ-резонанса, во втором - альфвеновского.

Если жа поперечный профиль вышеперечисленных параметров имеет экстремун, то область прозрачности альфвеновских волн может быть с обеих сторон ограничено полоидальныни поверхностями (т.е. волны образуют резонатор). Показана возможность существования альфвеновских резонаторов в районе кольцевого тока в плазмоефере, в районах ллаэмопауэы и Максимума частично-кольцевого тока. Высказано предположение, Что наблюдаемые в экспериментах полоидаль-ные Рс4 пульсации являются собственными колебаниями резонатора в районе частично-кольцевого тска. Это предположение естественным образом объясняет факт узкой локализации полоидальных пульсаций Рс4. Верификационным тостом для этого предположения может быть эквидистантность спектра частот этих колебаний.

4. D трьтюй главы в рамках модели магнитосферы, неоднородной по всем трем координатам, исследован процесс распространения поперек геомагнитного поля монохроматических стоячих альфвеновских волн, мелкомасштабных в поперечном направлении. С этой целью

введена ортогональная система координат, связанная а геомагнитным полем. При этом координатные поверхности определяются однозначно, т.е. координаты определены г. точностью до преобразован)«), оставляющих кеименными вид координатных поверхностей.

Изучены траекторий, вдоль которых направлена поперечная групповая скорость волн (характеристики); рассмогрениа в&дется в рамках поперечного ВКБ-приближения, обобщенного на трнхмерно-ие-одноропный случай. Показано, что азимуталько-асимметричнан магнитосфера состоит из секторов, отличающихся друг от друга знаком угла наклона тороидальной резонансной поверхности к поверхности х1=const - угла ¡Л. Эта приводит к различию характера распространения еолн с разным знаком азимутального волновсо числа, т.е. азимутальная асимметрия магнитосферы приводит к асимметрии в распространении волн с разными знаками т. Распространенна волн того же знака и, что и угол между тороидальной и координатной поверхностями Ц, происходит качественно подобно распространении по-перечио-мелкомаситабных волн в пксиально-симмитричной магнитосфере: волна рождается вблизи полоидальной поверхности и движется * тороидальной, где и поглощается (в том же секторе магнитосферы). Что касается волны с противоположным знаком ш, то ей приходиться проделать значительный путь, прежде чем поглсшться вблизи торси-дальнсй поверхности уже в секторе с противоположным знаком fl. Кроме того, установлено существование поттречно-нелкомасштабных волн, рождаемых вблизи тороидальной поверхности в одном секторе и поглощаемых вблизи этой же поверхности з другом сектора магнитосферы. Соответствующие характеристики начинаются н заканчиваются на тороидальной поверхности, но в разных секторах магнитссфеоа. Этим явлениям пег аналога 8 теории аксиально-симметричной магнитосферы. где колебания рождаются вблизи полоидальной поверхности и распространяются к тороидальной, причем волны с разными знаками азимутального волнового числа распространяются зеркально-симметрично.

5. D четвертой глаае изучено влияние пучка энергичных частим на структуру азимутально-мелкомасштабных альфвановскну. иолн о холодной магнитосфере с кривыми силовыни линиями (баунс-дрейфовая неустойчивость). Установлено, что усиленно вопны происходит в процессе ее распространения поперек магнитных оболочеч а инкрементом, зависящим от радиальной координаты. Учтена конкуренция

этой неустойчивости и затухания мод на ионосфере вследствие ее конечной проводимости. Вблизи поверхности альфвеновского резонанса инкремент неустойчивости стремится к нулю, и мода полностью затухает из-за диссипации энергии в ионосфере. При увеличении инкремента максимум амплитуды волны смещается в район альфвеновского резонанса, и наиболее усиленными оказываются волны, в которых вектор магнитного поля колеблется в азимутальном направлении. Этот вывод противоречит общепринятому мнению о том, что таким образом возбуждается полоидальные геомагнитные пульсации. Однако

если область прозрачности с обеих сторон ограничена полоидальными

ь

поверхностями, т.е. мода замкнута резонатор, то наиболее усиленными оказываются радиальио-поляриэованные альфвеновские колебания .

6. В Заключении приведены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1) Предложен новый метод теоретического описания альфвеновс-кой и магнитозвуковой ветвей колебаний неоднородной магнитосферы: (двумерное) электрическое поле гидромагнитной волны . разделяется на вихревую и потенциальную компоненты, первая из которых отождествлена с магнитным звуком, вторая - с альфвеновской волной. Это обеспечивает правильный предельный переход к случаю однородная плазмы.

2) Показано, что совместное действие кривизны силовых линий, конечного давления п тазмы и равновесного тока приводит к поперечной дисперсии азимутально-мелконасштабных стоячих МГД-волн (связанных альфвеновских и МИЗ-колебаний). Изучена глобальная структура этих волн в двумерно-неоднородной модели магнитосферы, т.е. расположение областей прозрачности, направление потока энергии волн и т.д.

3) Изучены лучи (линии, вдоль которых направлена поперечная групповая скорость) азииутально-мелкомасштабных гидромагнитных волн, стоячих вдоль силовых линий в трехмерно-неоднородной магнитосфере. Показано, что, в отличие от аэимутально-симметричной модели, существуют лучи, которые и начинаются, и заканчиваются на тороидальной резонансной поверхности; при этом трехмерно-неоднородная магнитосфера состоит из секторов, отличающихся друг от

друга характером распространения волн с разным знаком азимутального волнового числа.

4) Исследовано влияние высокоэнергичиых частиц на распространение альфвеновских волн в двумерно-неоднородной магнитосфере. Баунс-дрейфовый резонанс с этими частицами вызывает неустойчивость, что приводит к усилению волны, происходящему в процессе ее распространения по магнитосфере, с инкрементом, зависящим от радиальной координаты. При этом на поверхности альфвеноиского резонанса инкремент обращается в нуль, поэтому мода полностью затухает из-за диссипации на ионосфере.

ПУВЛНКАЦИН

1. Д.Ю.Климушкин, Метод описания альфвеновской и магнитозву-ковой ветвей колебаний неоднородной плазмы, Физика плазмы, 1994, т. 20, No 3, с. 309-315;

?.. U.Yu. Klimushkin, A.S. Leonovich, V.A. Mazur, The theory cf standing Alfven waves with large azimuthal wave numbers in'an inhomogsnecus magnetosphere, Ann. Geophys., Suppl. Ill, V.12, Pt III, C-566, 1994

3. D.Yu.Klimushkin, A.S.Leonovich, V.A.Mazur, On the propagation of transversally-small-scale standing Alfven waves in a three-dimensionally inhomogeneous magnetosphere, Dournal of Geophysical Research, V. 100, A6, p. 9574, 1995;

4. Д.Ю.Климушкин, А.С.Леонович, В.А.Мазур, О распространении поперечно-мелкомасштабных стоячих альфвеновских волн в трехмерно-неоднородной магнитосфере, в сб.: Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, вып. 103, Новосибирск, "Наука", 1995;

5. D.Yu.Klimushkin, A.S.Leonovich, V.A.Mazur, Transverse propagation of standing Alfven waves in a three-dimensionally in-homogeneous magnetosphere, Intern.Union. of Geod.Geoph. Abstr., Week B, 21 Gen.Assemb. Boulder, B-102, 1995

6. D.Yu.K1imushk in, Spatial structure of transversally email-scale hydromagnetic waves in a plane finite-beta model magnetosphere, Planet. Space Sci., 1997, V.45. Mo 2., p. 269.

7. D.Yu.Klimushkin, Theory of azirauthally small-scale hydro-magnetic waves in the axisymmetric magnetosphere with finite

plasma pressure, Annales Gephysicaa, 1997, in press;

8. D.Yu.Klimushkln, Resonators for hydromagnetic waves in the magnetoaphere, 0■ CJeophye. Res., 1997, In press;

9. Д.Ю.Климушкин, Пространственная структура аэимутально-мелкомасштабкых гидромагнитных волн в аксиально-симметричной магнитосфере с конечным давлением плазмы, Физика плазмы, 1997, Т.23, No 10, с. 931-944;

10. D.Yu.Klimushkin, The structure of azimuthally small-scale hydromagnetia waves in an axially symmetric finite-pressure magnetosphere, Abstracts Bth Scientific Assembly of IA0A with ICMA and STP symposia, Uppsala, 1997, p. 334;

11. D.Yu.Klimushkin, On the possible existence of resonators for Alfven waves in the axiallysymraetric magnetosphere with finite plasma pressure, Ann. Geophys., suppl. Ill, v.15, ft III, C-643, 1997.