Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Регулярная и стохастическая динамика МГД-волн и частиц в магнитосфере земли

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Регулярная и стохастическая динамика МГД-волн и частиц в магнитосфере земли"

РГ6 0° 1 5 '»333

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

институт СОЛНЕЧНО-ЗЕМНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 550.385

СЕНАТОРОВ Владимир Никочаввич

РЕГУЛЯРНАЯ! И СТОХАСТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА МГД-ВОЛН И ЧАСТИЦ В МАПШООйЕРЕ ЗЕМЛИ

04.00.22 - геофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёно"; степени доктора физико-математических наук

ИРКУТСК - 1993

Работа выполнена в Институте солнечно-земной физики СО РАН в г.Иркутске

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук ПОНОЖРсЙ-Е.А. Доктор физико-математических наук КРИНБЕРГ И.А. доктор физико-математических наук КРОПОТКИН А.П.

Ведущая организация - Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта (г.Москва).

Защита диссертации состоится "_"_1993г.

в_часов на заседании Специализированного совета

Д.003.24.01 по защите диссертаций на соискание учёной степени доктора физико-математических наук в Институте солнечно-земной физики СО РАН по адресу: 664033. г.Иркутск, ул.Лермонтова,126

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗФ

СО РАН

Автореферат разослан " 3 " 1993г.

Учёный секретарь Специализированного совета кандидат

физико-математических наук : ^ . ^ А.И.Галкин

С „'

ОБЩ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена теоретическому исследованию регулнр-ной и стохастической динамики волк и частиц и изучению на этой основе ряда машитосфорних явлений в рамках международного проекта В Ч (программа исследований переноса энергии в солнечно Г* системе).

■ А к ту ад ь н о с т ь п ро б л е мы .

Физические процессы, развивающиеся в магнитосфере Земли, оказывает немалое влияние на условия практической жизнедеятельности человека. Такие важные для практики вопросы, как состояние ионосферы и условие радиосвязи, радиационная опасность при полётах е ближней космосе, самым тесным образом связаны с ускорением плазмы в магнитосфере и её высыпанием в ионосферу. Во многих исследованиях отмечено влияние сочнечной активности и магнитной воэмущённости на функционирование ^ивых организмов, а также на метеорологические процессы в атмосфере. Факторы и механизмы такого влияния ещё слабо изучены, однако, и здесь, по-видимому, магнитосферные процессы играют далеко не последнюю роль, В силу этих причин изучение происходящих в магнитосфера явлений представляет болыпой интерес не только с научной, но и с практической точки зрения. '

Содержание диссертации состоит из следующих разделов: МГД --ьолны, частицы,система волна-частица.-Каждый из этих физических объектов описывается с двух позиций, а именно, нл основе регулярной и стохастической динамики. Наряду с. этими разделами имеется екб один - посвященный бифуркационной модели энергетики

суббурь. ' ...

[1про<оц к стохастической динамике волн и частиц, то ост» к

области параметров, где нарушаются, например, интегралы движения за счёт невыполнения условия адиабатичности означает последовательный процесс углубления и расширения наших знаний о механизмах магнитосферных процессов.' И это естественный этап, пришедший на смену "великих географических открытий", связанных с описанием основных областей магнитосферы, ее геометрии и основных популяций частиц. При этом автором работы рассматривается прикладной аспект теории динамических систем, а на развитие собственно самой теории стохастичности.

Актуальность тематики, обсужддемой в данной работе, определяется принадлежностью её задач проекту 3 Т Е Р , поэтому развитие моделей, посвящённых изучению переноса энергии в магнитосфере Земли имеет в настоящее время важное значение.

Цельюданкой работы является исследование математических моделей регулярной и стохастической динамики МГД-волн и частиц в магнитосфере Земли,, в частности, посвященных:

а) изучению особенностей распространения МГД-волн с учётом поперечной дисперсии, следствий их етохастизации и опрокадывания; . б) рассмотрению,эффектов, связанных с проникновением и ■ движением сгустков внутри геомагнитной ловушки и с бал- листическш обтеканием её солнечным ветром;

в)■исследованию стохастической динамики частиц в системе

;волна-частица к на этой основе- анализ ускорения частиц, времён жизни ионов кольцевого тока и генерации магнитного поля;

г)- описанию энергетики магнитосферных возмущений на основе теории бифуркаций.

Научная новизна работы. В работе впервые пояучен ряц но-рых результатов:

- разработана теория альфвеновск:« волноводов, описывающая связь мекду крупномасштабны?.« и глелкомасютабщя/и модами в одномерно-неоднородной холодной плазме, которая представляет собой новое направленна исследований, поскольку до недавнего времени вопрос о возможости существования зтих волноводов вообще не ставился;

- обнаружено формирование множества каустик вблизи магнито-пауэи при баллистическом обтек&нки её солнечным ветром, что позволило описать всплески энергичных частиц как результат их ускорения в окрестности особых точек;

- рассмотрен новый подход весьма эффективного ускорения частиц вблизи каустики альфзеновскнх золн;

- рассчитаны времена кнзни конов кольцевого тока при рассеянии их на МГД-золнах и описана генерация продольного тока при опрокидывании инфразвуковых волн;

- приведена первая в отечественной геофизике бифуркационная: модель для описания динамики энерговыделения во время магнито-сферных возмущений, изложена методика такого моделирования, его достоинства, недостатки, перспективы и спекуляции.

Практическая ценность работы.

I. Физические модели регулярной1и стохастической динаники волн и частиц, предложенные в работе, являются ванным вкладом в теорию физики и магнитосферы. Результаты диссертации наши применение п работах других авторов в частности, -например, в модели (Метелкин, Федорович, 1985г) использована теопия движения плазменных сгустков для-изучения геомагнитных эффектов, связанных с бифуркацией плалмопауяы. Формулы, описывающие ускорение частиц, были усп&пно пртленекы п работах (Шадрина, 1С84г, 1сЖ'г) .для анализа связи ¡Э ^ - варивдий р изменчивостью ЖП.

2. Разработанные в диссертации «эханиэмы могут быть полезными в целом ряде родственных наук, например, в физике Солнца, для анализа поведения МГД-волн V, частиц в корональных магнитных петлях.

Положения диссертации, выносимте на защиту.

На защиту выносятся:

I. Теория волноводного распространения МГД волн в приэкваториальной магнитосфере, описыва&щая связь между крупномасштабными и мелкомасштабными модами в холодной, поперечно-неоднородной плазме. Показано, что наличие такой связи приводит к утечке энергии из МГД волноводов поперёк магнитного пол.;.

П. Физические модели регулярной и стохастической динамики волн и чаотиц, позволяющие описать формирование входного слоя магнитосферы, расширить диапазон действия классического механизма ускорения Ферми и нашл представления о тонкой структуре продольных токов и о времени жизни ионов кольцевого тока.

Ш. Результаты исследования обтекания магнитосферы Земли незамагничевным солнечным ветром и анализа каустик альфвеноЕС-ких волн, заключающиеся в том, что:

- показано формирование семейства особых точек вблизи маг-нитопаузы на которых происходит ускорение частиц до энергий наблюдаемых в эксперименте;

- рассмотрена новая возможность ускорения частиц на каустиках альфвеновских волн.

1У. Методика моделирования энергетики магнитосферных процессов на основе теории бифуркаций.

Структура и объём паботы. Диссертация состоит из четырёх глав, включая введение, заключенгэ и содержит 139 страниц машинописного текста, 13 рисунков. Список цитируемой литера-

туры включает 204 источника.

Лпообасия работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 29 работах, докладывались на семинарах СкоИЗьШР, №>¿3, на школах-семинарах по математическому моделированию ближнего космоса (Дивногорск, 1981г., 1967г.), на симпозиумах КАПГ по солнечно-земкой физике (Ашхабад,. 1979 г., Сочи, 1904., Самарканд, 1989г.), на семинаре "Перспективы исследовании геомагнитных пульсаций" (Иркутск, 1964), на международном симпозиуме "¡¡о-ляркке геомагнитные явления" (Суздаль, 1986), на Всесоюзном совещании по итогом выполнения проекта "Ме^ународные исследования магнитосферы" (Ашхабад, 1981"), на У1 школе-семинаре "иизи-ческие процессы в плазме магнитосферы" (¿¡осква, 1982), на симпозиуме МАС N'142 "Основные плазменные процессы на Солнце" в Бангалоре (Индия, 1989г.).

Достоверность результатов данной работы обсуждается путём сравнения с различными теоретическими моделями, полученными из других соображений и с экспериментом. Такое сравнение показывает, что результаты её разут,¡но согласуются с данными других авторов. Кроме того, поскольку данная работа теоретическая в ней уделяется много внимания пределам применимости рассмотренных задач.

Результаты, работы использовались при выполнении плана НИР, в отчётах и могут найти применение в институтах Госком-гидромета, а татае в академических институтах, университетах и. научно-производственных объединениях, занимающихся проблемами* физики магнитосферы, ионосферы и Солнца.

Содеп'У-анИе работы.

Во "введении обоснована актуальность теш, место полученных результатов среди работ других авторов, дана сводка основ-

ных результатов.

В первой главе рассмотрены особенности поведения ЫГД-волн в приэкваториальной области геомагнитной ловуики. Построена теория волноводных решений с учётом поперечной дисперсии, обусловленной конечной величиной параметра i¿ - , где и] -частота альфвеновсккх волн, а - гирочастота ионов.

Области, занятые'локализованными в поперечном напразлении и свободно распространяющимися вдоль магнитного ноля колебаниями, естественно назвать МГД-волновод&чм. Канализация и1ГД волн в поперечно-неоднородной плазме обусловлена холодной дисперсией.

Предполагаем, что плотность плазш Г^ есть функция одной координаты: К- - ), а температуры ионов и электронов постоянны. Магнитное поле Вс направим по оси . Из условия равновесия о ^

Л-/"71 + Т. 4 -

следует, что 00 есть функция координаты . Но в случае Р« / зависимость ) настолько слабая, что не влияет на

дальнейшие результаты и мы будем считать 30 — СОц ¡,£.

Электрическое Е- и возмущённое магнитное поле Ь монохроматической волны удовлетворяют систем* уравнений

/ч <- / С /

где - тензор диэлектрической проницаемости плазмы.

Полагая, В - В (ОС ) £Хр (- ¿Ш £ у ¿ Лу£ приходим к следующей системе уравнений

Здесь при р&»1е/ии

Наглядное представление о свойствах решений этой системы ыокно получить с помощью ВКБ - приближения. Принимая

5Х / б, ~ е х р( )

для безразмерного квазиклассического волнового вектора получим

^ = 1С К д'

- безразмерная плотность. Точки поворота, где ^ [^-О есть с1о;- ¡~ » - 1 + . В случае "холодной" дисперсии, при ])~ — /и < О функция у^У _имеет точки ветвления на действительной оси ¿^-/ 2. ~ между которыми ^ комплексна. При аналитическом продолжении через эти точки ветвь БМЗ переходит в крупномасштабную альфвечовскую ветвь А1. Аналогично мелкомасштабная ветвь А2 аналитическл продолжается в ветвь АЗ, для которой плазма непрозрачна,

В ходе исследований выяснилось, что утечку '£ГД-волн, связанную с трансформацией мод невозможно последовательно объяснить с помощью метода геометрической оптики .или уравнения типа Шредингера. В последнем случае теряются волновые моды. Для их полного описания автором использована точная волновая теория в рамках одномерной задачи» детально изложенная в диссертации.

Рассчитаны декременты затухания для различных волноводных мод. Показано, что крупномасштабный альфвеновский волновод су- ' ществуот » максимуме плотности, поперечный масштаб его собет-

венных функций порядка Í(2 jк?t¡ J , ti характерный масш-

- 10 -, --К

таб вдоль оси X .

Мелкомасштабный волновод при существует в

минимуме плотности, его масштаб порядка (ÜS) , -

скиновая длина

а при

в максимуме плотности, его масштаб () » гДе f¿ гирорадиус ионов.

В этой же главе рассмотрена задача о стохастизации плазмо-сферного . БМЗ- волновода. Такая задача поставлена и решена впервые в связи с важностью изучения условий удержания ЫГД--волн в нём. Это в свою очередь необходимо для исследования

i у .

геомагнитных пульсаций и механизмов нагрева частиц на L ~ У •

Анализ влияния слабых неоднородностей на распространение волн в БМЗ-волноводе выполнен на основе гамильтонороя динамики лучей. Оказалось, что стохастизация БМЗ волн сопровождается уменьшением его эффективного поперечного размера и удержание волн в нем становится неполным. Это имеет место и для магнито-звукового волновода существующего вблизи максимума слое| в ионосфере Земли.

Далее, в первой главе исследован математический тип каустики, возникающей при распространении и опрокидывании альфвенов-ских волн в приэкваториапьной области магнитосферы. Это позволило оценить рост амплитуды на ней геомагнитных пульсаций Pel, хорошо согласующийся со спутниковыми данными. В этом и состоит новизна этой задачи, которая представляет собой расширение результатов работы (Гульельми и др., 1983г), посвященной анализу возможности возникновения каустик для МГД-волн. Тип каустики и рост амплитуды'на ней связаны однозначно в классификации, основанной на теории катастроф.

Во второй главе рассмотрена динамика частиц на основе сгустковой и баллистической моделей частиц. Сгустковая идеология используется для анализа формирования входного слоя и поведения плазменных облаков вблизи пл&эмопаузы.

В переем случае взаимодействие неоднородностей плотности в солнечном ветре с геомагнитным полем изучалось на основе результатов лабораторных экспериментов, в которых исследовалось проникновение сгустков плазмы в поперечное поле. Механизм' проникновения заключается в возникновении в сгустке электрического поля поперечной поляризации и дальнейшее движение его поперёк геомагнитного поля представляет собой дрейф в скрещенных электрическом и магнитном полях.

Следует заметить, что проникновение сгустков в поперечное магнитное поле, в магнитосферу Земли рассматривалось неоднократно и раньше, в том числе и в СибИЗМИРе. В отличие от других работ электрическое поле п обсуждаемом подходе, необходимое для дрейфа, возникает в результате поляризации сгустка при вхождении его в геомвгнитное поле и является граничным эффектом, а . не задаётся заранее крупномасштабным типа вечер-утро. В последнем случае будет происходить заполнение плазмой всей дневной магнитосферы, а в нашем - формирование достаточно узкого входного слоя. "Греничность" электрического поля в обсуждаемой модели связана непосредственно с условиями на магнитопаузе и нам представляется ото более физичным и близким к результатам наблюдений .

Эксперименты АМРГЕ подтверждают возможность проникновения сгустков, найденные азтором оценки величины электрического поля, времени жизни их внутри магнитосферы. Однако сделать однозначный выбор в пользу данной теории нельзя в силу не всегда возможной идентификации проникших сгустков именно с рассматри-

ваемым механизмом,

В этой же главе рассмотрено движение плазменных сгустков вблизи плозмопаузы на основе дрейфовой теории. Такой подход справедлив при выполнении баланса давлений плазменного к магнитного, что для магнитосферы Земли' пикет место достаточно часто. В отличие от работ Чэгслелла, в которых такчш изучалось поведение плазменных облаков вблизи плазкопаузы, сгусток рассматривался нами как эффективная квазичастица, что позволило фактически использовать аппарат классической механики и описать его орбиты аналитически, а не численно. Аналитичность траекторий сгустков -это главное преимущество данного подхода перед другими.

Характер орбит сгустков изученный в данной работе, был использован в статье (Метёлккн, Федорович, 1&85г) для выделения геомагнитных вариаций обусловленных их движением. Для анализа использовались Н и - компоненты геомагнитного поля для бури с Кр = 6 происшедшей 22;мая 1968г, зарегистрированной на станциях: Фредериксбург, Даллас, Боуллер, Колледж. Сделана попытка отонздествления этих вариаций с перестройкой платмосферы. И наконец, в этой же главе рассмотрены особенности обтекания магнитосферы Земли'незамагнииенным солнечным ветром. Новизна такого подхода состоит не в анализе солнечного ветра как потока невзаимодействующих частиц, это делалось неоднократно и раньше, а в изучении поведения частиц вблизи особых точек, появляющихся при пересечении семейства траекторий в результате их гидродинамического опрокидывания. Вследствие этого возникает множество каустик вблизи поверхности магнитосферы (модель Алексеева-Ша-банского), которое формирует сетчатую структуру аналогичную геометрооптической в узлах которой (особых* точках) плазма перестаёт быть строго кваяинейтральной. Возникновение сетчатой структуры в окрестности магнптопаузы, состоящей из особых точек,

является новым фактом для физики магнитосферы и согласуется с результатами экспериментов АМРТЕ. Это позволило описать всплески энергичных частиц, регистрируемых на спутниках вблизи границы магнитосферы- Действительно, как выяснилось, плотность плазмы в особых точках локально возрастает в 2-6 раз. Наличие резких скачков плотности на магнитопаузе & характерным пространственным масштабом порядка дебаевского радиуса ^ /0См. создаёт всплески электрического поля(245)- Ю~^в/см, ускоряющего кэвные ионы до энергии<у 20-140 кэВ.

Подчеркнём следующее обстоятельство. Несмотря на хорошее согласие теоретических оценок и экспериментально наблюдаемых энергий автор прекрасно понимает, что данная модель достаточно груба. Наиболее существенное ограничение ее - это пренебрежение ММП (мекпланетным магнитным полем), роль которого в развитии мапштосферных процессов, общеизвестна.

В третьей главе рассматривается стохастическая динамика частиц в .системе'волна-частица. В частности, рассмотрены приложения' теории динамических, систем для,анализа механизмов ускорения. Физической основой всех их является классическое ускорение, Ферми.' ' . . • , .

Нами показано,-что при нестационарное™ геомагнитной, ловушки имеется достаточно. эффективный .процесс ускорения частиц на МГД-волнах, позволяющий ускорять циэкоэнергинше частицы до энергий кольцевого тока. После математических преобразований, формулу для оценки ускорения частиц мокно получить в.следующем

где ' / ~ паРаметР» характеризующий некогерентность

волн в магнитосфере, ¿с,'-/С А' 1 ¿0 - частота сбоя фал; -

длина альфвеновской волны с амплитудой I) , ¡f] - масса частицы; Ь - время ускорения. '

С помощью этой формулы можно, например,.убедиться, что протоны с <f /л(ib в хвосте магнитосферы за время Ю^с (при ^ '//'¡О ) ускоряются до энергий Си 5*20 коВ (при 8 'VIO нТл, Д ^ 107 см/с, I -»г нТя .¿(.¡л/1 сек"1).

Следует заметить, что нагрев частиц в нестационарном магнитном поле неоднократно рассматривался и раньше. Огромное количество механизмов ускорения связано с огромным многообразием условий в магнитосфера Земли. Большой вклад в развитие различных аспектор ускорения частиц был внесён Тверским Б.А. и его школой.

Новизна нашего процесса ускорения состоит в том, что частица проходит через неоднородность, а не отражается от неё.

Из сопоставления назего механизма с адиабатическим, основанным на сохранении магнитного момента, выяснилось, что на малых L - оболочках эффективнее работает адиабатический, а на дальних - наш. Полученные нами результаты были успешно применены, например, в работах (Шадрина, 19В4г, 1989г> для анапиза связи - вариаций с изменчивостью Ш, где показана также его более высокая эффективность для нагрева низкоэнергичной части спектра частиц кольцевого тока по сравнению с другими методами. Эффективность ускорения частиц в рамках рассмотренного нами механизма возрастает с ростом возмуцённости в связи с увеличением амплитуды геомагнитных пульсаций.

Представляется интересным и перспективным рассмотрение ускорения частиц на каустике альфпеновских волн, так как величина энергии, набранная частицей в нашем механизме, пропорциональна четвёртой степени амплитуды пульсаций. Такой механизм рассмотрен ьцррг-ыс а физике магнитосферы и он привёл к новому взгляду

воамсшюсти ускорения кэвных частиц до энергий порядка н* .

ких (первых) лосятков кэВ.

Далее, в этой главе рассмотрена отсхастизация и ^ск..;..

ионов при резонансном взаимодействии их с МГД-волнами. !.■■

чие этого параграфа от известных работ, например (Абдулл»"" .

Заславский, 198Тг) в выборе вида волн, области исследование

учёте магнитного поля. Получена формула, описывающая рост '.V'

гии частиц при и< стохастической динамике в поле альфзеноьсчи■

волн. Это позволило объяснить практически постоянно наблюдаем) / ^ У

нагреб ионов на и - Ч , поскольку для эффективной реализации обседаемого механизма имеется всё необходимое. В этой области магнитосферы практически постоянного регистрируются пульсации типа РсЗ и протоны подходящей начальной энергии. Другими

механизмами, по-видимому, весьма трудно объяснить феномен Хул/

тквиста, состоящий в нагреве частиц на вышеуказанной и - оболочке.

Этот те механизм ускорения был применён для анализа нагрева протонов не МГД-'волнах в солнечных магнитных петлях. Величина энергии до которой могут ускоряться мэвные протоны (до (V 20 мэВ) позволяет с одной стороны связать пульсации ра-

\

диоиэлучения с наличием энергичных протонов в петельных косо-нальных структурах, а с другой стороны, установить принадлежность радиоизлучения к конкретному виду, например, к 1У типу.

В этой же гляве рассчитаны времена ;шзни ионов Н+; 0+ в диапазоне энергий от 10 до 50 кэВ на ¿^4 6 хорошо согласующиеся с экспериментом. .Для этого использована формула, полученная автором при рассмотрении рассеяния ионов на :<К'Д-волнах. Исследованию питч-углозой диффузии частиц в магнитосфере Земчи посвящено достаточно много работ. В данном случае решение задачи отличается от других работ выбором типа волн, ог-

раничением рассмотрения приэкваториальной областью магнитосферы и как следствие этих упрощений - простотой и наглядностью формулы, имеющей следующий вид.

где - масса иона, - величина геомагнитного поля в экваториальной плоскости, 6 - амплитуда МГД-волны, ^ - число актов взаимодействия волн с частицей, ^^ ^б •

•Г"*"* &,/'<></? £ - 1'Ж*.,

О - координата, отсчитываемая вдоль силовой линии от эквато-

т ' • •

ра. При выводе формулы для ' использовались следующие предположения :

1. Дилольное приближение геомагнитного поля.

2. Рассматривались приэкваториальные частицы, продольные осцилляции которых вдоль силовых линий геомагнитного поля носят гармонический характер. , //л, -

3. Принималось, что о) <Р хор. , т.е. характерный масштаб изменения поля и размах осцилляций частиц вдоль

величины одного порядка.

4. Предполагалось такад, что Оа ■

В качестве принимаем величину ^ 10®см, ашлиту-

ду альфвеновских волн л^ I нТл, Д/ - I.

Из найденных оценок видно, что взаимодействие частиц кольцевого тока и альфвеновских волн может вносить существенный вклад в величину / . При этом можно выделить следующее.

1. Диапазон изменения / для ионоо /1 , О составляет от долей часа до десятков часов, что сопоставимо с фазами магнитной бури.

2. Бремя жизни ионов & в несколько раз больше чем для .юнов Н , что согласуется с оценками / для других: пронес-

сов. В частности, хорошо известно, что времена жизни для перезарядки ионов 0 с энергиями 7-30 нэВ примерно в 7 раз больше, чем для ионов И

Т

3. Из анализа поведения / следует, что потери частиц больших энергий и на дальних ¿1 - оболочках больше, чем в области малых Е и /л , в отличие, например, от перезарядки в

которой характер поведения V ( Ь, С 1- обратный.

гп у

Возросший интерес к изучения / назван изменением назих представлений о ионном составе ~ тока, переходом от одно-компонентного к многокомпонентному кольцевому току. Анализ, выполненный в данной работе, приводит к расширению возможностей описания времён жизни ионов в магнитосфере Земли в райках волновых механизмов. Рассеяние ионов на МГД-волнах даёт Т для ниэкоэнергичной части спектра частиц кольцевого тока такого же порядка, как например, е механизмах типа перезарядки, куленов-ского рассеяния и других, что говорит о том, что для оценок времён распада ^/С - тока по данным о магнитных бурях необходимо учитывать и данный процесс.

И наконец, в этой же главе рассмотрена генерация магнитного поля в ионосфера инфразвукоаыми волнами. Показано, что возбуждение электрического тока связано с поглощением части импульса волн электронами вследствие электронной теплопроводности при "опрощцывании" волн.

Отличие этого подхода от других работ, состоит в использовании хорошо известного факта состоящего в том, что при распространении звуковых волн, особенно, в направлении убывания плотности, они легко опрокидываются и превращаются в последовательность слабых ударных волн. Именно на этой нелинейной стадии и происходит особенно эффективная генерация магнитного гюля. Временная диномика продольного тока такова: медленное плавное

усиление, переходящее р ,!б--образную" фазу быстрого роста и затухания. Характерный пространственный масштаб таких продольных токовги 100 км. Многопотоковость волн после "опрокидывания" в ионосферных условиях соответствует "слоистости" тока. Амплитуда магнитного поля в зависимости от ионосферных параметров варьируется от единиц до десятков нТл.

В предыдущих главах мы уже встречались о катастрофами, появляющимися в различных геофизических задачах, связанных, например, с опрокидыванием волн и траекторий частиц. Поэтому, представляется естественным и логичным включить н диссертацию главу, посвященную рассмотрению теории бифуркаций как формального математического аппарата для описания геофизических ясле-ьлй.

С этой целью в четвёртой главе описаны бифуркационные модели магнитосферных возмущений. Поскольку для суббурь характерны резкие изменения амплитуды магнитной воэыущённости и множественные временные масштабы, всё это свидетельствует в пользу возможности применения методов теории катастроф для её моделирования. В частности, на основе такого подхода для описания динамики энерговыделения показана возможность резонансного характера возбуждения суббурь.

Работа автора, приведённая в диссертации, первая в отечественной геофизике, но не первая в мировой. В о дней из первых работ (пагата, 1974г) рассматривалась простейшая модель магнито-сфер«:ой суббурл на основе теории катастроф. К сожалений, эта работа ошибочна, так как в ней не выполнена редукция от математической модели к физической. Методика моделирования, приведённая в диссертации, позволяет избежать таких ошибок и открывает возмскность физически строгого подхода к применению и в исследованиях бкфуркациокнте моделей.

Далее, в этой' главе рассмотрены достоинства, недостатки таких моделей.

И наконец, в заключении дяссертаци'. приведены глзпные »ы-воды работы.

Основные результаты.

1. Создана теория МГД-волноводов в одномерно-неоднородной плазме на основе волнового рассмотрения с учётом связи мел-ду крупно и мелкомасштабными модами. Наличие такой связи, которой ранее пренебрегалось, приводит к тому, что в холодной плазме энергия крупномасштабных волноводньгх мод вытекает поперёк магнитного поля в виде мелкомасштабных колебаний и наоборот. Изучен математический тип каустики ачьфвеновских волн, рост амплитуды на ней и рассмотрена стохастизация БАЙ-волк в плазмос-ферном волноводе, которая сопровождается уменьшением его эффективной ширины за счёт затухания лучей. Этот эффект имеет место и для магнитозвукового ионосферного волновода существующего

О

вблизи максимума слоя I ^ •

2. Исследовано поведение плазменных сгустков внутри магнитосферы и вблизи её границы. На осноге этого рассмотрена модель формирования входного слоя, описывающая характер и величину электрического поля, возникновение флуктуации скоростей течения плазмы в нем, что находится в хорошем согласии с экспериментом, например, АДСМ. Аналитические выражения для орбит сгустков, полученные азтором, были применены в работе (Метёлкии, Федорович, 1985г) для выделения геомагнитных вариаций, связанных с бифуркацией плазмопаузы.

В баллистическом приближении обнаружены каустики, формирующиеся при обтекании магнитосферы неэамагниченннм солнечным ветром. Рост плотности плазмы и локального электрического пояя

в особых точках позволил дать одно из возможных объяснений гспдескоз энергичных частиц, регистрируемых ка спутниках, вблизи М8геттопаузы.

3. Рассмотрены некоторое аспекты стохастической динамики в системе волна-частица, в частности, танке: нагрев частиц, время жизни ионов кольцевого тока, процесс генерации магнитного поля. Такой подход расширил диапазон применимости классического механизма Ферми, позволил рассчитать времена жизни ионов кольцевого тока 1~1 > 0 и описать волокнист;/-,о структуру продольных токов.

На основе механизма ускорения частиц, рассмотренного нами, в работе (Шадрина, 1У89г) дано объяснение экспериментально обнаруженной связи л)^ - вариаций с изменчивостью ¿1.51 и показана его высокая эффективность по сравнению с другими методами. Последняя, сильно возрастает при рассмотрении ускорения частиц на каустике альфвеновских волн в связи с ростом на них амплитуды геомагнитным пульсаций. -Стохастизация ионов на ¿'¡ГД-волнах является эффективным механизмом нагрева частиц не только кольцевого тока, но и протонов солнечных корональкых магнитных петель. +

Время ясиэни У при • рассеянии их на ¡¿ГД-волнах в несколько раз больше, чем Н . Потери частиц больших энергий и на дальних Ь - оболочках из геомагнитной ловушки больше, чем в ооласти малых

Поглощение длинноволнового звука за счёт электронной топ*-лопроводностк, усиленное процессом опрокидывания, сопровождается эффективной генерацией б ионосфере магнитного поля с амплитудой от единиц до десятков нТл.

4. Излечена методика моделирования магнитосфврных возмущений на основе теории бифуркаций. Показан резонансный характер

возбуждения суббурь при нзуекении экерп ч солнечного ветра. Описаны достоинства и ограничения теори;-. катастроф для анализа геофизических явлений. Подчёркивается п'.км-;нк.гостъ от::х этапов для описания, а пе получения ннфор:.г "лик о физике процзссо».

Основные результаты диссертации опубликованы з следующих работах:

1. О дв1гкенки плазменных сгустков вблизи ллазмоплузк. // Геомагнетизм и аэрономия, 1У79, Т. 19, 5. С.941-943.

2. О проникновении неоцнородностей солнечного ветра внутрь магнитосферы. //Геомагнетизм и аэрономия. 1960, Т.20, № 2,

С.290-293 (созместно с 3.П.Максимовым).

3. О Армировании входного слоя магнитосферы. // Тезисы докладов Симпозиума 1\ЛПГ по солнечно-земной физика. (г.Ашхабад, октябрь, 1979г), С.62 (совместно с З.П..Уаксм.:огжл).

4. О механизме ускорения магнитосферных частиц при взаимодействии их с ЛГД-волнами. // Геомагнетизм и аэрономия, 1981,

Т.21, № ?., С.337-341. (совместно с С.И.Зайнлтейном).

5. АльфзеновскиЛ волновод. // ;ХЭТэ, 1983, Т.85, вьгп.1(7) С.141-145 (совместно с А.С.Леоновичем, З.А.Мазуром).

6. Дисперсионный эффекты МГД-волн в неоднородной плазме. //В кн. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, 1963, вып.66, С.3-17 (совместно с А.С.Леоновичем, В.А.Ма-зуром).

7. Качественное моделирование энергетики суббурь на основ« теории катастроф. Препринт СибИЗШР, 8-83, г.Иркутск, 1983,

С.1-24.

8. Моделирование энергетики суббурь на основе теории катастроф. // Геомагнетизм и аэрономия, 1984, Т.24, № 6, С.953-967. (совместно с ¡й.Г.латюхиныы).

9. Каустика альфвеновских волн. // Геомагнетизм и аэрономия, 1964, Т.24, .\> 6, C.I036-I037.

\

10. МГД-волноводы в неоднородной плазме. // '¿изика плазмы, 1985, Т.II, вып.9. C.II06-1II5 (совместно с Л.С.Леоновичес. В.Л. Мазуром).

11. Альфвеновские волноводы в магнитосфере Земли. // 3 кн.: Тезисы докладов 1У симпозиума КАПГ по солнечно-земной физике (г.Сочи, ноябрь, 1984г), C.II3-II4 (совместно с Дмитриенко И.С., Леоновичем A.C., Мазуром В.А.).

12. Моделирование чнерговыделения ыагнитосфэрных возмущений на основе теории катастроф. // В кн.: Тезисы докладов 1У симпозиума КАПГ по солнечно-земной физике (г.Сочи, ноябрь, 1984г) C.I09-II0.

13. МГД-волноводы в неоднородной плазме. // 3 сб.Тезисы докладов семинара "Перспективы исследований геомагнитных пульсаций". (г.Иркутск, июнь, 1984г.), С.20 (совместно с Леоновичем A.C., Мазуром В.А.). ,

14. О каустике альфзеновских волн. //В сб. Тезисы докладов семинара "Перспективы исследований геомагнитных пульсаций (г.Иркутск, конь, 1984), С.19.

16.

Iv;HD-waveguidea in an inhomogeneoua plfasma. Preprint sibizMIR » № 19-84, 1984, p.1-22 (совместно с Леоно-

вичем A.C., Мазуром В.А.).

16. К теории обтекания магнитосферы Земли незамагннчвпной плазмой солнечного ветра. // В кн.: Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, 1987, вып.78, С.26-28.

17. Ускорение магнитосферньгх ионов на каустике альфвеновских волн. // В кн.: Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, 1988, вып.81, С.148-149.

18. О стохастизации БЖ-волн в мапжтоз: /ковом волноводе. //Геомагнетизм н аэрономия, 1990, Т.30, !'■ I, С.Ш-НЗ.

19. 0 стохасткзэции окваториатьнух магнктосферкнх ионов на ГЛГД— волнах. // Геомагнетизм л аэрономия. ¿990, Т.30, ,7» 2, С.319-321.

20. Стохастизация В, .В - волк в магнитол .уковом эолкозоде. // В сб. Тезисы докладов У Симпозиума РАНГ по солиечно-зек^сй физике (г.Самарканд, октябрь, J9ñ9,v.,), С.149.

21. Стохастизация экваториальных магни-хосферках ионов на ^ГД-волнах. //3 сб.: Тезисы докладов У Симпозиума КДПГ по сол-нечно-зекной физике (г.Самарканд, октябрь, 1989), С.150.

22. О стохастической динамике протонов в солнечных магнитных петлях. // В сб. Тезисы докладов У Симпозиума КАПГ ьо солнечно-земной физике (г.Самарканд, октябрь, 1939), С.267-268 (совместно с Томозооьш В.М.).

23. О времени жизни конов кольцевого тока при рассеянии их на МГД-волнах. Препринт СибИЗМйР, № 23-89, 1989, G.I-6.

24. О времени жизни ионов кольцевого тока при рассеянии их на МГД-волнах. К Геомагнетизм и аэрономия, 1991, Т.31. С.359-361.

25. On stochastic dynamics of protons in solar

magnetio loops. Труды симпозиума Щ.С .'Я42„ "Основ-

ные плазменные процессы на Солнце, Бангалор, Индия, 449, 1990г. (совместно с Томозовкм В.М.),

26. О стохастической динамике протонов в солнечных ыагн». гнмх петлях. // Кинематика и физика небесных тел, 1991, Т.7. С.30. (совместно с Томооог.ым B.2¿.).

27. Стохастическая динамика частиц и МГД-волн в мапштосфере Земли. //Исследования по геомагнетизму, аэрономии л физика Солнца. I9?2, .>97, С.3-23.

28. О генерации магнитного поля в ионосфере инфраэвуковыыи волнами. // Геомагнетизм и аэрономия, 1991, Т.31. С.727-729.

29. Расчёт времени жизни ионо$ кольцевого тока при взаимодействии их с мГД-волнаш. Тезисы совещания "Математические модели ближнего космоса", Москва, 1990, С.34.