Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Роль волновых явлений солнечного ветра в генерации геомагнитных пульсаций

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Роль волновых явлений солнечного ветра в генерации геомагнитных пульсаций"

РОССИЙСКАЯ АКАДОШ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЗШ ИМ.О.Ю.ШМИДГА

РГ6 од

- 9 АВГ 1993

На правах рукописи УДК 550.385

ГШЯСОВА-БАИУНИНА Татьяна Алексеевна

РОЛЬ ВОЛНОВЫХ ЯВЛЕНИЙ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА В ГЕНЕРАЦИИ ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ

( 04.00.22 -геофизика )

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физито-математических наук

Москва, 1993 г.

Работа выполнена в ордена Ленина Институте физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН

О'фишальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Б.А.Тверской доктор технических наук, профессор Л.Л.Баньян доктор технических наук Е.Л.Собисевич

Ведущая организатия - Институт Земного Магнетизма Ионосферы и Распространения Радиоволн РАН.

«&0 " (ytt4*V

Защита диссертанте состоится " cW f_ ,_1993г.

в __час. __мин- на заседании Спегиализированного

Совета (шифр 002.08.021 по присуждению учено? степени доктора наук при ордена Ленина Институте физики Земли им.О.Ю.Шмидта РАН (Москва, Б.Грузинская, 10, ИФЗ РАН).-

С диссерташе» можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН. Автореферат разослан ".

Ученый секретарь Специализированного Совета

Jf

А.М.Артамонов

Актуальность_пЕоблему._ Диссертация посвящена разработке наземного метода-слежения за параметрами солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ШП) .основанного на наблюдении геомагнитных пульсаций.

Если с помощью радиоастрономических методов можно оценить такие параметры,как скорость движения межпланетной среды или размеры и спект ры неоднородностеи, то не существует наземного метода определения напряженности В ММП. Информация о напряженности ММП необходима,например, для вычисления альвеновской скорости солнечного ветра,вчастности, для вычисления индекса Акасофу,который является мерой поступления энергии солнечного ветра в магнитосферу. Абсолютная величии напряженности ММП В вместе с ее ориентацией является параметрами необходимыми для осу-дествления'прогноза магнитной активности (вычисление магнитного эффекта кольцевого тока),что позволит использовать указанный метод в гелио--геофизической службе. Создание наземного метода определения такого важного параметра межпланетной среды позволило бы осуществить'"наземную поддержку" спутниковых данных (заполнение пробелов информации о ММП), а в некоторых случаях и заменить дорогостоящие космические эксперименты более дешевыми наземными. Изучение связи геомагнитных пульсаций с параметрами солнечно» плазмы и ММП помимо специального интереса существенны дая понимания физики солнечно-земных связей и в част* ности, для. изучения каналов проникновения волновой энергии солнечного ветра в магнитосферу. Полученные обширные экспериментальные материалы по распределению интенсивности волновых полей на земной поверхности, по связям МГД-волн в солнечном ветре и геомагнитных пульсаций на земле - дают' обширный материал для построения самосогласованной теории генерации геомагнитных -пульсаций.

Если для иррегулярных пуйьсаций класса. Pi (ри 6sa {ions ¿izeyutjpz} известно-геофизическое явление (суббуря), которое объединяет их в единый по своему генезису класс, то для пуйьсаций Рс ^pulsations conttnt'cui)не известно такое объединяющее явление и подклассы от Рс Г до Рс 5 изучались раздельно

как генетически не связанные друг с другом. Анализ совокупных материалов диссертации позволил указать геофизическое плазменное явление, объединяющее весь класс Рс 1-5, а именно - МГД волны солнечного ветра, и построить новую расширенную концепцию внемагнитосферной генерации класса Рс.

2°Н2?Й!Ё_!!2й£_2_1£ЗНЬтаты_2аботы. Основным направлением работы является экспериментальное подтверждение гипотезы внемагнитосферной генерации геомагнитных пульсаций. В диссертации рассматриваются следующие задачи:

- изучение пространственной картины распределения волновых полей геомагнитных пульсаций по земной поверхности;

- изучение связей характеристик пульсаций (периодов и амплитуды) с параметрами солнечного ветра и компонентами ММП;

-» выделение основного параметра околоземного пространства, влияющего на формирование наземного спектра геомагнитных пульсаций;

-•поиск признака разделения пульсаций внемагнитосферного и внутриыагнитосферного Рстд происхождения, использующего сеть наземных станций;

- построение метода мониторинга напряженности ММП с помощью геомагнитных пульсапий диапазона 5-100сек;

- определение источника Рс в солнечном ветре;

- изучение Рс 1-2 в высокоширотных областях;

- экспериментальное доказательство связи низкочастотного (НЧ) и высокочастотного (ВЧ) поддиапазонов- класса пульсапий Рс ( на примере Рс 4-5 и Рс. 1-2);

- разработка механизма перекачки энергии от НЧ до ВЧ колебаниям класса Рс .

До 1971 года во всех монографиях и обзорах господствовала точка зрения, что геомагнитные пульсации являются собственными резонансными колебаниями ыагнитосферного резонатора, который возбуждает-

ся неустойчивостью Кельвина-Гельмгольга (К.-Г.) на магнитопаузе (гипотеза Данжи). Вся совокупность морфологических знания, в частности, результаты по связям характеристик Рс 2-4 с параметрами околоземного космического пространства, которые были получены к тому времени, находили непротиворечивое объяснение в рамках существующее теории Данжи.

Обнаруженная автором диссертации связь периодов пульсаций Рс.2-4 Т с напряженностью В ММП: Т=-(£о/В (или Т=2,5ТВ , где Тв - гиропериод протонов солнечного ветр^,не укладывалась в рамки с^ествуюцих моделей.Для её объяснения в 1971г. автором диссертации была высказана идея о генераттти части геомагнитных пульсаций ■ солнечном ветре ( эта часть названа Pc.sk, ). Необычность этой идеи потребовала длительного, серьезного и кропотливого экспериментального обоснования.

Из приведенных в диссертации экспериментальных фактов следует, что источником Рс 5И(. являются узкополосные' альвеновские волны, которое генерируются протонами, отраженными от фронта ударной волны и движущимися навстречу солнечному ветру вверх по потоку.

В диссертации рассмотрен механизм генерации волн в солнечном ветре пучковой неустойчивостью протонов. Получены опенки линейных инкрементов нарастания волн. Максимум инкремента соответствует

со = 0,4 (или Т = 2.5ТВ ), что удовлетворитель-

но совпадает с экспериментальным результатом для Рс 2-4. Получены также зависимости характеристик волн от ориентации ММП, скорости солнечного ветра,которые качественно совпадают с найденными автором диссертации экспериментальными зависимостями.

В диссертации.обсуждаются вопросы прохождения сигнала из солнечного ветра к земле. Показано, что появление квазимонохроматйчес-ких сигналов на земле с периодами, зависящими от ММП как Т= 1С0/В связано с превышением скорости солнечного ветра V некого критичес-

кого порога Vkp, который представляет собой сумму альвеновских скоростей в двух средах: солнечном ветре и магнитосфере.

В диссертации показано, что пульсации PeSvv и Peпервоначально разделенные по признаку наличия (для первых)и отсутствия (для вторых) связи их периода с напряженностью ММП различаются пространственным распределением волновых полей. Пульсаиии Pcsw имеют главный максимум интенсивности в области каспа (что соответствует гипотезе внемагнитосферной генерации), а пульсами Рст^ имеют главный максимум интенсивности на широтах-í 65°, соответствующим внутренним областям магнитосферы (что соответствует гипотезе внутримагнитосферного источника). Обнаружены различия в суточном ходе частоты появления Pcsw и Pe • .

Прямое сопоставление волновых явлений в солнечном ветре (спутники HEOS- Г,П) и на земле (ст.Борок)показало,что периоды пульсагай в двух средах совпадают с большой точностью. Изучение времени запаздывания"волнового пакета" зарегистрированного на земле относительно его начала на спутнике определило тип источника волн в солнечном ветре,которым являются протоны,движущиеся от фронта ударной волны к спутнику. Оценка энергии протонов по времени запаздывания сигнала совпадает с экспериментально наблюдаемыми вели чинами. Эти результаты являются фундаментальным экспериментальным подтверждением гипотезы внемагнитосферной генерации.

Результатом решения этих задач явилась разработка простого метода активного исследования иирокого круга проблем физики околоземного пространства. В диссертации разработан метод наземного мониторинга напряженности ММП по измерениям геомагнитных пульсаций диапазона 5-Ю0сек в двух пунктах наблюдения, разнесенных на расстояние, превышающее масштаб локальных волновых полей пульсаций. Подобная регистрация пульсаций позволяет выделить из класса Рс 2-4 пульсации Pcsw , что привело к значительному увеличению точности

определения В . Метод позволяет с вероятность» 90% определять значения В с точностью определения этой величины прямыми спутниковыми измерениями.

Множество общих морфологических свойств двух подклассов Рс 1-2 и Рс 3-5 класса пульсапий Рс позволяло предположить генетическую общность этих подклассов. Однако,прежде следовало убедиться,что эта общность распространяется и на высокие широты, для которых морфологические свойства Рс 1-2 были мало изучены. Данные уникальной сети высокоширотных станшй позволили сделать не только это, но и обнаружить модулягию амплитуды Рс 1-2 низкочастотными колебаниями Рс 4-5. Обсуждение полученного экспериментального материала показало,что Рс тд 4-5 могут эффективно возбуждать колебания диапазона Рс 1-2. •Предложен механизм такого взаимодействия. Сравнительный анализ свойств МГД-волн в солнечном ветре я на земле позволил сделать вьга&д о том, что не только Рс5У</ , но и Рс .а также генерируемые ими

пульсаши Рс 1-2 , т.е. практически весь диапазон пульсатай Рс имеет первичный источник в солнечном ветре.

Новизна_]эезщьтатов_и_те_п£ает^еская_и^

Впервые установлено неизвестное ранее явление внемагнитосферной генератаи пульсаттий. Сущность его заключения в том, что. миллигерцо-вче МГД-волны альвеновского и магнитозвукового типа, генерируемые в межпланетной среде перед фронтом околоземной ударной волны ответственны за возбуждения пульсашй типа Рс.

Впервые убедительно доказана пелой серйей надежных экспериментальных результатов и теоретически обоснована идея внемагнитосферной генерации Рс.

Если с помощью радиоастрономических методов можно оценить та-, кие параметры, как скорость движения межпланетной сре'ды или разыёры .и спектры неоднородностей, то не существом«наземного метода определения напряженности В ММП. Информация 0 напряженности ЙМП необходи

ма,например, для вычисления альвеновской скорости солнечного ветра и в частности, для вычисления индекса Акасофу, который является мерой поступления энергии солнечного ветра в магнитосферу. Создание наземного метода определения такого важного параметра межпланетной среды позволяет осуществить"наземную поддержку" спутниковых данных (заполнение пробелов информации о ММП),а в некоторых случаях и заменять дорогостоящие космические эксперименты более дешевыми наземными.На базе изложенных в диссертации результатов автором разработан наземный метод мониторинга напряженности ММП по данным геомагнитных пульсатай Рс2-4 диапазона 5-100сек, который дает 9(У?-точность определения параметра.Метод основан на вычислении функгаи когерентности сигналов диапазона 5-100сек,записанных на двух станциях,разнесенных друг относительно друга по широте и долготе более чем на20°и 10° соответственно.Максимум функции когерентности соответствует частоте Р пульсата»,генерируемых в солнечном ветре. Зная Р .легко вычислить В (В = 0,16 Р (Мгп) ).Такой способ вычисления дает более высокую точность значения В чем то,которым характеризуется предложенный ранее "В-индекс",вычислявшийся только по данным одной стан-ши (с точностью не выше .

Впервые получен-,I новые морфологические закономерности для пульсаций Рс1-2 в области высоких широт( Ф'т* 65°) .используя уникальную систему стант^ с идентичной аппаратурой. Приведены экспериментальные доказательства в пользу генерации Рс 1-2 на гирочастоте Не+. Установлена взаимосвязь НЧ(Рс,„^4-5) и ВЧ(Рс 1-2)колебаний на высоких широтах.Предложи механизм взаимодействия НЧ и ВЧ колебаний-гене рагия Рс1 низкочастотными резонансными колебаниями Рстд . Оценены коэффициенты усиления волн для симметричной и антисимметричных мод резонансных колебаний.

На основе анализа совокупности материалов предложена новая конпепгая о едином источнике, связывающем весь класс Рс колебаний.

Источником являются МГД-волны солнечного ветра альвеновского и маг-нитозвукового типа. Первые ответственны за генератиго Рс .а вторые - за генерацию Рс^ . Хотя в структуре волнового поля Рст^ играют роль альвеновские резонансы геомагнитных силовых линий,однако возбуждение резонатора . в значительной степени осутдесгьляется -падащими магнктозьуковы:-и волнами солнечного ветра.

- экспериментальную зависимость периода Рс 2^1 от В напряженности ШП;

- зависимость частоты появления Рс 2-4 и их периода от У -азимутальной составляющей ММП;

- результат корреляшонного и многофакторного анализов о доминантном факторе (напряженности ММП), формирующем спектр геомагнитных пульсатай;

- наличие "полярного" максимума интенсивности пульсашй вне-магнитосферного происхождения (Рс5и/ ) и "среднеширотного" максимума интенсивности пульсаций внутримагнитосферного происхождения (Рс^д );

- результаты прямых сопоставлений волн в солнечном ветре и

на земле: идентичность спектра-в двух средах - на земле_и з солнечном ветре; зависимость частоты появления сигналов от ориентации ММП; зависимость времени запаздывания между регистрагиёй пульсагий на земле и на спутнике от положения спутника в пространстве; усло-ия "пороговости" для прохождения сигнала из солнечного ветра к «мной поверхности;

- метод мониторинга В.ММП по вычислению функтши когерентности сигнала Рс 2-4 в двух пунктах;

- результаты морфологических исследований Рс 1-2 в высоких широтах на двух меридиональных цепочках станций;

- модулятцю Рс 1-2 низкочастотными Рст4-5 колебаниями;

— механизм генерации Рс I низкочастотными резонансными колебаниями;

— обсуждение результатов исследований в свете новой концепции происхождения .класса Рс геомагнитных пульсатР.

Стщктура^боты^ Диссертация содержит 152 страницы машинописного текста, 46 рисунков, 15 таблиц и состоит из введения, 6 глав, заключения и приложения. Во введении определены задачи диссертации и приводится краткое содержание глав. В первой главе приводится теоретический обзор механизмов генерации геомагнитных пульсаций диапазона Рс 2-5. В главах П-УТ излагаются основные экспериментальные и теоретические результаты, полученные автором.

Глава П диссертации посвящена исследованию закономерностей, связывающих характеристики пульсаций Рс 2-4 с рядом параметров околоземного космоса. Чтобы определить главный параметр, формирующий спектр Рс 2-4 в диссертации проведены корреляшонный и многофакторны{ анализы, которые показали с очевидностью, что среда параметров межпланетной среды: В , Вх, Ву, В г , V , п , Р, Т°, «V , «V2, самое значительное влияние принадлежит параметру 3 (§ 2.4).

Длительные поиски геоэффективного параметра, формирующего спектр геомагнитных пульсаций показали, что период пульсаций Т зависит от В - абсолютной вёличины напряженности межпланетного магнитного поля ( ММП ) ( ? 2.3) и находится с ним в определенном отношении, а именно Т = 160/В. Обнаружена зависимость периода пульсаций от азимутальной составляющей ММП - ¿Р (§2.3).

Отсутствие зависимости периодов колебаний Рс 2-4 от В2- компоненты ММП является существенным экспериментальным фактом для выбора механизма генерации Рс 2-4 ( 5 2.3).

Менее очевидным представлялось влияние параметров ММП на

амплитуду (А) пульсаций Рс 2-4 в связи с большей изменчивостью последней. Многофакторный анализ связи А с составляющими ММП^ а также со скоростью солнечного ветра подтвердил подмеченные ранее две зависимости, равные по влиянию: амплитуда зависит от ориентации ММП (Большакова, 1968) и скорости солнечного ветра (Саито, 1964) (52.3).

Ш-я глава диссертагаи посвящена изучению распределения интенсивности волновых полей Рс 2-4 по земной поверхности. Решается вопрос о выборе механизма генерации пульсаций, соответствующего распределению волновых полей пульсаций Рс 2-4 по поверхности Земли. Организация специальных геофизических экспериментов с участием автора предшествовала реиению поставленных проблем.

В 5 3.1 гл.'Л представлено распределение интенсивности Рс 2-4 вдоль меридионально?5 гепочки станти" от 25° до 71°. Подтверждено наличие выявленного в более ранних работах (Элеман, 1967; Киселев и др., 1969) "средне-широтного" максимума интенсивности, расположенного на 4 г 5 . Обнаружен новый высокоширотный максимум интенсивности в районе Уг 8 4-9 более значительный по амплитуде.

В 5 3.2 по системе из 25 стантшй Евро-Азиатского континента исследована детальная пространственная картина распределения волновых поле" Рс 2-4 , которая выявила , ^тэ среднсширотный максимум проявляется в утренние и дневные часы, а высокоширотна;5 - в полуденное время.

Такое распределение интенсивности волновых полей Рс 2-4 не указывает явно на внемагнитосферный механизм их генерации, который предполагает наличие максимума э области проекции места- проникновения плазмы солнечного ветра, т.е. в области так называемого каспа/ клефта ( I- > 10). С целью проверь такого предположения было исследовано распределение интенсивности от средних широт до области дневного каспа вплоть до 77° на материалах уникальной системы г<-ти

станли;1 2РГ, оснащенных идентичной аппаратурой и 3-х русских станций. Предположив, что волновое поле пульсаций Рс (5-100 сек) является суперпозицией волновых полей пульсаций двух типов - внемагнито-сферных Рс^ и внутримагнитосферных Рс , проведено исследование распределения волновых полей раздельно для указанных типов. Разделение пульсаций осуществлялось по признаку связи периода с напряженностью ММП. Такой целенаправленный аналиэ показал (§ 3.3), что действительно в области широт выше 74° расположен самый значительный по интенсивности максимум Рс 2-4£У1) - "полярный". Пульсации-внутримагнитосферного происхождения Рс 2-4„3, частота которых не связана с напряженностью ММП, имеют основной максимум интенсивности на широтах ниже 65°. Обнаружено также различие в суточном ходе частоты появления пульсаций двух типов - утренний (10 1.Т) и дневной (12 И).'максимумы для Рс5ы и Рстд соответственно.

В § 3.4 показано, что Рс5м не меняют направление вращения эллипса поляризации вблизи локального полдня, как это должно было бы быть, если источником этих колебаний являлась бы неустойчивость типа Кельвина-Гельмгольча на магнитопаузе.

Постоянство частоты волны;на трассе распространения является тем условием, которое позволяет наблюдать на земле сигнал из солнечного ветра в виде геомагнитной пульсации с частотой Г . Исходя' из этого, прямое сопоставление- волн в солнечном ветре и на земле может быть тем решающим -звеном,' которое позволит принять однозначное решенйе о характере источников геомагнитны^ пульсапий. Такой анализ составляет тему исследований 1У главы диссертации.

В 5'4.1 проведено сопоставление волн внутри магнитосферы на . геостационарной орбите' ( I- = 6.6) и на земле.(ст.Борок). Показано, чго некоторая часть волн диапазона Рс 3, которые наблюдаются на

спутнике, одновременно регистрируются и на земле. Как показал анализ, период именно этих пульсаций контролируется ММП, т.е. они являются волнами внемагнитосферного происхождения. В основном же спутник регистрирует волны Рс^^ диапазона Рс 4, которые не имеют связи с ЬЫП и не проходят к земле.

Сопоставления спектров волн, зарегистрированных в солнечном ветре (спутник "Эксплорер-33") и на земле (ст. Борок), впервые выполненные автором, показали, что периоды пульсаций в обоих средах совпадают (§ 4.2). Частотные кривые появления волновых сигналов в солнечном ветре и пульсаций Рс 2-4 на земле в зависимости от изменения азимутальной составляющей ММП также аналогичны (5 4.2).

В § 4.3 исследуются вопросы распространения волнового сигнала из солнечного ветра к земле. Цутем анализа обширного материала одновременных волновых всплесков в солнечном ветре (спутник

HEOS - I, П) и волновых явлений в этом se диапазоне (Рс 2-4) на земле (ст. Борок) обнаружено: совпадение сигналов на земле и в солнечном ветре наблюдается тогда, когда скорость солнечного ветра больше некоторого критического порога V „., где V кр = СА + con si t СА - альвеновская скорость в солнечном ветре. При малых скоростях солнечного ветра ниже указанного порога сигнал из солнечного ветра на земле не наблюдается.

Появление внемагнитосферных пульсаций на земле связано с превышением скорости солнечного ветра некоторого критического порога, который является функцией t и В . Обсуздается вопрос о том, что неустойчивость К.- Г. (пороговая неустойчивость) усиливает волны, идущие из солнечного ветра, в области ее эффективной генерации - на флангах магнитопаузы вблизи каспа , что определяет появление на земле Pcíiv .

В саком солнечном ветре источниками волн, дающих вклад в Pcsw,, могут быть несколько-агентов: I/ МГД-волны, идущие от Солнца; 2/ волны в окрестности фронта ударной волны (ФУВ), генерируемые "диффузными" протонами; 3/ монохроматические альвеновские волны, связанные с. наличием протонов, отраженных от ФУВ - так■называемый "гидромагнитный ореол". Поэтому ставится задача конкретизировать источник геомагнитных пульсаций Pcsw. Изучение времени запаздывания аг между началом характерных всплесков квазимонохроматических сигналов в солнечном ветре и последующей регистрацией их на земле (§ 4.4) показало, что &Т не возрастает с удалением спутника от ФУВ, а наоборот, уменьшается. Самое значительное запаздывание наблюдается когда спутник находится около ФУВ. Т.е. сигнал регистрируется на спутнике только тогда, когда частицы (протоны) достигнут точки, где находится, спутник. Делается вывод о том, что мы имеем дело с источником не приближающимся к земле, а удаляющимся от нее. Сделана оценка энергий отраженных протонов по временам запаздывания сигналов. Полученные величины (от 1.8 до 2.5 kev ) совпадают с экспериментально наблюдаемыми энергиями протонов.

Результаты исследования позволили сделать выбор в пользу третьего агента - "гидромагнитного ореола" как источника геомагнитных пульсаций Pcsiv, в солнечном ветре.

В § 4.5 рассмотрена применимость механизма генерации пульсаций в солнечном ветре пучком протонов, отраженных от ФУВ и движущихся вверх по потоку. Обсуждается механизм двухпучковой неустойчивости, рассмотренной ранее другими авторами (Гульельми, Потаповым 1974). Новым дополнением является введение рассчитанной функции распределения отраженных протонов по скоростям. Рассмотрен общий случай произвольной ориентации лЫП. Показано, что линейный инкремент нарастания возмущений максимален по частоте ы = 0.4 о)в ( где и& - гиро-

частота протонов), что хорошо согласует с экспериментом. Показано, что инкремент растет также с увеличением скорости солнечного ветра и уменьшается с отклонением вектора В ММП от линий Солнпе-Земля. Теоретические опенки хорошо совпадают с экспериментальными результатами, представленными в 552.3; 2.4.

В ? 4.6.обсуждается применимость механизма генерации пульсаций на магнитопаузе неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца. В отличии от модели Данжи и Саусвуда разбирается случай обтекания потоком не полупространства ( с границей в виде тангенциального разрыва), а слоя конечной толщины. Эта модель более близка к реальности и следствием её является ограничение спектра генерируемых волн.

Как ясно из предыдущего, в природе реализуется главным образом два типа пульсаций в одном и том же частотном диапазоне Рс 2-4 - узкопояосные сигналы из солнечного ветра Pc&w и собственные колеб«шия магнитосферного резонатора Pcmj*

Поэтому очевидно, что проблема наземно'" диагностики и мониторинга параметров солнечного ветра, которая может быть решена лишь путем наблюдений, сводится к проблеме выделения пульсаций первого типа Рс из совокупности всех колебаний Рс 2-4.

Реализации этой идеи посвящена У глава диссертатаи, в которой ' излагается наземны* метод мониторинга межпланетного магнитного поля по геомагнитным пульсациям Рс 2-4.

Используя данные пар среднеширотных станций с большим широтным и долготным разносом, а также данные площадно» сети станций, удалось показать, что морфологическим признаком пульсатай Рс sw является глобальность волнового поля ( 5 5.1). Экспериментально определен минимальный широтный ( Л -5 ^ 20°) и долготный (AV\_<30°) разнос стан-ч", .отары!1 превышает характерный размер локального поля внутримагнитос(*ерных источников. Вычисление функции когерентности сигнала в диапазоне 5-100 сек на паре станций с А-Л. = 30°

показало, что ее максимум по обеим горизонтальным компонентам Н и 13 соответствует частоте сигнала из солнечного ветра (§•5.2). Точность определения ШП по указанной методике наземного слежения составляет 9С£. Значительное преимущество указанного метода по сравнению с введенным ранее "В-индексом" становится достаточно очевидным, если учесть, что точность последнего не превышает 50"$.

Разработанный метод наземного мониторинга В ММП по геомагнитным пульсациям получил авторское свидетельство об изобретении (февраль 1990г.).

В 5 5.3 проведен сравнительный анализ значения коэффициента в формуле В = д р(М гц) .полученных разными авторами по разным объемам выборок и с использованием различных методик наблюдений пульсаций (отдельные обсерватории, широтные и долготные цепочки обсерваторий). Кроме того анализируются значения коэффициента д для пульсаций в солнечном ветре, в окрестности Земли, измеренных на различные космических аппаратах, а также для измеренных в окрестностях других планет солнечной система. Близкие значения коэффициента ^ , полученные в разных средах свидетельствуют об универсальности и надежности впервые полученного автором соотношения В= г>.16Г(игц).

В У1 главе диссертагаи раскрыта взаимосвязь Рс 1-2 с низкочастотными колебаниями типа Рс 2-5 магнитосферного происхождения . Показано, что как Рс I, так и Рс 2-5 имеют единый энергетический источник, что и обуславливает рассмотрение этого широкого•диапазона пульсагай в виде единого явления.

Традиционно класс Рс I рассматривался как отдельное геофизическое явление не связанное с классом устойчивых пульсаций Рс 2-5.

Их генерация объяснялась ионно-таклотронной неустойчивостью протонов кольцевого тока ( Тверской), а длительность режима активности

(несколько часов) - подкачкой энергии от дрейфовых энергичных частиц. Попеременное появление отдельных пакетов волн, ("жемчужин") в сопряженных полушариях связывалось с качанием этих пакетов вдоль силовой линии и отражением их 'от сопряженных ионосфер. В главе 71 предложена гипотеза, объединяющая высокочастотную (Рс I) и низкочастотную ( Рс 2-5) части класса пульсаций Рс, которая предполагает, что Рс 2-4 являются агентом, энергетически поддерживающим волны Pel. На мысль о генетической связи этих колебаний наводит целый ряд их общих морфологических свойств:

I/ квазигармоничность и устойчивость колебаний;'2/ наибольшая вероятность их"' появления при Кр = 0 f 2 на 3^1 день после бури; 3/ увеличение несущего периода с широтой точки наблюдения; 4/ приблизительное равенство периода повторения Рс I и характерного для данной широты периода пульсаций Рс 3-5 (определяемого резонансным . периодом магнитной силовой линии в данном месте); 5/ одновременное наблюдение на геостационарной орбите ИСЗ Рс I и Рс 3-5 при достаточно частой амплитудной модуляции первых колебаний вторыми. Поскольку ряд морфологических свойств Рс I уверенно установлен лишЬ для широт -¿65°, возникла необходимость уточнить их и для более высоких широт, чему и посвящен § 6.1.

В 5 6.1 лроведен анализ пульсаций Рс 1-2 на цепочках' высокоширотных станций ( от 65° до 77°). Обнаружены такие морфологические свойства высокоширотных Рс 1-2, которые расширяют и дополняют картину распределения волновых полей средаеширотных (с.ш.) Рс -I:

I/ в суточном ходе частоты появления Рс 1-2 наблюдается только один максимум, дневной- (утренне-вечерний у с.ш. Pel);

2/ максимум частоты появления высокоширотных Рс 1-2 приходится на L = 7 (с.ш. Pcl- L=4f5);

3/ не наблюдается волноводного распространения Рс 1-2 (наблюдается для с.ш. Рс I);

4/ наблюдается увеличение несущего периода Рс 1-2 с широтой точки наблюдения ( т.е. наблюдается продолжение аналогично» зависимости отмеченной для с.ш. Рс I);

5/ Рс 1-2 наблюдаются при слабой магнитной активности Кр-=2 (с.ш. Рс I также наблюдаются при Кр*с2

6/ в ряде случаев период амплитудной модуляции Рс 1-2 совпадает с периодами одновременно наблюдаемых Рс 4-5.

Сравнительный анализ морфологических свойств с.ш. Рс I и в.ш. Рс 1-2 позволяет нам рассматривать оба типа как единое плазменное явление. В 5 6.1 обсуждается механизм генерации Рс 1-2, которые рассматриваются как ионно-пиклотронные волны на частотах ионов гелия Не+. Интенсивность этих волн так и их длительный режим активности определяется не взаимодействием волна-частица, как это предполагалось традиционно другими авторами, а наличием резонансных низкочастотные колебаний Рс на данной силовой линии. Поскольку НЧ резонансный сигнал в магнитосфере имеет гармоническую структуру, его 20-25я гармоники соответствуют диапазону Рс 1-2 колебаний. Колебания интенсивности мощного НЧ сигнала ( с амплитудой на 2 порядка больше Рс 1-2 ) с неизбежностью влечет 'за собо» модуляцию интенсивности Рс 1-2 с такой же периодичностью. Обсуждаемая концепция позволяет решить главный вопрос механизма генерагтии Рс 1-2 - энергетический.

В * 6.2 обсуждаетсч механизм генерации низкочастотными резонансным^ колебаниями пульсация Рс I.

Опираясь на представления Гульельми, Мазура и Потапова, что генерация Рс I наиболее вероятна на Гранине плазмосферм, где имеется своего рода дакт для распространения волн в диапазоне Рс I вдоль магнитной силовой линии, мы рассмотрели модуляцию инкремента нарас-

тания пульсация Рс I, вызываемую НЧ колебаниями плазмопаузы. Рассмотрены случаи больших и малых длин волн этих НЧ колебаний в азимутальном направлении. В случае больших длин волн - горячие анизотропные ионы, генерирующие Pel при колебаниях плазмопаузы остаются приблизительно вмороженными в магнитное поле. Во втором случае колебания плазмосферы происходят на почти неменяющемся фоне горячих анизотропных ионов. Попеременное появление Pel в сопряженных точках может быть связано с модуляцией их антисимметричной модой НЧ колебаний (2-й гармоникой), вызывающей возрастание инкремента нарастания Pel попеременно то в северном, то в южном полушариях.•Предлагаемый взгляд на генерацию Pel предполагает, что периодичность прихода пакетов волн определяется не качанием пакета из одной сопряженной точки в другую, а периодом низкочастотных колебаний, как это и наблюдается на ИСЗ АТ5 , &Е05 и на земле.

В § 6.3 обсуждаются возможные источники в солнечном ветре, ответственные за генерацию двух типов пульсаций Рс5„ и Pcmg За генерацию Рс iw 2-4 ответственен узкополосный источник - монохроматические альвеновские волны с частотами строго зависящими от напряженности ММП, генерируемые пучком "отраженных" протонов. Поступления энергии этих волн в магнитосферу осуществляется через каспо-вую зону, -что подтверждается наличием "полярного" максимума интенсивности Pcsw .

В низкие широты волновая энергия может передаваться токами растекания, поскольку на уровне ионосферы в каспе появляется пульсирующий ток. Эта гипотеза вполне удовлетворительно согласуется с фактом, изложенным э § 4.1, что внутри магнитосферы практически не наблюдаются Рс sw

Следствием преимущественного наклона силовых линий МШ к утрен-• ней стороне должно быть положение максимума частоты появления PcJlv

в утренние часы, что подтверждается экспериментально(§ 3.3).

За генерацию Рст^ (по крайней мере за часть из них) могут быть ответственны шумовые широкополосные сигналы - магнито-звуковые волны, генерируемые "диффузными" протонами." Хотя основную роль в формировании спектра играют альвеновские ре-зонансы геомагнитных силовых линий, возбуждение резонатора в значительной степени может осуществляться шумовыми магнитозвуко-выми волнами генерируемыми "диффузными" протонами в солнечном ветре. Рсщд отражают свойства как физического механизма их усиления (альвеновские резонансы) так и свойства их первичного источника (магнитозвуковых волн из солнечного ветра). Действительно поскольку в отличии от альвеновских волн они беспрепятственно проникают через магнитопаузу - тангенциальный разрыв, осуществляя постоянную подкачку волновой энергии из солнечного ветра в магнитосферу, поступление энергии осуществляется через подсолнечную область, что подтверждается положением максимума частоты появления Рст^ в местный полдень ( § 3.3 ).

Положение максимума интенсивности пульсаций'Рст^ на средних широтах (на глубинных I— оболочках магнитосферы) отражает свойства резонансного механизма их усиления. Хорошо известный фа-кт "замирания" пульсаций Рс на земле и внутри магнитосферы при "неблагоприятной" ориентации ММП ( ¡/ = 90°, 270°), отражает свойства первичного,источника Рстд в солнечном ветре. Действительно, при подобной ориентации ММП в солнечном ветре исчезают "отраженные", а вместе с ними и "диффузные" протоны. Вследствии проникновения шумового сигнала в магнитосферу могут реализовываться три процесса:

I/ трансформация НЧ МГД - волн в резонансные колебания силовых трубок Рс,^ ;

2/ усиление ВЧ МГД - волн за счет резонансного взаимодействия волн с энергичными ионами плазмы вблизи гирочастоты ионов гелия Не+;

3/ трансформация резонансных НЧ колебаний в ВЧ альвеновс-кие' волны.

Первый процесс может быть ответственен за генерацию Рс 3-5 колебаний, а остальные два - за возбуждение Рс 1-2 колебаний.

Предложенная концепция отличается от предыдущих тем, что позволяет рассматривать весь класс Рс как класс пульсаций, имеющий единый энергетический источник генерации - МГД волны солнечного ветра.

В диссертации получены следующие основные результаты:

Установлено неизвестное ранее явление внемагнитосферной генерации геомагнитных пульсаций типа Рс. Сущность его заключается в том, что миллигерцовые МГД - волны альвеновского и магнитозвукового типа в межпланетной среде перед фронтом околоземной ударной волны, генерируемые в результате неустойчивости потока отраженных и "диффузных"

протонов, ответственны за возбуждение геомагнитных пульсаций типа Рс.

Поступление энергии из межпланетной среды в магнитосферу может осуществляться различными каналами: через касповую зону для монохроматических альвеновских волн ( Рс ) и через подсолнечную область для шумовых магнитозвуковых волн (Рстд ).

Идея внемагнитосферной генерации пульсаций Рс 2-4 теоретически обоснована и убедительно доказана целой серией надежных экспериментальных результатов, что сделало её к настоящему времени практически общепризнанной . Плодотворность этой идеи нашла свое выражение в разработанном автором методе наземного мониторинга напряженности ММП по наблюдениям геомагнитных пульсагай, который с 9СУ? вероятностью'обеспечивает ту же точность определения В, что и спутниковые измерения.

В-.диссертации получен следующий ряд наиболее значительных конкретных результатов:

1. Методами корреляционного и многофакторного анализа показано, что абсолютная величина напряженности ММП оказывает доминирую^ щее.влияние на формирование спектра пульсаций Рс.2-4 в сравнении с Вх, Ву, В г - компонентами ММП и другими параметрами солнечного вектора: .V , Т°, Р , п . , й .

2. Впервые обнаружена зависимость периода значительна* части геомагнитных пульсаций Рс '2-4 (Рс ) от напряженности ММП, выражающаяся соотношением Т 160/В; где Т - сек, В - п. Т.

3. Впервые показано, что основной "полярный" максимум в распределении интенсивности волнового поля пульсаций Рс5уч/ расположен

в области широт-74°- 77°, что соответствует проекции области дневного каспа.

4. Путем анализа одновременных записей волновых полей в солнечном ветре и на земле впервые обнаружено, что частоты волн в двух средах подобны, а частотные кривые появления волн в зависимости от ориентации ММП совпадают.

5. По времени запаздывания появления сигнала на земле относительно его регистрации на спутнике впервые показано, что источник волн,- дающих вклад в геомагнитные пульсации движется от фронта ударной волны навстречу потоку солнечного ветра. Установлено, что этим источником являются протоны, отраженные от фронта ударной волны.

6. Показано, что волны Рс появляются на земле тогда, когда выполняются условия развития неустойчивости 'Кельвина-Гельмгольца на магнитопаузе ( скорость солнечного ветра превышает некий критический порог V^ , равный VKp = const + Сд , где Сд - альве-новская скорость в солнечном ветре. Предполагается, что поверхностные волны усиливают ( обмениваются энергией) волны из солнечного ветра в области развития неустойчивости ( в Области каспа).

7. Найден морфологический признак выделения пульсаций внемаг-нитосферного происхождения Рс sw из всего многообразия пульсаций класса Рс - глобальность распределения волнового поля.

8. Разработан метод наземного мониторинга напряженности ММП

с помощью- геомагнитных пульсашй диапазона 5-100сек, регистрируемых на паре разнесенных станций.

9. По наземным наблюдениям впервые обнаружена модуляция интенсивности Рс 1-2 низкочастотными колебаниями Рс 4-5.

10. Предложен теоретический механизм генерации Рс I колебаний низкочастотными резонансными колебаниями типа Рс 4-5.

11. Обсуждается .новая концепция генерации колебаний класса Рс волнами из солнечного ветра двух типов: альвеновскими, ответственными за Pcsw и магнитозвуковчми, ответственными за Pcmg и Рс 1-2 колебания.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: советско-французском симпозиуме "Сопряженные точки" ( Борок, июнь 1972), Генеральных Ассамблеях МАГА (Гренобль, 1975, Прага,1985, международная конференция "Геомагнитный меридиан (Ленинград, 1976), международная конференция "Солнечно-Земная физика" (Москва, апрель 1980 ), XI Ассамблея Европейского Геофизического Союза (Будапешт, август 1980), Всесоюзном совещании по проекту МШ ( Ашхабад, октябрь 1981), 1У симпозиуме ЮШГ (Сочи, ноябрь 1984), международном симпозиуме "Полярные геомагнитные явления" (Суздаль, май 1986), Всесоюзных семинарах по геомагнитным пульсатиям (Иркутск,июль 1984), (Борок, ноябрь 1989), XX генеральной ассамблее МСГГ (Вена, август, • 1991) и др., а также на семинарах отдела 500 !!ФЗ РАН, обсерватории "Борок" ИЗ РАН, семинарах теоротдела ПГИ К^ РАН, отдела геомагнетизма СибИЗМЙР, отдела геомагнитных явлений Института Космофизики (Якутск) и др.

Результаты исследований Т.А.Плясово»-Бакуниной изложены в 46 научных публикациях, опубликованных в русской и зарубежной печати, в том числе:

1. Т.А.Плясова-Бакунина, В.А.Троицкая, А.В.Гульельми.

Связь периода Рс 2-4 с межпланетным магнитным полем. ДАН,1971, 197, 1312.

2. Т.А.Плясова-Бакунина.

Влияние ММП на характеристики пульсаций. Геомагнетизм и аэрономия, 1972, Т2,4.

3. Т.А.Плясова-Бакунина, А.В.Гульельми, Р.В.Щепетнов.

0 связи периода геомагнитных пульсаций Рс 3-4 с параметрами межпланетной средм на орбите Земли. Геомагнетизм и аэрономия, 1973, 13, 382-384.

Т.А.Плясова-Бакунина, Л.Н.Саранский, П.Р.Рамануджачари, А.В.Соболев, В.И.Селиванов.

Распределение интенсивности колебаний Рс 3-4 вдоль .геомагнитного меридиана. Геомагнетизм й аэрономия, 1973, 13, 6, 1092-1097.

5. Т.А.Плясова-Бакунина, Л.Н.Баранский, П.А.Виноградов, Г.А.Логинов, А.Н.Попов.

Распределение интенсивности геомагнитных пульсаций Рс 3 на территории Евро-Азиатекого континента, Геомагнетизм и аэрономия, 1974, т.14, \\2, 337-339.

6. Т.А.Плясова-Бакунина, В.А.Троипкая.

Связь периода колебаний Рб 2-4 с положением граниты магнитосфер ч. Геомагнетизм и аэрономия, 1970, 10, б, III9-II2I.

7. Т.А.Плясова-Бакунина.

Связь геомагнитных .пульсаций Рс 2-4 с параметрами межпланетной среды на орбите Земли. Кандидатская диссертация ,1972.

8. Plyasova-Bakounina Т.A..M.S.Kovner,V.V.Lebedev,V.A.Troito-kaya. On the generation of low frequency wares in the solar wind in the front of the bow shock, Planet.Space Sci.,vol.24,pp 261

to 267,1975.

9. Т.А.Плясова-Бакунина, М.С.Кознер, В.В.Лебедев, Я.И.Фельд-шнейн, .В.А.Троипкая.

0 генерации длиннопериодных колебаний. Сб.Межпланетные магнитные поля и геофизические явления в высоких широтах, 1975, 113.

Ю. Plyas ova-Bakounina Т. A., Koriier M.S. ,V. A.Kuznetzova, V.A. Troitskaya.. On low-frequency oscillations in the vicinity of plasmapause, Annalea Geophysique,tome .32,numero 3,1975.

II. Т.А.Плясова-Бакунина, И.Минх, Х.Гаулер, В.А.Троицкая.

Сверхииротный максимум интенсивности Рс 2-4. 'Тезисы докладов

"Всесоюзный семинар по геомагнитным пульсациям", Иркутск, июнь,1979.

12. Т.А.Плясова-Бакунина , В.А.Троицкая.

Где генерируются внемагнитосферные пульсации. Тезисы докладов "Всесоюзное совещание по проекту МИМ", Ашхабад, октябрь,1981.

13. Т.А.Плясова-Бакунина, Стюарт В., И.П.Харченко, В.А.Троицкая Выделение пульсаций, контролируемых солнечным ветром. Тезисы

докладов "Всесоюзное совещание по проекту МИЛ", октябрь, 1981.

14. Plyasova-Bakounina Т.А.,Yu.V.Golikov,V.A.Troitskaya and P.C.Hedgecock.

Pulsations in the solar wind and on the ground, Planet. Space Sci., vol.26,pp.547 to 553, 1978.

15.- Plyasova-Bakounina, Yu. V.Golikov, 7.A.Troitskaya, A.A. Cherniicov, V. V.Puatovalov and P.C.Hedgecock.

Where do solar-wind-controlled micropulsations originate? Planet.Space Sci., vol.28,pp.535-543,1980.

16. Plyasova-Bakounina T.i..,iu.V.Golikov,T.l.Trpitskaya, P.C.Hedgecock.

Konlinear theory of Kelvin-Helmholz instability. Reports of Conference "Solar-Terreet.Phys."»Moscow,April,1980.

17. Plyasova-Bakounina Hi.P.Stuart,V.A.Troitskaya. Bow to select, the solar wind-controlled micropulsations.

Reports of "X Assembly Surop.Geoph.Union"(Budapest,August,1980.

18. Т.А.Плясова-Бакунина, В.А.Троипкая, Стюарт'В.Ф., И.П.Харченко. Пульсации Рс 3-4, контролируемые солнечным ветром. Сб. "Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнпа", Иркутск, 1982, 62,' 103-108.

19. Plyasova-Bakounina T. A., V.A.Troitskaya, J.W.Miinch and Gauler H.P.

Superhigh-latitude maximum of Pc2-4 intensity. Acta Geod. Geoph. Mont. Hung.,21,143-153,1986.

20. Т.А.Плясова-Бакунина, В.Б.Ляпки".

Взаимодействие низкочастотных и высокочастотных волн в магнитосфере. Геомагнетизм и аэрономия, 1986, 5.

21. Т.А.Плясова-Бакунина, А.В.Гульёльми, В.А.Троиикая. Явления генерал™ волн в солнечном ветре (заявка на открытие),

латентный отдел, И53 , 1988.

22. Т.А.Плясова-Бакунина, А.В.Гульёльми.

Способ наземной диагностики межпланетного магнитного поля. Авторское свидетельство "> 1570522, 1990, февраль.

23. Plyasova-Bakounina Т.A. and J.W.Miinch. Ground-baaed monitoring of IMP magnitude.

Acta Geod.Geoph.Mont.Hung.,vol.26(1-4),pp.263-272,1991.

24. Plyasova-Bakounina T.A. and J.'V.Munch.

Polarisation of the solar wind-controlled pulsations. Acta Geod.Geoph.Mont.Hung.,vol.27,1992.

25. Plyasova-Bakounina T.A. ,0.A.Molchanov,J.W.Miinch, K.Wilchelm К.Mursula,J.Kangas P

PcI-2 and Pc4-5 at high latitudes. Reports at "XX Assembly of IGU",Vienna,September,IÏ9I.

Подписано в печать 09.07.93г. Зак. 1945 Тир. 100 экз. УПП " Репрография "