Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Волновая активность магнитосферы и ионосферы в диапазоне Pc5 пульсаций

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Волновая активность магнитосферы и ионосферы в диапазоне Pc5 пульсаций"

На правах рукописи

БЕЛАХОВСКИЙ Владимир Борисович

ВОЛНОВАЯ АКТИВНОСТЬ МАГНИТОСФЕРЫ И ИОНОСФЕРЫ В ДИАПАЗОНЕ Рс5 ПУЛЬСАЦИЙ

25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных

ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 9 map 2G12

005020466

Троицк- 2012

005020466

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте Физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН (г. Москва).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Пилипенко Вячеслав Анатольевич

Официальные оппоненты: Левитин Анатолий Ефимович,

доктор физико-математических наук, ИЗМИР АН (г. Троицк), гл.н.с.

Буринская Татьяна Михайловна, доктор физико-математических наук, ИКИ РАН (г. Москва), в.н.с.

Ведущая организация: Федеральное государственное

бюджетное учреждение науки Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН (г. Иркутск)

Защита диссертации состоится «24» апреля 2012 г. в _ на заседании

диссертационного совета Д 002.237.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждение науки Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук по адресу: 142190, Московская область, г. Троицк, ИЗМИР АН (проезд автобусом №398 от станции метро «Тёплый стан» до остановки «ИЗМИРАН»).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИР АН.

Автореферат разослан «_» марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 002.237.01 О

доктор физико-математических наук, /^-Шм^оС^^и^

профессор _Михайлов Ю.М.

Общая характеристика работы. В диссертации рассмотрено наиболее мощное и крупномасштабное волновое электромагнитное явление в околоземной среде - Рс5 пульсации, являющиеся по своей физической природе магнитогидродинамическими (МГД) волнами.

Актуальность диссертационного исследования. Геомагнитные пульсации являются наиболее интенсивным проявлением волновой электромагнитной активности в околоземном пространстве. МГД волны, пронизывающие все околоземное космическое пространство, доносят до земной поверхности информацию о свойствах окружающей Землю плазмы. Среди всего многообразия типов геомагнитных пульсаций Рс5 колебания с периодами порядка 3-10 минут являются одним из наиболее мощных волновых процессов в магнитосфере Земли: их амплитуда на геосинхронной орбите достигает 20-30% от уровня геомагнитного поля, масштаб Рс5 волны сравним с размером магнитосферы. Рс5 пульсации эффективно переносят энергию солнечного ветра (СВ) в магнитосферу и далее в ионосферу, активно влияют на динамику заряженных частиц радиационных поясов в магнитосфере и могут быть источником энергии для дуг полярных сияний.

Одна из наиболее актуальных проблем космической физики -определение механизма ускорения электронов до релятивистских энергий во время магнитных бурь, т.к. релятивистские электроны могут выводить из строя аппаратуру на спутниках. Один из возможных механизмов появления релятивистских электронов основан на идее резонансного ускорения и радиальной диффузии частиц на Рс5 волнах. Согласно этому сценарию, Рс5 пульсации являются промежуточным агентом, передающим энергию от солнечной плазмы или кольцевого тока ускоренным электронам, и детальное знание пространственно-временной структуры этих волн исключительно важно для оценки эффективности волнового механизма ускорения.

Характерной особенностью процесса распространения МГД волн диапазона Рс5 в магнитосфере является альвеновский резонанс силовых линий, поэтому выделение резонансных эффектов в структуре поля колебаний позволяет проводить мониторинг плотности магнитосферной плазмы по наземным данным.

Таким образом, понимание механизмов генерации Рс5 пульсаций, их пространственно-временных характеристик, зависимости их свойств от параметров межпланетной среды, связи с потоками заряженных частиц важно для солнечно-земной физики и космических технологий.

Целью работы является изучение пространственно-временных характеристик крупномасштабных волновых процессов в магнитосфере и ионосфере Земли диапазона Рс5, их взаимодействия с магнитосферными энергичными частицами и ионосферной плазмой, определение возможных физических механизмов генерации разных типов Рс5 колебаний.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

- Исследование связи геомагнитных Рс5 пульсаций с вариациями потоков захваченных и высыпающихся частиц;

- Анализ свойств глобальных Рс5 пульсаций;

- Рассмотрение эффектов воздействия интенсивных геомагнитных Рс5 пульсаций на ионосферу;

- Исследование свойств специфических длиннопериодных пульсаций вблизи области каспа.

Экспериментальные данные. Диссертация выполнена с использованием данных о плазме СВ и межпланетном магнитном поле (ММП) со спутников ACE, WIND, GEOTAIL, магнитометров и детекторов частиц геостационарных спутников GOES, LANL, магнитосферного спутника POLAR, наземных магнитных сетей IMAGE, CARISMA, С AN MOS, 210 -MM, INTERMAGNET, финских вертикальных риометров, риометров сети NORSTAR, риометра ст. Ловозеро, многолепесткового риометра IRIS, радаров EISCAT и SuperDARN.

Методы. Для обработки и анализа экспериментальных данных разработан пакет программ в среде IDL, основанных на современных методах спектрального и кросс-спектрального анализа, вейвлет-анализа, методе аналитического сигнала, поляризационного анализа.

Научная новизна.

• Показано, что Рс5 пульсации в риометрическом поглощении не являются только результатом модуляции потоков высыпающихся электронов тороидальными Рс5 пульсациями, и предложена новая концепция взаимосвязи между этими явлениями.

• Впервые показано, что полоидальные Рс5 геомагнитные пульсации, наблюдаемые на геостационарной орбите, сопровождаются соответствующими пульсациями в риометрическом поглощении вблизи сопряженной точки с глубиной модуляции до 85 %.

• Основываясь на глобальных комплексных наблюдениях Рс5 пульсаций во время восстановительной фазы сильных магнитных бурь, предложена новая концепция глобальных Рс5 пульсаций.

• Разработан и апробирован новый метод эффективного импеданса для определения вклада альвеновской и магнитозвуковой мод в поле геомагнитных пульсаций в верхней ионосфере, основанный на синхронных ионосферных радарных и магнитных наземных наблюдениях.

• Обнаружена глубокая модуляция ионосферной проводимости, плотности плазмы и ионной температуры тороидальными Рс5 пульсациями при отсутствии соответствующих пульсаций в риометрическом поглощении, и дано качественное объяснение наблюдаемым эффектам.

• Показана возможность определения широтного профиля резонансной частоты Рс5 пульсаций по данным радара некогерентного рассеяния Е1БСА Т.

• Показано, что касп не является непосредственным источником длиннопериодных иррегулярных пульсаций, наблюдаемых в высоких широтах в дневные часы.

Научная и практическая значимость. Определены соотношения между характеристиками геомагнитных Рс5 пульсаций и пульсаций в риометрическом поглощении, что позволяет лучше понимать взаимодействие МГД волн и частиц в радиационных поясах Земли.

Определена физическая природа глобальных Рс5 пульсаций, оказывающих существенное влияние на динамику заряженных частиц в магнитосфере и являющихся возможной причиной ускорения электронов до релятивистских энергий, способных выводить из строя аппаратуру на спутниках.

Предложенный метод импедансов позволяет определить физическую природу волновых возмущений в верхней ионосфере.

Показана возможность нахождения распределения резонансной частоты Рс5 пульсаций (а тем самым - и плотности магнитосферной плазмы) вдоль геомагнитной широты по данным радара некогерентного рассеяния.

Показано, что геомагнитные Рс5 пульсации могут существенно влиять на параметры ионосферы, что может оказывать влияние на распространение радиоволн.

Показано, что источник длиннопериодных пульсаций вблизи области каспа находится внутри магнитосферы на замкнутых силовых линиях, что важно для диагностики процессов в пограничных областях магнитосферы по наземным данным.

Личный вклад соискателя. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач и выборе методов их решения, в получении, анализе и интерпретации результатов, в формулировке выводов и результатов диссертации. Им проведен анализ экспериментальных данных, представленный в диссертации, выполненный с использованием самостоятельно разработанных компьютерных программ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Пространственно-временные характеристики пульсаций в риометрическом поглощении не повторяют пространственно-временные характеристики одновременно наблюдаемых тороидальных геомагнитных Рс5 пульсаций. Рс5 пульсации в риометрическом поглощении могут генерироваться в результате взаимодействия двух осциллирующих систем: магнитосферного альвеновского резонатора и системы ОНЧ волны+электроны.

2. Полоидальные Рс5 геомагнитные пульсации, наблюдаемые на геостационарной орбите, сопровождаются соответствующими пульсациями в риометрическом поглощении вблизи сопряженной точки с глубиной модуляции до 85 %.

3. Возбуждение глобальных Рс5 пульсаций происходит независимо в утреннем и дневном секторах магнитосферы.

4. Метод эффективного импеданса, основанный на синхронных ионосферных радарных и магнитных наземных наблюдениях, позволяет определить относительный вклад МГД мод в геомагнитные пульсации. Глобальные Рс5 пульсации на высотах верхней ионосферы являются преимущественно альвеновскими волнами.

5. Возможна глубокая модуляция ионосферной проводимости, плотности плазмы и ионной температуры геомагнитными Рс5 пульсациями при отсутствии соответствующих пульсаций в риометрическом поглощении.

6. Возможность определения широтного профиля резонансной частоты Рс5 пульсаций по данным радара некогерентного рассеяния EISCAT.

7. Максимум спектральной мощности ipcl пульсаций лежит на 2-4 градуса геомагнитной широты ниже экваториальной границы каспа, следовательно, касп не является непосредственным источником данных пульсаций.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

1. «Физика авроральных явлений», Апатиты, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 2010,2011.

2. Конференции молодых ученых "Современные проблемы в астрофизике и физике космической плазмы", Иркутск, 2007.

3. Международный гелиофизический год, Звенигород, 2007.

4. "Геокосмос", 2008,2010, Петродворец.

5. "Плазменные явления в солнечной системе: открытия профессора К.И. Грингауза - взгляд из 21 века", Москва, ИКИ, 2008.

6. 33rd , 35th and 37th Annual European Meetings on Atmospheric Studies by Optical Methods, Sweden 2006, Ireland 2008, Spain 2010.

7. American Geophysical Union, Fall Meeting, 2008, 2009.

8. «Физика плазмы в солнечной системе». ИКИ. Москва. 2009.

9. "Plasma-wave process in the Earth's and planetary magnetospheres, ionospheres and atmospheres", H. Новгород, 2009.

10. 11th IAGA Scientific Assembly, Hungary, 2009.

11. «Состояние и перспективы развития геофизических исследований в высоких широтах», посвященная 50-летию ПГИ КНЦ РАН. 2010 г. Апатиты.

12. Школа молодых учёных «Высокоширотные геофизические исследования», 2011. Мурманск.

Также работа обсуждалась на научных семинарах в ИФЗ, ИКИ, ПГИ, ИЗМИР АН.

Публикации. Результаты, составившие основу диссертации, опубликованы в 6 статьях в рецензируемых отечественных и международных журналах, 10 - в трудах конференций, 33 - в тезисах российских и международных конференций.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю Пилипенко Вячеславу Анатольевичу, сотрудникам ПГИ КНЦ РАН Воробьеву Вячеславу Георгиевичу, Ролдугину Валентину Константиновичу, Ягодкиной Оксане Ивановне, сотруднику университета Оулу Козловскому Александру Евгеньевичу.

Работы, выполненные по теме диссертации, были поддержаны грантами РФФИ №06-05-64374, №09-05-00818, грантом РФФИ "Мобильность молодых ученых" № 10-05-90716, Программой Президиума РАН № 4.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 134 страницы, 79 рисунков, 7 таблиц. Библиография включает в себя 141 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены основные цели исследования, указано, в чем состоит новизна результатов, приведен обзор содержания работы.

В главе 1 дано общее представление о геомагнитных пульсациях как о проявлении волновой активности магнитосферы. Более подробно рассмотрены геомагнитные Рс5 пульсации, являющиеся наиболее энергетически мощным элементом волновой активности магнитосферы. Дано описание тороидальных и полоидальных Рс5 пульсаций, занимающих один частотный диапазон, но имеющих различное физическое происхождение. Дан обзор исследований связи геомагнитных Рс5 пульсаций и соответствующих пульсаций в потоках захваченных и высыпающихся частиц. Даны представления о глобальных Рс5 пульсациях, Рс5 пульсациях в ионосферных параметрах, длиннопериодных пульсациях вблизи области каспа. На основании изложенных сведений сформулированы задачи работы.

В главе 2 диссертации рассмотрены соотношения между характеристиками геомагнитных Рс5 пульсаций и пульсаций в потоках захваченных и высыпающихся частиц. Наблюдаются различные виды взаимосвязей между динамикой УНЧ пульсаций и динамикой частиц: возбуждение колебаний в результате развития неустойчивостей энергичных частиц, модуляция захваченных и высыпающихся потоков частиц МГД волнами, ускорение группы частиц УНЧ турбулентностью. По наземным наблюдениям эффекты взаимодействия волн и частиц проявляются при анализе

синхронных магнитных и риометрических наблюдений. Периодические вариации риометрического поглощения обычно интерпретируются как результат модуляции УНЧ волнами потоков высыпающихся электронов. Компонента сжатия 6ц магнитного поля УНЧ волны модулирует инкремент электронно-циклотронной неустойчивости. Рост волн ОНЧ диапазона вызывает попадание электронов в конус потерь и высыпание их в ионосферу [Coroniti F. V., Kennel C.F., J. Geophys. Res., 75, 1279, 1970]. Согласно этим представлениям пространственно-временные характеристики Рс5 пульсаций в потоках высыпающихся частиц должны повторять пространственно-временные характеристики геомагнитных Рс5 пульсаций.

В разделе 2.1.2. рассмотрены соотношения между характеристиками тороидальных геомагнитных Рс5 пульсаций и соответствующих пульсаций в риометрическом поглощении на восстановительной фазе сильной магнитной бури 20-21.11.2003 по данным сети IMAGE и меридиональной сети финских вертикальных риометров. Наблюдения на спутниках LANL позволяют наблюдать за динамикой захваченных частиц.

21 Ноября 2003

Рис. 1. Наложение Рс5 пульсаций в Х-компоненте магнитного поля и в риометрическом поглощении по данным станции АЫвко.

05.30

06.30

Детальный анализ этого события показал, что для геомагнитных Рс5 пульсаций наблюдается уменьшение частоты с увеличением широты и кажущееся ■ распространение пульсаций к более высоким широтам, что говорит о резонансной природе данных пульсаций. Для Рс5 пульсаций в риометрическом поглощении такой картины не наблюдается. Малые значения азимутальных волновых чисел (т~ 1-4) говорят о принадлежности данных Рс5 пульсаций к тороидальному типу. Для геомагнитных пульсаций и пульсаций в риометрическом поглощении наблюдаются различные азимутальные волновые числа и фазовые скорости. Отмечен эффект, ранее не обсуждавшийся в литературе: синхронизация Рс5 пульсаций в магнитном поле и риометрическом поглощении только для отдельных коротких моментов времени (рис. 1.).

Вейвлет-анализ показывает, что когерентность между Рс5 пульсациями в магнитном поле и в поглощении возрастает только в какие-то отдельные моменты времени. Следовательно, несмотря на близкий частотный состав, пространственно-временные характеристики пульсаций в риометрическом поглощении не повторяют пространственно-временные характеристики геомагнитных пульсаций.

В разделе 2.1.6. для события 21.11.2003 г. обнаружено, что появление облака электронов с энергией 50-75 кэВ, зарегистрированного на геостационарных спутниках LANL, совпадает с началом геомагнитных Рс5 I пульсаций на сети IMAGE, которая находилась в это время в утреннем секторе.

Появление Рс5 пульсаций на утренней стороне совпадает с началом суббури на J ночной стороне, как видно из сопоставления станций IMAGE и CAR1SMA. В скорости и плотности СВ не наблюдалось заметных скачков, которые бы могли I бы стимулировать возбуждение Рс5 пульсаций. Следовательно, помимо хорошо известных эффектов стимуляции магнитосферных пульсаций резкими вариациями межпланетной среды, триггером для возбуждения Рс5 пульсаций может быть инжекция энергичных электронов в магнитосферу.

В разделе 2.1.7. дано качественное объяснение наблюдаемого поведения Рс5 пульсаций в магнитном поле и в риометрическом поглощении. Усиление когерентных Рс5 пульсаций в риометрическом поглощении может быть вызвано взаимодействием двух слабо-связанных осциллирующих систем: магнитосферного альвеновского резонатора и системы электроны+ОНЧ волны. В работе [Беспалов, Геомагнетизм и аэрономия, 21, 1018, 1981] теоретически было показано, что циклотронная неустойчивость радиационных поясов имеет квази-периодичекие режимы - релаксационные колебания. Собственная частота Q релаксационных колебаний лежит в диапазоне Рс5, она определяется мощностью источника частиц F и средним инкрементом раскачки волн у=у„Ы/2, а именно £?=y0F. Наличие собственной частоты делает электронные потоки чувствительными к внешним периодическим возмущениям с близкими к Q частотами. Синхронизация Рс5 пульсаций в магнитном поле и в риометрическом поглощении происходит только в те моменты, когда частоты двух колебательных систем совпадают, расстройка по частотам связана с тем, что по мере дрейфа собственная частота Q меняется.

В разделе 2.2. исследован вопрос, сопровождаются ли полоидальные геомагнитные Рс5 пульсации соответствующими пульсациями в риометрическом поглощении. Полоидальные Рс5 пульсации поляризованы в магнитосфере преимущественно в радиальном направлении и имеют значительную компоненту вдоль магнитного поля из-за зацепления с медленной магнитозвуковой модой, поэтому их часто называют "compressional Рс5". В отличие от тороидальных Рс5 пульсаций, полоидальные Рс5 пульсации мелкомасштабны, поэтому на наземных станциях они видны слабо из-за

экранирующего влияния ионосферы. Ранее по спутниковым данным было известно, что полоидальные Рс5 пульсации сопровождаются соответствующими Рс5 пульсациями в потоках захваченных частиц (электронов, протонов) [Kremser et al., J. Geophys. Res., 86. 3345, 1981], но вопрос о связи полоидальных Рс5 пульсаций с пульсациями в риометрическом поглощении не рассматривался.

О Мая 2003

L aoEs-

в

- . . ¡\М

уГфЛ/ЧУУ

0.1 11.87 11.86 11.85 11.84 11.83, 11.82 3.48 3.47 3.46 3.45

58.71 58.70 58-69 58.63 5667

4N1-199,1. je. $0

\МУ

п

па

[Vi

M\l

MC

ч.

М^Шд/

: : : V: : * :

v\f

мсм.

Ш

М/Ч

мсм.

ш

I Лд V

№

А t

УК

А i

1 и

мсм

■■ \ I I И

¡%fW4

t

jxj

\l

MvJ

Рис. 2. Вариации модуля магнитного поля [нТл] на спутнике ООЕБ-10, потоков электронов

[е/(кэВ*см2*стер*с)*103] с £=50-75 кэВ на спутнике ¿ЛЖ-1991, риометрического поглощения [дБ] и магнитного поля [нТл*104] на ст. МСМ 9.05.2003 г.

Нами проанализирован ряд случаев наблюдения полоидальных Рс5 пульсаций на геостационарном спутнике вОЕ5-10 (19.04.2002, 09.05.2003, 04.10.2000) на восстановительной фазе магнитных бурь. Преобладание радиальной ■компоненты магнитного поля Не над азимутальной Нп, и значительная продольная компонента, говорит о принадлежности данных пульсаций к полоидальному типу. На ст. МСМ, сопряженной ЫЭЕБ-10, обнаружены Рс5 пульсации в риометрическом поглощении, хотя вследствие невысокого общего уровня риометрического поглощения (<1 дБ) амплитуда этих пульсаций невелика. Наблюдаются также пульсации того же диапазона в потоках электронов с £=50-75 кэВ на геостационарном спутнике ЬАЫЬ-1991, находящемся примерно в 1 часе МЬТ от ООЕ8-Ю. Спектральный анализ показывает совпадение частот геомагнитных пульсаций на вОЕБ-10,

пульсаций в потоках энергичных электронов на LANL-1991 и пульсаций в риометрическом поглощении на ст. МСМ. Глубина модуляции Рс5 пульсаций в риометрическом поглощении достигает 85% (рис. 2.). На азимутально и меридиально разнесенных наземных станциях слабые геомагнитные Рс5 пульсации почти не коррелируют, что говорит о мелкомасштабности этих колебаний. Таким образом, впервые обнаружено, что магнитосферные полоидальные Рс5 пульсации сопровождаются в сопряженной точке соответствующими пульсациями в риометрическом поглощении, т.е. в потоках высыпающихся электронов.

В главе 3 рассмотрен вопрос о природе глобальных Рс5 пульсаций во время сильных магнитных бурь. Глобальные Рс5 пульсации имеют амплитуду в сотни нТл, примерно на порядок больше, чем обычные Рс5 пульсации [Клейменова Н.Г., Козырева О.В., Геомагнетизм и аэрономия, 45, 1, 2005]. Глобальные Рс5 пульсации наблюдаются в большом диапазоне широт и долгот [Potapov et al.,.Adv. Space Res., 38, 1582, 2006], а также играют важную роль в динамике релятивистских электронов. Вопрос о физической природе глобальных Рс5 пульсаций окончательно не выяснен.

В разделе 3.1. рассмотрены глобальные Рс5 пульсации на фазе восстановления сильных магнитных бурь 29-31.10.2003 г. Скорость СВ составляла около 1000 км/с, однако пульсации наблюдались только во время иррегулярных усилений плотности СВ. Детально возбуждение Рс5 пульсаций квази-периодическими иррегулярными вариациями динамического давления СВ в 05.30-07.00 UT и в 11.00-14.00 UT показано на рис. 3. Следовательно, высокая скорость СВ является необходимым, но недостаточным условием для возбуждения глобальных Рс5 пульсаций. Для жесткого возбуждения глобальных Рс5 пульсаций помимо высокой скорости СВ необходимо также наличия триггера. Таким триггером для данного события и являются вариации плотности СВ.

В разделе 3.1.1. произведено исследование глобальных Рс5 пульсаций 31.10.2003 г. с помощью мировой сети магнитных станций. На станциях сети IMAGE (MLT^UT+2) Рс5 пульсации наблюдались в утреннем и дневном секторах магнитосферы. На профиле IVA-SOD-OUL-HAN как в утреннем, так и в дневном секторах, наблюдается постоянство частоты с изменением широты, что не характерно для Рс5 пульсаций, возбуждаемых за счет альвеновского резонанса силовых линий. На станциях сети CARISMA также видны Рс5 пульсации в интервале 11.00-14.00 UT. Для меридионального профиля FCHU-GILL-ISLL-PINA наблюдается уменьшение частоты пульсаций с увеличением широты, что говорит о наличии резонансных эффектов. Наблюдается заметное различие в частотах одновременных Рс5 пульсаций в утреннем и дневном секторах магнитосферы, наблюдающихся примерно на одной геомагнитной широте Ф~59°: на ст. PINA (CARISMA) пульсации наблюдались на/-5.8 мГц, и

ст. HAN {IMAGE) на /~3 мГц. На станциях сети 210-ММ глобальные Рс5 пульсации наблюдались в интервале 05.30-07.00 UT. На меридиональном профиле CHD-ZYR-MAG наблюдается уменьшение частоты Рс5 пульсаций с широтой.

Рис. 3. Сопоставление вариаций концентрации плазмы N [м°] СВ по данным спутника АСЕ (время зажержки = 26 мин.), GEOTAIL, WIND (время задержки = -19 мин.) и вариаций ^-компоненты наземного магнитного поля [нТл*104] на ст. Abisko в интервале 04.00-08.00 UT (слева) и в интервале 10.00-14.00 UT (справа).

Для данного интервала также наблюдается заметное различие в частотах одновременных пульсаций, наблюдаемых на одной геомагнитной широте Ф~59°, на утреннем и дневном флангах магнитосферы: на ст. ZYR (210ММ) /~3.1 мГц и HAN (.IMAGE) f~4.7 мГц. Таким образом, сравнение пульсаций на ст. HAN-PINA (05.30-07.00 UT), HAN-ZYR (11-14 UT) показывает заметное различие в частоте одновременных Рс5 пульсаций в утреннем и дневном секторах магнитосферы. Кроме того, на станциях сетей CARISMA и 2I0MM наблюдается уменьшение частоты Рс5 пульсаций с широтой, а на станциях сети IMAGE такой закономерности не наблюдается. Заметное различие в частоте геомагнитных Рс5 пульсаций в утреннем и дневном секторе говорит о том, что возбуждение глобальных Рс5 пульсаций в этих секторах происходит

независимо. То есть, несмотря на глобальность этого вида Рс5 пульсаций, их нельзя связать с колебаниями магнитосферной полости (cavity).

На азимутальной паре станций сети IMAGE HAN-DOB геомагнитные Рс5 пульсации распространялись в виде нескольких волновых пакетов. Было произведено сравнение фазовой скорости пульсаций внутри каждого волнового пакета. Фазовая скорость пульсаций менялась в несколько раз от пакета к пакету, в то время как скорость солнечного ветра внутри этого интервала менялась не более чем на 10% относительно 1000 км/с. Этот факт также позволяет утверждать, что свойства геомагнитных Рс5 пульсаций определяются свойствами МГД-волновода.

В разделе 3.1.3 представлены данные регистрации глобальных Рс5 пульсаций на геостационарных спутниках GOES. Эти данные показывают наличие волновых возмущений и в модуле полного магнитного поля, что говорит о вкладе магнитозвуковой моды в поле глобальных Рс5 пульсаций.

В разделе 3.2. дано качественное объяснение физических особенностей глобальных Рс5 пульсаций. Согласно предложенному сценарию, генерация глобальных Рс5 пульсаций происходит за счет возбуждения магнитосферного МГД волновода на каждом из флангов магнитосферы. При этом вклад искажений структуры поля альфвеновским резонансом не так заметен, как для обычных Рс5 пульсаций. Глобальные Рс5 пульсации возбуждаются при наличии высокой скорости СВ в жестком режиме, т.е. внешним триггером, например, резкими вариациями плотности СВ.

В разделе 3.3. произведено сравнение азимутальных характеристик одновременных Рс5 пульсаций в утреннем (сеть IMAGE) и дневном (сеть 210М) секторах для событий 31.10.2003, 19.08.2001, 28.12.2002. Геомагнитные Рс5 пульсации во всех случаях распространялись в антисолнечном направлении. Азимутальные волновые числа т, определяемые методом кросс-корреляции, и фазовые скорости Vph заметно отличаются в утреннем и дневном секторах. Следовательно, возбуждение МГД волновода на утреннем и дневном флангах происходит независимо. Сильный разброс значений m и Vph от одного волнового пакета к другому свидетельствует о том, что непосредственным источником колебаний являются не возмущения границы магнитосферы, переносимые СВ, а возмущения внутри МГД волновода. Эти возмущения возбуждаются флуктуациями давления СВ, но затем они «забывают» про него, и их азимутальное распространение определяется свойствами МГД волновода и начального импульса.

В Главе 4 исследованы Рс5 пульсации в ионосфере с использованием UHF и VHF радаров EISCAT в TRO, радара SuperDARN в HAN. Так исследована физическая природа глобальных Рс5 пульсаций с использованием UHF радара EISCAT в TRO и приемников в SOD и KIR. С использованием UHF радара EISCAT исследована модуляция ионосферных параметров интенсивными

геомагнитными Рс5 пульсациями. По данным VHF радара EISCAT при наклоне луча радара к горизонту на угол -30° исследованы резонансные свойства Рс5 пульсаций в ионосфере. С помощью магнитометров сети IMAGE на Шпицбергене и радара SuperDARN в Hankasalmi исследована физическая природа длиннопериодных иррегулярных пульсаций вблизи области каспа.

При распространении альвеновских волн через ионосферу происходит модификация их структуры и поляризации. Помимо сглаживания амплитудного пика происходит поворот фазы на 90°, т.е! наиболее выраженная в резонансных колебаниях в магнитосфере азимутальная компонента поля на земной поверхности будет наблюдаться как меридиональная (северо-южная) компонента. Атмосфера обладает достаточно большим сопротивлением, поэтому продольный ток, переносимый альвеновской волной, через нее не проникает, а растекается вдоль анизотропной ионосферы. На Земле геомагнитные пульсации наблюдаются благодаря вариациям холловских токов, что и приводит к повороту эллипса поляризации поля альвеновской волны на 90° при переходе через однородную ионосферу. Магнитозвуковая волна не несет с собой продольного тока, поэтому может практически беспрепятственно проникать через ионосферу, и для нее не должно наблюдаться поворота эллипса поляризации. Кроме того, т.к. Рс5 пульсации являются наиболее мощным волновым процессом в околоземном пространстве, он могут заметно модулировать магнитосферную и ионосферную плазму. Эффекты взаимодействия магнитосферных пульсаций с ионосферной плазмой могут быть исследованы с помощью радаров. Радар позволяет исследовать поперечную пространственную структуру волн с лучшим пространственным разрешением, чем магнитометр.

В разделе 4.1. для определения физической природы глобальных Рс5 пульсаций 31.10.2003 г. в верхней ионосфере были использованы данные радара EISCAT в TRO. По данным приемников в SOD и KIR был найден вектор скорости дрейфа ионосферной плазмы, индуцированной электрическим полем Рс5 колебаний, и рассчитаны его компоненты Ех и Еу. Построены годографы для электрического поля по данным радара EISCAT и магнитного поля по данным станции TRO для утренних (рис. 4.) и дневных (рис. 5.) Рс5 пульсаций. •Из годографов видно, что во всех случаях эллипс поляризации электрического поля в ионосфере параллелен эллипсу магнитного поля на земной поверхности. Этот факт указывает на то, глобальные Рс5 пульсации в верхней ионосфере являются преимущественно альвеновскими волнами. Оценки азимутального угла наклона эллипса поляризации в ионосфере и на Земле с применением метода аналитического сигнала подтверждают результат, полученный с помощью метода годографа.

В разделе 4.2. предложен и апробирован метод для определения природы МГД волны в верхней ионосфере, т.е. определения относительный

вклада альфвеновской и БМЗ мод. Вместо импеданса волнового возмущения

Z = JU0(E/ В), где ju0= 4л- ■ 10"7 Гс/м, определялась величина U=EJB* 10J,

названная импедансной скоростью. Значение магнитного поля колебаний в ионосфере пересчитывалось по соотношениям из теории тонкой ионосферы [Alperovich & Fedorov, Hydromagnetic waves in the magnetosphere and ionosphere, 2007] по магнитному полю на земной поверхности для альвеновских колебаний.

Рис. 4. Годографы электрического поля по данным радара EISCAT (слева) и магнитного поля га данным станции TRO (справа) в интервале 05.30-07.00 UT

- и -¿ 4 - "jir --ii; - v »-w -»v

Ev-компонента Y-компонента

Рис. 5. Годографы электрического поля по данным радара EISCAT (слева) и магнитного поля по данным станции TRO (справа) в интервале 11.00-12.00 UT 31 Октября 2003 года.

В результате получено соотношение Ех /Вх = sin/) 1, где I -

магнитное наклонение, Ен - холловская проводимость ионосферы. Для альвеновской волны теоретически предсказанная величина Ех/Вх должна

совпадать с наблюдаемой величиной. Разница между теоретическими и экспериментальными значениями может говорить о вкладе БМЗ моды в пульсации.

Данные радара EISCAT позволяют определить компоненты электрического поля в ионосфере и текущие значения ионосферной проводимости. Зная величину магнитного поля по данным наземной станции TRO, можно сравнить наблюдаемую величину импеданса (импедансной скорости) с теоретическими значениями. Результаты расчетов для Рс5 пульсаций 31.10.2003 г., основанные на оценке отношения спектральных мощностей в скользящем 30-мин окне, представлены на рис. 6, где показаны спектральные амплитуды Ех и Вх компонент, отношение EJBX103, жирным пунктиром показаны теоретические значения, полученные из данных по проводимости плазмы.

Во время Рс5 активности в 05.30-06.30 ит и 10-14 ит, теоретические и экспериментальные значения становятся достаточно близкими. В другие же моменты времени эти значения сильно расходятся. Независимо проведен расчет на основе метода аналитического сигнала. С помощью преобразования Гильберта находились огибающие Ех и Вх полей, и затем - отношение Е/Вх. Результаты обоих подходов дали согласованные результаты. Проведенный анализ показывает, что глобальные Рс5 пульсации в верхней ионосфере

Рис. 6. Усредненная в 30-мин окне спектральная мощность Ех, ^-компонент электрического и магнитного полей, отношение Ех/Вх, красной линией показаны теоретические значения импеданса, усредненная в 30-минутном окне спектральная мощность педерсеновской и холловской проводимостей 2Р, 2н.

иг

являются преимущественно альвеновскими волнами, вклад БМЗ моды не превышает 20%.

В разделе 4.3. произведено исследование модуляции ионосферных параметров геомагнитными Рс5 пульсациями 31.10.2003 г. с помощью радара некогерентного рассеяния UHF EJSCAT в Tromso. Обнаружено, что тороидальные Рс5 пульсации сопровождаются соответствующими пульсациями на частоте 3.3 мГц в концентрации ионосферной плазмы, интегральной ионосферной проводимости, температуре ионов (рис. 7.).

31 Октября 2003 _____

Рис. 7. Вариации ^-компоненты магнитного поля [нТл*104] в TRO, холловской проводимости 2ц [См], педерсеновской проводимости ЕР [См], концентрации плазмы N [м'3*Ю10], температуры ионов Ti [К], электронов Те [К], риометрическое поглощение [дБ] по данным IRIS в KJL в интервале 11.00-12.00 UT 31 Октября 2003 года.

Периодические пульсации в температуре электронов слабо выражены. Прежде всего, обращает на себя внимание то, что глубина модуляции ионосферных параметров превышает глубину модуляции в магнитном поле более чем на порядок: ABIB ~ 1.7%, в то время как AN/N- 36%, ДЖ ~ 45%, Д77/77 = 30. Рс5 пульсации в ионосферной проводимости находятся в противофазе по отношению к геомагнитным Рс5 пульсациям, в то время, как пульсации в ионной температуре находятся в фазе с геомагнитными Рс5 пульсациями, что подтверждается кросс-спектральным анализом.

Оценки показывают, что пульсации температуры ионов вызваны джоулевым нагревом осциллирующим электрическим полем Рс5 колебаний. Утренние Рс5 пульсации (05.30-07.00 UT) на профиле IMAGE сопровождались

пульсациями в риометрическом поглощении по данным риометра IRIS в KIL, в то время как дневные Рс5 пульсации (11.00-14.00 UT) не сопровождались соответствующими пульсациями риометрического поглощения. Поэтому, периодическая модуляция в концентрации и проводимости ионосферной плазмы утренними Рс5 пульсациями, по всей видимости, были вызваны модулированным высыпанием энергичных электронов. Пульсации же ионосферной плотности и проводимости в дневные часы могут быть вызваны модулированными Рс5 потоками электронов с более низкими энергиями, чем те, которые может регистрировать риометр. Например, оценки показывают, что продольный ток дневных интенсивных геомагнитных Рс5 пульсаций достаточен для того, чтобы вызвать периодические изменения ионосферной плотности и проводимости из-за подтока и оттока плазмы вдоль геомагнитного поля.

В разделе 4.4. произведено исследование резонансных свойств Рс5 пульсаций с помощью VHF радара EISCAT в Tromso. Рассмотрено событие 29.04.2001 г., когда луч радара был наклонен под углом 30° к горизонту и направлен на Шпицберген. Следовательно, увеличение высоты вдоль луча будет сопровождаться увеличением геомагнитной широты. В магнитных данных наблюдается ряд резонансных эффектов: уменьшение частоты Рс5 пульсаций с увеличением широты, смена эллиптичности, резкий градиент фазы в резонансной области. Радаром регистрировались отчетливые Рс5 пульсации в скорости ионосферной плазмы. Спектральный анализ показывает наличие резонансных эффектов: наблюдается уменьшение частоты Рс5 пульсаций в скорости ионосферной плазмы с увеличением геомагнитной широты. К сожалению, резонансная область находилась ниже поля зрения радара, поэтому изменение фазы Рс5 пульсаций при переходе через резонансную область не удалось зафиксировать. Таким образом, показана принципиальная возможность по радарным наклонным измерениям из фиксированной точки восстановить широтное распределение резонансных частот магнитосферы.

В разделе 4.5. исследованы длиннопериодные иррегулярные геомагнитные пульсации вблизи области каспа. Область дневного каспа характеризуется резким усилением интенсивности УНЧ волновой активности в широком интервале частот, наиболее заметным для иррегулярных длиннопериодных пульсаций (3-20 мин.). Данные тип пульсаций называют ipcl (irregular pulsations cusp latitudes) пульсациями или кастовыми Рс5 пульсациями. Ранние исследования УНЧ активности на высоких широтах зародили надежду, что эти дневные колебания, предположительно связанные с каспом, могут служить простым наземным индикатором его положения [Большакова и др,. Геомагнетизм и аэрономия, 23, 505, 1983].

Для того, чтобы решить, действительно ли касп является источником ipcl пульсаций, использованы данные радара SuperDARN в HAN, которые

позволяют определять область каспа по уширению спектра отраженного сигнала. Положение экваториальной границы каспа, определенной по данным радара БирегБАШ, в целом совпадает со статистической экваториальной границей каспа по данным спутников ИМБР. Построен меридиональный профиль спектральной мощности <рс! пульсаций по данным станций ВМ-НОР-НОЯ-ЬУК-ЫАЬ, которые находятся примерно на одной геомагнитной долготе и на разных широтах. Для всех рассмотренных случаев с одновременными наблюдениями каспа по радарным данным и ¡рс1 пульсаций по наземным магнитным данным максимум спектральной мощности ¡рс1 пульсаций на 2-4° геомагнитной широты находился ниже экваториальной границы каспа. Кроме того, /рс1 пульсации наблюдаются раньше, чем становится виден касп по данным радара БирегОАШ. Таким образом, касп не является непосредственным источником "касповых" ¡рс1 пульсаций. Источник данного вида пульсаций, по-видимому, находится внутри магнитосферы, на замкнутых силовых линиях. Обнаруживаемое распространение ¡рс1 пульсаций с более низких широт к высоким, тоже может свидетельствовать о положении источника внутри магнитосферы, в области с более короткими силовыми линиями.

В заключении представлены основные результаты и выводы проведенного исследования:

1. Показано, что Рс5 пульсации в риометрическом поглощении не являются только результатом модуляции потоков высыпающихся электронов тороидальными Рс5 волнами, т.к. пространственно-временные характеристики пульсаций в риометрическом поглощении (азимутальные фазовые скорости, наличие широтной резонансной структуры) не повторяют характеристики одновременно наблюдаемых геомагнитных Рс5 пульсаций. Предложено, что наблюдаемая кратковременная синхронизация между Рс5 пульсациями в геомагнитном поле и в риометрическом поглощении является результатом синхронизации колебательных режимов в альвеновском резонаторе и системе ОНЧ-шумы + электроны.

2. Магнитосферные полоидальные Рс5 пульсации, практически экранируемые ионосферой, сопровождаются соответствующими пульсациями в риометрическом поглощении вблизи сопряженной точки с глубиной модуляции до 85 %.

3. Основываясь на глобальных комплексных наблюдениях Рс5 пульсаций во время восстановительной фазы сильных магнитных бурь, предложена новая концепция глобальных Рс5 пульсаций как результата жесткого возбуждения магнитосферного волновода независимо на утреннем и вечернем флангах магнитосферы.

4. Разработан и апробирован метод эффективного импеданса для определения вклада альвеновской и магнитозвуковой мод в геомагнитные пульсации,

основанный на синхронных ионосферных радарных и магнитных наземных наблюдениях. С использованием данного метода показано, что преимущественный вклад в структуру глобальных Рс5 пульсаций в верхней ионосфере дают альвеновские волны. Этот вывод подтвержден поляризационным анализом.

5. Обнаружена глубокая модуляция ионосферной проводимости, плотности плазмы и ионной температуры тороидальными Рс5 пульсациями при отсутствии соответствующих пульсаций в риометрическом поглощении, при этом пульсации в ионосферной проводимости противофазны, а пульсации в ионной температуре синфазны с геомагнитными Рс5 пульсациями. Дано качественное объяснение наблюдаемым эффектам как результат джоулева нагрева и продольного переноса ионосферной плазмы токами альвеновской волны.

6. Показана возможность определения широтного профиля резонансной частоты Рс5 пульсаций по данным радара некогерентного рассеяния ЕНСАТ.

7. Показано, что касп не является непосредственным источником длиннопериодных иррегулярных пульсаций, наблюдаемых в высоких широтах в дневные часы, т.к. максимум их спектральной мощности лежит на 2-4 градуса южнее экваториальной границы каспа.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Белаховский В.Б., В.К. Ролдугин. Возбуждение Рс5 пульсаций при смене знака ^-компоненты ММП // Геомагнетизм и аэрономия, Т. 48, №2 С 188-194 2008.

Белаховский В.Б., Пилипенко В.А. Возбуждение Рс5 пульсаций геомагнитного поля и риометрического поглощения 11 Космические исследования, Т. 48 №4, С. 319-334,2010. Белаховский В.Б., Пилипенко В.А. Возбуждение Рс5 пульсаций магнитного поля и потоков частиц на восстановительной фазе магнитной бури 31.10.2003 г. // Геомагнетизм и аэрономия, Т. 51, №5, С. 608-629,2011. Белаховский В.Б., Ролдугин В.К. Геомагнитные пульсации и осцилляции для • магнитной бури 15 мая 2005 // Труды X Конференции молодых ученых "Современные проблемы в астрофизике и физике космической плазмы", БШФФ-2007. Изд-во ИСЗФ СО РАН, Иркутск, С. 87-89, 2007. Белаховский В.Б., Сафаргалеев В.В., Ягодкина О.И. Отклик утренних полярных сияний и поглощения космического радиоизлучения на отрицательный импульс динамического давления солнечного ветра // Вестник КНЦ РАН, №2, С. 99-103,2010.

Воробьев В.Г., В.Б. Белаховский, О.И. Ягодкина, В.К. Ролдугин, М.Р. Хаирстон. Особенности полярных сияний в утреннем секторе во время SC И Геомагнетизм и аэрономия, Т. 48, №2, С. 162-172, 2008.

Belakhovsky V.B., Safargaleev V.V., Yagodkina O.I. // Response of the morning auroras and cosmic noise absorption to the negative solar wind pressure pulse: a case study // Opt. Рига Apl., vol. 44, №4, P. 611 -615, 2011.

Belakhovsky V.B., Yu.P. Maltsev. Non-linear Landau damping due to generation of secondary waves // Physics of auroral phenomena. Proc. of the 28th annual seminar. 1-4 March 2005. Apatity, P. 89-92, 2005.

Belakhovsky V.B., V.C. Roldugin. Appearance of the long-period geomagnetic oscillations in the magnetosphere // Physics of Auroral Phenomena. Proc. of the 30lh Annual Seminar, Apatity. P. 17-20, 2008.

Belakhovsky V.B., Pilipenko V.A., Ulich T. Generation of magnetic and particle Pc5 pulsations at the recovery phase of strong magnetic storm // Physics of Auroral Phenomena. Proc. of the 32nd Annual Seminar, Apatity, P. 85-88, 2009.

Belakhovsky V.B., Pilipenko V.A., Kozlovsky A.E. On the physical mechanism of the global Pc5 pulsations // Proceedings of the 8th Int. Conf. "Problems of Geocosmos", P. 42-46, 2010.

Belakhovsky V.B., Safargaleev V.V., Yagodkina O.I. Influence of the negative solar wind pressure pulse on the morning auroras and cosmic noise absorption // Proceedings ofthe 8,hInt. Conf. "Problems of Geocosmos", P. 46-51,2010.

Belakhovsky V.B., Pilipenko V.A., Kozlovsky A.E. Contribution of the MHD wave modes to the global Pc5 pulsations // Physics of Auroral Phenomena. Proc. ofthe 33rd Annual Seminar, P. 69-72,2010.

Belakhovsky V.B., Kozlovsky A.E., Pilipenko V.A. The determination of the latitude distribution of the resonance frequency of Pc5 pulsations from the radar data // Physics of Auroral Phenomena. Proceedings ofthe 34th Annual Seminar, Apatity, P. 71-74, 2011.

Pilipenko V., O. Kozyreva, V. Belakhovsky, M.J. Engebretson, S. Samsonov. Generation of magnetic and particle Pc5 pulsations at the recovery phase of strong magnetic storms II Proceedings of the Royal Society A. doi: 10.1098/rspa.2010.0079, 2010.

Pilipenko V.A., Belakhovsky V.B., Kozlovsky A.E., Fedorov E.N., Kauristi K. Determination of the wave mode contribution into the ULF pulsations from combined radar and magnetometer data: Method of apparent impedance H J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, doi: 10.1016/j jastp.2011.11.013, 2012.

Автореферат

Белаховский Владимир Борисович

ВОЛНОВАЯ АКТИВНОСТЬ МАГНИТОСФЕРЫ И ИОНОСФЕРЫ В ДИАПАЗОНЕ Рс5 ПУЛЬСАЦИЙ

Технический редактор В.И. Бондаренко

Лицензия ПД 00801 от 06 октября 2000 г.

Подписано к печати 28.02.2012 Формат бумаги 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Times/Cyrillic Усл.изд.л. 2,55 Заказ № 15 Тираж 100 экз.

Ордена Ленина Кольский научный центр им.С.М.Кирова 184209, г.Апатиты, Мурманская область, ул.Ферсмана, 14

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Белаховский, Владимир Борисович, Москва

61 12-1/720

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ ИМ. О.Ю. ШМИДТА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

БЕЛАХОВСКИЙ Владимир Борисович

ВОЛНОВАЯ АКТИВНОСТЬ МАГНИТОСФЕРЫ И ИОНОСФЕРЫ В

ДИАПАЗОНЕ Рс5 ПУЛЬСАЦИЙ

25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, В.А. Пилипенко

Москва-2012

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

4

ГЛАВА 1. Волновые процессы в магнитосфере и ионосфере в Рс5 диапазоне

(Обзор).....................................................................................................18

1.1. Общее представление о геомагнитных пульсациях..........................................18

1.2. Типы геомагнитных Рс5 пульсаций............................................................20

1.2.1. Тороидальные геомагнитные Рс5 пульсации................................................22

1.2.2. Полоидальные геомагнитные Рс5 пульсации..............................................26

1.2.3. Магнитозвуковые колебания магнитосферной полости.................................27

1.3. Прохождение МГД волн через ионосферу к земной поверхности.......................28

1.4. Геомагнитные Рс5 пульсации и пульсации в потоках частиц............................30

1.5. Глобальные Рс5 пульсации......................................................................33

1.6. Методы регистрации эффектов воздействия УНЧ волн на ионосферу..................34

1.6.1. Риометрическое поглощение космического радиоизлучения..........................34

1.6.2. Когерентное и некогерентное рассеяние радиоволн......................................36

1.7. Исследование Рс5 пульсаций с помощью радаров..........................................38

1.8. Длиннопериодные геомагнитные пульсации вблизи области каспа.....................41

1.9. Постановка задач.....................................................................................42

ГЛАВА 2. Геомагнитные Рс5 пульсации и пульсации в потоках частиц..............43

2.1. Тороидальные геомагнитные Рс5 пульсации и пульсации в потоках частиц..........43

2.1.1. Данные наблюдений.............................................................................43

2.1.2. Событие 21 Ноября 2003 года..................................................................44

2.1.3. Временная структура вариаций магнитного поля и риометрического поглощения..............................................................................................47

2.1.4. Локальная меридиональная структура............................................................49

2.1.5. Азимутальное распространение....................................................................51

2.1.6. Динамика энергичных частиц в магнитосфере.........................................................54

2.1.7. О механизмах генерации Рс5 пульсаций в риометрическом поглощении..............57

2.2. Полоидальные геомагнитные Рс5 пульсации и пульсации в потоках частиц..........60

2.3. Выводы к Главе 2...................................................................................64

ГЛАВА 3. Глобальные Рс5 пульсации...........................................................65

3.1. Глобальные Рс5 пульсации 31 Октября 2003.................................................65

3.1.1. Пространственные характеристики Рс5 пульсаций по данным наземных сетей

магнитных станций...................................................................................................69

3.1.2. Динамика энергичных частиц в магнитосфере............................................73

3.1.3. УНЧ колебания геомагнитного поля на спутниках GOES vi POLAR.................75

3.2. О возможных механизмах и специфике глобальных Рс5 пульсаций...................78

3.3. Азимутальные характеристики одновременных геомагнитных Рс5 пульсаций в утреннем и дневном секторах........................................................................80

3.4. Выводы к Главе 3..................................................................................84

ГЛАВА 4. Рс5 пульсации в ионосфере..........................................................85

4.1 Электрическое поле Рс5 колебаний в ионосфере по радарным данным...............85

4.2. Метод эффективного импеданса ..............................................................92

4.2.1. Обсуждение результатов синхронных радарных и наземных магнитных наблюдений Рс5 пульсаций...........................................................................97

4.3. Модуляция ионосферных параметров геомагнитными Рс5 пульсациями............98

4.3.1. Возможные механизмы модуляции ионосферы магнитосферной альфвеновской волной................................................................................105

4.3.2. Нелинейные искажения УНЧ волн.........................................................106

4.4. Определение широтного профиля резонансной частоты Рс5 пульсаций по радарным данным.....................................................................................107

4.5. Длиннопериодные пульсации вблизи области каспа.....................................113

4.6. Выводы к Главе А..................................................................................119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................120

Список опубликованных работ автора по теме диссертации............................122

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................................124

ПРИЛОЖЕНИЕ:

1. Координаты наземных станций..................................................................134

2. Координаты геостационарных спутников......................................................134

ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика работы. В диссертации рассмотрено наиболее мощное и крупномасштабное волновое электромагнитное явление в околоземной среде - Рс5 пульсации, являющиеся по своей физической природе магнитогидродинамическими (МГД) волнами.

Актуальность диссертационного исследования. Геомагнитные пульсации являются наиболее интенсивным проявлением волновой электромагнитной активности в околоземном пространстве. МГД волны, пронизывающие все околоземное космическое пространство, доносят до земной поверхности информацию о свойствах окружающей Землю плазмы. Среди всего многообразия типов геомагнитных пульсаций Рс5 колебания с периодами порядка 3-10 минут являются одним из наиболее мощных волновых процессов в магнитосфере Земли: их амплитуда на геосинхронной орбите достигает 2030% от уровня геомагнитного поля, масштаб Рс5 волны сравним с размером магнитосферы. Рс5 пульсации эффективно переносят энергию солнечного ветра (СВ) в магнитосферу и далее в ионосферу, активно влияют на динамику заряженных частиц радиационных поясов в магнитосфере и могут быть источником энергии для дуг полярных сияний.

Одна из наиболее актуальных проблем космической физики - определение механизма ускорения электронов до релятивистских энергий во время магнитных бурь, т.к. релятивистские электроны могут выводить из строя аппаратуру на спутниках. Один из возможных механизмов появления релятивистских электронов основан на идее резонансного ускорения и радиальной диффузии частиц на Рс5 волнах. Согласно этому сценарию, Рс5 пульсации являются промежуточным агентом, передающим энергию от солнечной плазмы или кольцевого тока ускоренным электронам, и детальное знание пространственно-временной структуры этих волн исключительно важно для оценки эффективности волнового механизма ускорения.

Характерной особенностью процесса распространения МГД волн диапазона Рс5 в магнитосфере является альвеновский резонанс силовых линий, поэтому выделение резонансных эффектов в структуре поля колебаний позволяет проводить мониторинг плотности магнитосферной плазмы по наземным данным.

Таким образом, понимание механизмов генерации Рс5 пульсаций, их пространственно-временных характеристик, зависимости их свойств от параметров межпланетной среды, связи с потоками заряженных частиц важно для солнечно-земной физики и космических технологий.

Целью работы является изучение пространственно-временных характеристик крупномасштабных волновых процессов в магнитосфере и ионосфере Земли диапазона Рс5, их взаимодействия с магнитосферными энергичными частицами и ионосферной плазмой, определение возможных физических механизмов генерации разных типов Рс5 колебаний.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

- Исследование связи геомагнитных Рс5 пульсаций с вариациями потоков захваченных и высыпающихся частиц;

- Анализ свойств глобальных Рс5 пульсаций;

- Рассмотрение эффектов воздействия интенсивных геомагнитных Рс5 пульсаций на ионосферу;

- Исследование свойств специфических длиннопериодных пульсаций вблизи области каспа.

Экспериментальные данные. Диссертация выполнена с использованием данных о плазме СВ и межпланетном магнитном поле (ММП) со спутников ACE, WIND, GE ОТ AIL, магнитометров и детекторов частиц геостационарных спутников GOES, LANL, магнитосферного спутника POLAR, наземных магнитных сетей IMAGE, CARISMA, CANMOS, 210-ММ, INTERMAGNET, финских вертикальных риометров, риометров сети NORSTAR, риометра ст. Ловозеро, многолепесткового риометра IRIS, радаров EISCAT и SuperDARN.

Методы. Для обработки и анализа экспериментальных данных разработан пакет программ в среде IDL, основанных на современных методах спектрального и кросс-спектрального анализа, вейвлет-анализа, методе аналитического сигнала, поляризационного анализа.

Достоверность. В диссертации использованы современные физически и математически обоснованные методы анализа данных; многие геофизические данные, представленные в диссертации, широко используются мировым геофизическим сообществом; многие результаты, полученные в диссертации, подтверждаются на примере большого ряда других событий, они находятся в качественном согласии с современными физическими представлениями о возможной природе исследуемых явлений.

Научная новизна.

• Показано, что Рс5 пульсации в риометрическом поглощении не являются только результатом модуляции потоков высыпающихся электронов тороидальными Рс5 пульсациями, и предложена новая концепция взаимосвязи между этими явлениями.

• Впервые показано, что полоидальные Рс5 геомагнитные пульсации, наблюдаемые на геостационарной орбите, сопровождаются соответствующими пульсациями в риометрическом поглощении вблизи сопряженной точки с глубиной модуляции до 85 %.

• Основываясь на глобальных комплексных наблюдениях Рс5 пульсаций во время восстановительной фазы сильных магнитных бурь, предложена новая концепция глобальных Рс5 пульсаций.

• Разработан и апробирован новый метод эффективного импеданса для определения вклада альвеновской и магнитозвуковой мод в поле геомагнитных пульсаций в верхней ионосфере, основанный на синхронных ионосферных радарных и магнитных наземных наблюдениях.

• Обнаружена глубокая модуляция ионосферной проводимости, плотности плазмы и ионной температуры тороидальными Рс5 пульсациями при отсутствии соответствующих пульсаций в риометрическом поглощении, и дано качественное объяснение наблюдаемым эффектам.

• Показана возможность определения широтного профиля резонансной частоты Рс5 пульсаций по данным радара некогерентного рассеяния ЕШСАТ.

• Показано, что касп не является непосредственным источником длиннопериодных иррегулярных пульсаций, наблюдаемых в высоких широтах в дневные часы.

Научная и практическая значимость. Определены соотношения между характеристиками геомагнитных Рс5 пульсаций и пульсаций в риометрическом поглощении, что позволяет лучше понимать взаимодействие МГД волн и частиц в радиационных поясах Земли.

Определена физическая природа глобальных Рс5 пульсаций, оказывающих существенное влияние на динамику заряженных частиц в магнитосфере и являющихся возможной причиной ускорения электронов до релятивистских энергий, способных выводить из строя аппаратуру на спутниках.

Предложенный метод импедансов позволяет определить физическую природу волновых возмущений в верхней ионосфере.

Показана возможность нахождения распределения резонансной частоты Рс5 пульсаций (а тем самым - и плотности магнитосферной плазмы) вдоль геомагнитной широты по данным радара некогерентного рассеяния.

Показано, что геомагнитные Рс5 пульсации могут существенно влиять на параметры ионосферы, что может оказывать влияние на распространение радиоволн.

Показано, что источник длиннопериодных пульсаций вблизи области каспа находится внутри магнитосферы на замкнутых силовых линиях, что важно для диагностики процессов в пограничных областях магнитосферы по наземным данным.

Личный вклад соискателя. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач и выборе методов их решения, в получении, анализе и интерпретации результатов, в формулировке выводов и результатов диссертации. Им проведен анализ экспериментальных данных, представленный в диссертации, выполненный с использованием самостоятельно разработанных компьютерных программ. На защиту выносятся следующие положения:

1. Пространственно-временные характеристики пульсаций в риометрическом поглощении не повторяют пространственно-временные характеристики одновременно наблюдаемых тороидальных геомагнитных Рс5 пульсаций. Рс5 пульсации в риометрическом поглощении могут генерироваться в результате взаимодействия двух осциллирующих систем: магнитосферного альвеновского резонатора и системы ОНЧ волны+электроны.

2. Полоидальные Рс5 геомагнитные пульсации, наблюдаемые на геостационарной орбите, сопровождаются соответствующими пульсациями в риометрическом поглощении вблизи сопряженной точки с глубиной модуляции до 85 %.

3. Возбуждение глобальных Рс5 пульсаций происходит независимо в утреннем и дневном секторах магнитосферы.

4. Метод эффективного импеданса, основанный на синхронных ионосферных радарных и магнитных наземных наблюдениях, позволяет определить относительный вклад МГД мод в геомагнитные пульсации. Глобальные Рс5 пульсации на высотах верхней ионосферы являются преимущественно альвеновскими волнами.

5. Возможна глубокая модуляция ионосферной проводимости, плотности плазмы и ионной температуры геомагнитными Рс5 пульсациями при отсутствии соответствующих пульсаций в риометрическом поглощении.

6. Возможность определения широтного профиля резонансной частоты Рс5 пульсаций по данным радара некогерентного рассеяния Е1ВСА Т.

7. Максимум спектральной мощности грс1 пульсаций лежит на 2-4 градуса геомагнитной широты ниже экваториальной границы каспа, следовательно, касп не является непосредственным источником данных пульсаций.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

1. «Физика авроральных явлений», Апатиты, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011.

2. Конференции молодых ученых "Современные проблемы в астрофизике и физике космической плазмы", Иркутск, 2007.

3. Международный гелиофизический год, Звенигород, 2007.

4. "Геокосмос", 2008, 2010, Петродворец.

5. "Плазменные явления в солнечной системе: открытия профессора К.И. Грингауза -взгляд из 21 века", Москва, ИКИ, 2008.

6. 33rd, 35th and 37 Annual European Meetings on Atmospheric Studies by Optical Methods, Sweden 2006, Ireland 2008, Spain 2010.

7. American Geophysical Union, Fall Meeting, 2008, 2009.

8. «Физика плазмы в солнечной системе». ИКИ. Москва. 2009.

9. "Plasma-wave process in the Earth's and planetary magnetospheres, ionospheres and atmospheres", H. Новгород, 2009.

10. 11th IAGA Scientific Assembly, Hungary, 2009.

11. «Состояние и перспективы развития геофизических исследований в высоких широтах», посвященная 50-летию ПГИ КНЦ РАН. 2010 г. Апатиты.

12. Школа молодых учёных «Высокоширотные геофизические исследования», 2011. Мурманск.

Также работа обсуждалась на научных семинарах в ИФЗ, ИКИ, ПГИ, ИЗМИР АН.

Публикации. Результаты, составившие основу диссертации, опубликованы в 6 статьях в рецензируемых отечественных и международных журналах, 10 - в трудах конференций, 33 - в тезисах российских и международных конференций.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю Пилипенко Вячеславу Анатольевичу, сотрудникам ПГИ КНЦ РАН Воробьеву Вячеславу Георгиевичу, Ролдугину Валентину Константиновичу, Ягодкиной Оксане Ивановне, сотруднику университета Оулу Козловскому Александру Евгеньевичу.

Работы, выполненные по теме диссертации, были поддержаны грантами РФФИ №06-05-64374, №09-05-00818, грантом РФФИ "Мобильность молодых ученых" № 10-0590716, Программой Президиума РАН № 4.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 134 страницы, 79 рисунков, 7 таблиц. Библиография включает в себя 141 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены основные цели исследования, указано, в чем состоит новизна результатов, приведен обзор содержания работы.

В главе 1 дано общее представление о геомагнитных пульсациях как о проявлении волновой активности магнитосферы. Более подробно рассмотрены геомагнитные Рс5 пульсации, являющиеся наиболее энергетически мощным элементом волновой активности магнитосферы. Дано описание тороидальных и полоидальных Рс5 пульсаций, занимающих один частотный диапазон, но имеющих различное физическое происхождение. Дан обзор исследований связи геомагнитных Рс5 пульсаций и соответствующих пульсаций в потоках захваченных и высыпающихся частиц. Даны представления о глобальных Рс5 пульсациях, Рс5 пульсациях в ионосферных параметрах, длиннопериодных пульсациях вблизи области каспа. На основании изложенных сведений сформулированы задачи работы.

В главе 2 диссертации рассмотрены соотношения между характеристиками геомагнитных Рс5 пульсаций и пульсаций в потоках захваченных и высыпающихся частиц. Наблюдаются различные виды взаим�