Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Гульельми А.В. Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы

.pdf
Скачиваний:
15
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
15.82 Mб
Скачать

 

5

,

7

6

8-10~z

 

 

у,

да'/сек

 

 

/, W~2ßß/ceK

 

Р H с. 34.

Зависимость

темпа релаксации инкремента от

величины

инкре­

мента в начале серии жемчужин

 

 

 

 

Р и с . 35.

Зависимость

времени достижения

максимальной

амплитуды в

серии Pel

от начального

инкремента

 

 

 

 

лучевой

трубки). По наблюдениям в сопряженных

точках

п — 1

в большинстве случаев. С другой стороны, величина

Q/co

может

быть измерена двумя независимыми методами 2 . Результат из­

мерений приведен на рис. 3 6 . Видно, что величина fi/co в

среднем

равна — 2 , 0

и практически не превосходит — - 2 , 5 — 3 , 0 .

Таким

образом. п — 1 — 2 . Однако

в сериях жемчужин, которые

исполь­

зовались для построения рис. 3 6 , заведомо п = 1. Поэтому

в фор­

мулу ( 1 4 . 9 )

следует ввести

корректирующий множитель,

пример­

но равный

~ 0 , 6 — 0 , 7 ,

 

 

п —- целая часть [ 0 , 6 5

Q/JL>].

 

Если учесть приближенный характер расчетов, то согласие между экспериментом и теорией следует признать вполне удовлет­

ворительным.

 

 

 

Возникают ли

вообще двухмодовьте

режимы

генерации

(п = 2 ) ? Просмотром большого количества

сонограмм

жемчужин

нам удалось обнаружить несколько таких

случаев.

Н а рис. 3 7

показаны «дублеты»

жемчужин, в которых,

по всей вероятности,

п - 2 . Эту гипотезу, в принципе, можно проверить: при двух-

модовой

генерации

отношение co/Q должно быть

0 , 3 , т. е.

меньше,

чем при

одномодовой.

 

Имеется ряд не решенных еще проблем, непосредственно не связанных с проблемой дискретности. Не выяснено, например, является траектория жемчужин «простой» или «комбинированной»

(рис. 2 4 ) .

Некоторые результаты наблюдений выглядят

довольно

загадочно.

В работе [ 3 0 ] обнаружено, что время пробега

сигнала

2Они изложены в § 21, 22. Там же показано, что жемчужины возбуждаются во внешней части радиационного пояса (L — 4—6) и что энергия резонан­ сных протонов е ~ 10—30 кэв.

121

 

 

 

 

из одного полушария в другое

иногда

 

 

 

 

заметно

отличается

от

времени

пробега

 

 

 

 

в

обратном

направлении.

 

Причиной

 

 

 

 

такой асимметрии

может

быть

 

наличие

 

 

 

 

квазистацнонарного

 

потока

 

плазмы

 

 

 

 

вдоль

 

геомагнитных

 

силовых

 

линий

 

 

 

 

из

одного

полушария

в

другое.

При

 

 

 

 

распространении сигнала вдоль

потока

 

 

 

 

групповая

 

скорость

несколько

 

выше,

 

 

 

 

чем при

распространении

в

 

противо­

 

 

 

 

положном

направлении.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Не

 

вполне

ясна

роль

плазмопаузы

 

 

2,5

SI/'со

в

процессе

возбуждения

жемчужин.

 

 

Можно предполагать, что в

окрестности

Р и с . Н(>. Распределение

се­

плазмопаузы

 

существуют

благоприят­

рии жемчужин по

величине

ные

условия

для

 

канализации

воли

отношения (ü/'Qp (0)

 

вдоль

 

геомагнитных

 

силовых

Л И Н И Й .

1 — результат

дисперсионного

Ирм перемещении

плазмопаузы

наружу

анализа;

 

 

 

после

магнитной бури

ожидается

само­

2 — результат

анализа скачков

возбуждение

 

гидромагннтных

 

волн

в

несущей частоты

жемчужин

моменты

пересечения

плазмопаузы

с

 

 

 

 

 

 

 

 

«остатками» кольцевого тока. Тот

факт,

что вероятность

появления

Pel

 

максимальна

 

в

течение

первой

педели после главной фазы бури, косвенно

 

подтверждает

эту

гипотезу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обычно

предполагается,

что

после

вторжения

в

ионосферу

жемчужины

распространяются

 

в

 

гидромагнитном

волноводе

вдоль земной поверхности

от

высоких

широт

к

низким.

 

Рассмот­

рим рефракцию альвеновской волны в магнитосфере. Как

следует

нз (12.8), вектор

к с

приближением

к

Земле

вдоль

силовой

линии

становится почти перпендикулярным к магнитной оболочке и

направлен

в сторону полюса.

Если

рефракция

такого

типа дей­

ствительно

имеет

место, то после захвата

в ионосферный

волновод

ж е м ч у ж и н ы будут распространяться к полюсу, а не к

экватору .

Но это значит, что на среднеширотных

обсерваториях

регистри­

руются сигналы,

пришедшие

через

полюс из

противоположной

полусферы. Гипотезу можно проверить путем измерения времени группового запаздывания жемчужин в ионосферном волноводе над полярной шапкой .

§ 17. Пульсации нарастающей частоты

Во время магнитных бурь в околоземном пространстве разыг­ рывается в определенной последовательности с л о ж н а я картина электродинамических и кинетических процессов. Некоторые из них сопровождаются низкочастотными излучениями, которые можно уподобить свисту и завыванию ветра во время бурь в тро­ посфере.

1В2

п а ра мощных импульсов, бегущих по нестационарной среде симметрично в сопряженные точки. Отразившись от ионосферы, каждый из импульсов проникает вдоль силовой линии в противо­ положную полусферу. Вполне вероятно, что при повторных про­ бегах через экваториальную область импульс усиления не испы­ тывает, так как резонансная частота испытывает более быстрый временной тренд, чем несущая частота, и импульс выходит из резонанса. Поэтому, совершив по два-три пробега вдоль силовой линии, оба импульса затухают.

Т а к и м образом, повышение частоты всплесков на фоне гидромагпитных завываний интерпретируется как преобразование спек­ тра пакета волн в нестационарной среде. Не ясен, однако, вопрос, как вообще возникают всплески. Возможно несколько объясне­ ний. Шумовой фон генерируется в обширных областях простран­ ства, протяженных как по L , так и по долготе ср. Быть может, всплески возникают в узких магнитных трубках, в которые про­ никают излучающие частицы в процессе дрейфа по L и по ср? Это в принципе не исключено. Сильная фокусировка гидромагнит­ ных воли может возникнуть, например, в столбах плазмы повы­ шенной (или пониженной) плотности, вытянутых вдоль силовых линий, или в окрестности плазмопаузы. Однако во многих случаях всплески на фоне Ірсір по виду имеют мало общего с жемчужинами . В целом вопрос остается открытым. Полезно поэтому иметь в виду

еще

и другую

возможность.

 

 

 

 

В спокойной магнитосфере неустойчивость энергичных прото­

нов имеет, как известно, конвективный

характер .

Предполагает­

ся, что возбуждение срока Ірсір происходит также

в результате

конвективной неустойчивости. Соответственно интегральный

ин­

кремент у —у

— ô. Здесь

б = тГ1 In

P~l, у = у0

П ф/т), т; ,ф

=

/..ф/Л, Р — коэффициент

отражения

воли от ионосферы, у0

локальный инкремент в вершине траектории, т — время

пробега

воли

между сопряженными

точками,

іэ ф — небольшой

участок

траектории вблизи экваториальной плоскости, на котором уси­ ление эффективно. Допустим теперь, что в ходе возбуждения фона Ipdp в некоторой ограниченной области возникла абсолютная неустойчивость 3 . Пусть К — некоторый параметр пучка (или среды), при увеличении которого осуществляется переход от кон­

вективной

неустойчивости к

абсолютной.

П р и

X

Х к р

(конвек­

т и в н а я неустойчивость)

инкремент

равен

у — б.

При

переходе

же через АКр инкремент становится равным у0

(абсолютная неустой­

чивость). Так

как тПф < ^

т,

о ^ у „ ,

то

скачок

инкремента

^

у0,

что, по крайней мере в несколько

раз,

больше

инкремента

в

до-

критическом режиме. Переходом от конвективной

неустойчивости

к абсолютной можно, в принципе,

объяснить появление

мощных

всплесков

на

фоне гидромагнитных завываний .

 

 

 

 

3Циклотронная неустойчивость может быть абсолютной, например, при палнчип пучков с достаточно малым тепловым разбросом частиц по скоростям.

1і25

Рассмотрим причины нарастания

частоты шумового фона.

Это наиболее характерное свойство

Ipdp можно объяснить по­

вышением с течением времени локального магнитного поля в области генерации dB (L,t)ldt ^> 0. Область генерации распола­ гается где-то в экваториальной плоскости вечернего сектора магнитосферы, вероятно, на оболочках L — 4 — 8 . Во время бури геомагнитное поле здесь резко понижено по сравнению с иевозмущеипым. Депрессия п о л я обусловлена появлением внутри маг­ нитосферы протонов с энергиями s,, -— 10—30 кэв, создающих так называемый кольцевой ток. Представляется вполне правдо ­ подобным, что гидромагнитный шум Ipdp возникает как результат

неустойчивости распределения протонов кольцевого тока.

Н е ­

устойчивость наиболее

быстро

развивается в области максималь ­

ной депрессии поля,

т. е. в

минимуме комбинированного

п о л я

диполя и токового кольца. Посмотрим, как в рамках этой модели можно объяснить рост магнитного поля и связанную с ним транс­ формацию спектра.

Самовозбуждение гидромагиитных шумов приводит к рас ­ сеянию излучателей, т. е. протонов кольцевого тока. В результате

депрессия геомагнитного

поля в области генерации уменьшается,

а резонансная частота

соответственно

увеличивается.

 

Усиление

магнитного

поля в области генерации

произойдет

т а к ж е в результате перемещения излучателей поперек

L-оболо-

чек вглубь магнитосферы. Рост частоты

в этом случае будет оп­

ределяться

скоростью

радиального дрейфа со оо L (дВ/дЬ).

Т а к о й

дрейф возникает под действием крупномасштабного

электричес­

кого п о л я Е±,

и если принять со == Ï | Q p ,

где ц < С 1, то

 

 

ре

 

р

 

 

 

 

 

П р и г) £ ^ 1 ,

L

— 5 и Ех

~ 10~5 в/см получаем со —• 6 -І0~3

рад/сек2,

т. е. вполне

подходящую

величину.

 

 

 

Имеется еще одна причина, п р и в о д я щ а я к нестационарности

спектра

гидромагнитных

завываний, и действует она в том ж е

направлении,

что и две

другие, т. е. приводит к росту

частоты.

Эта причина выяснилась

в результате синоптических

наблюдений

Ipdp на

разнесенных по

долготе обсерваториях. Путем

одновре­

менного наблюдения Ipdp на обсерваториях Петропавловск, Иркутск и Б о р о к обнаружена долготная зависимость эволюции спектра Ipdp: данная частота « = const наблюдается в Борок ѳ немного позже, чем в Иркутске, а в Иркутске позже, чем в Петро­ павловске. Можно сказать, что фиксированная частота «переме­

щается» по азимуту с востока

на запад.

Измеренная скорость

«западного дрейфа

частоты»

в

среднем

равна ф ш

А? 2°

мин~1

[64, 261, 262].

Косвенным

методом аналогичная

оценка

неза­

висимо получена

в

работе [63].

 

 

 

 

126

Эффект естественно объяснить систематическим перемещением

области генерации но долготе. Западное

направление

дрейфа

позволяет с определенностью указать тип

излучающих

частиц

(протоны), а измеренная скорость перемещения дает

возможность

сделать ориентировочную оценку их энергии.

 

 

 

Скорость

азимутального

дрейфа частиц с энергией е. на магнит­

ной

оболочке

L

116]:

 

 

 

 

 

 

cp^8 - 10 - 3 Le,

 

 

 

 

 

 

(17.1)

где

ф — в град/мин,

е — в кэв. П о л а г а я ф

ф ш , получим оценку

Le — 2 , 5 - Ю 2

кэв,

что

при

L — 58 дает

энергию

протонов в

несколько

десятков

кэв.

 

 

 

 

 

Зависимость

скорости

дрейфа (17.1) от энергии

приводит

к повышению резонансной частоты со временем. В самом деле,

пусть

ф отсчитывается

от полуночи на

запад. При

импульсной

и н ж е к ц и и в момент t =

0 на долготе ф =

0, средняя энергия про­

тонов на долготе

ф ^> 0

будет е оо y/Lt.

Отсюда с учетом резонан­

сного

условия

о) — сор (A/w) получим

ш GO YLt/q.

Таким об­

разом, нестационарность энергетического спектра протонов яв ­ ляется одной из причин нестационарпости спектра гидромагиит-

ных

завываний .

 

 

К а к а я из трех указанных причин роста

частоты

Ipdp я в л я ­

ется

основной — не ясно. Несомненно, во

всяком

случае, что

имеют место и радиальный, и азимутальный дрейфы излучателей. О радиальном дрейфе свидетельствует тот факт, что во время гид­ ромагнитных завываний наблюдается перемещение вглубь магни­ тосферы внешней границы радиационного пояса, перемещение в направлении к экватору южной границы зоны сияний, прогрес­

сирующее уменьшение периода

цугов Рі2 . Азимутальный дрейф

п р о я в л я е т с я

в западном «дрейфе частоты».

Формирование неустойчивого распределения протонов, воз­

буждающих

гидромагиитиые

завывания, довольно специфично

и о нем следует сказать несколько слов. Х а р а к т е р распределения инжектируемых протонов не известен. Распределение может быть

неустойчивым

с самого начала, но тогда Ipdp возбуждались бы

в окрестности

полуночного меридиана, а не в вечернем секторе.

Отсюда можно заключить, что неустойчивое распределение фор­ мируется в процессе азимутального дрейфа частиц. Механизм имеет чисто кинематическую природу и может быть проиллюстри­ рован следующим образом.

Возьмем одномерное уравнение

- ! f + y * l h 0 '

( 1 7 -2 )

где / =

/ (е, ф, t); ѵѵ =

хе — скорость дрейфа; х Ä " const L . Ре­

шения

(17.2), очевидно,

имеют вид

f =

F{e)0(<p-xet),

(17.3)

127

где F и Ф — произвольные функции

Пусть в момент

и п ж е к ц и

(t = 0) все частицы локализованы в

узком

интервале долгот

Дер

в окрестности полуночи. Из (17.3) видно, что при.г ^> 0, ср

Дер

распределение

частиц по энергиям

f (е)

немонотонно;

частицы

локализованы

в интервале энергий

Де/е 0 ~ Дср/ср,

где е 0

~

— ср/х/1. Энергетический спектр тем уже, чем больше ср0. Средняя

энергия е 0 на данной долготе

уменьшается

со

временем.

 

Т а к и м образом, неустойчивое распределение протонов форми­

руется в процессе дрейфа даже в том случае, если

в момент ин -

жекции распределение

было

устойчивым.

Фактически,

однако,

в области инжекции

распределение не может

быть

устойчивым:

сразу после инжекции

за время ~l/w формируется

два

идентич­

ных встречных пучка . Волны, возбуждаемые в системе встречных пучков, могут давать вклад в спектр хаотичных пульсаций, ко­

торые наблюдаются в полуночном секторе зоны сияний .

Р а с ­

сеяние частиц на волнах, вероятно, приводит к торможению

пуч ­

ков и срыву неустойчивости. Однако спустя некоторое время

рас ­

пределение в облаке протонов, дрейфующем па запад, снова может стать неустойчивым (в вечер нем секторе).

Самовозбуждение гидромагнитных шумов в вечернем секторе магнитосферы приводит к рассеянию и к гибели в конусе потерь протонов, создающих депрессию поля в главную фазу бури. Следующие оценки показывают, что этот процесс может весьма существенным образом повлиять на ход магнитной бури.

Среднее время жизни протона относительно магнитного рас ­

сеяния

па

7пумах

с амплитудой Ъ:

 

^ — - „ — : - r - i

l u — ,

17.4

где a0

— раствор конуса потерь. Используя (17.1), сравним

(17.4)

с временем

t2 перемещения частицы поперек волнового

п о л я :

Ujtv

~ 2,5 • 10-2 Дср (Lb)2/-z lu (1/у.0 ).

(17.5)

Здесь

Дер — протяженность волнового п о л я

по азимуту в граду ­

сах, b

— в гаммах, е — в кэв. П р и Дер 20°, (Lb) 6у,

е ~

20 кэв

и In (10 ) 2 имеем

0,5, т. е. в вечернем секторе

замет­

н а я

доля энергичных

протонов гибнет в результате

р а с с е я н и я

на

гидромагнитных шумах . Этот процесс,

вероятно,

я в л я е т с я

одной из причин азимутальной асимметрии кольцевого тока в

главную

фазу бури

[262].

(17.5) основная неопределенность

 

П р и

оценке

по

формуле

связана

с неопределенностью

амплитуды

магнитных

 

шумов

6.

По наземным

данным трудно

судить

о

величине /; в

области

генерации, так как волны испытывают сильное ослабление

в

ионо-

4

Для простоты не учитываем зависимость к от

интч-угла и периодичность

 

/ (ср). Последнее

оправдано для

промежутков

времени, меньших

периода

 

полного

оборота

вокруг Земли

основной массы инжектированных

частиц.

128

сферных слоях . Одной из серьезных задач дальнейших исследова­ ний является измерение с помощью спутника интенсивности гидромагнитпых завываний непосредственно в области взаимо­ действия с энергичными частицами.

§ 18, Длішнонернодные

пульсации

Я в л е н и я , которые нам

предстоит обсудить в этом параграфе,

довольно сложны: структура поля длиппопериодных пульсаций; физическая природа источников; возбуждение пульсаций, пред­ ставляющих собой суперпозицию многих мод. Количественные выводы здесь в большинстве случаев весьма неточны. Поэтому мы сосредоточим внимание па качественных эффектах, имея в ви­ ду прежде всего то обстоятельство, что даже ориентировочные представления полезны (если они верпы) при разработке эмпи­ рических методов диагностики.

Гигантские пульсации (Pcô). Вначале обратимся к пульсаци ­ ям, период которых согласно наблюдениям зависит от широты. Давно высказывалось мнение о том, что длинпопериодпые пуль­ сации есть собственные колебания магнитосферы [263, 264]. С колебаниями альвеновского типа принято отождествлять пуль­ сации Рс5 и в некоторых случаях — Рс4. Имеется количественное согласие между измеренной зависимостью периода пульсаций от широты и результатами расчетов (рис. 18). Существуют и дру­ гие аргументы в пользу принятой интерпретации. Например, пульсации Рс4, 5 хорошо коррелируют в магнитосопряженных точках. В принципе, по результатам измерений поляризации в сопряженных точках можно пытаться уточнить тип альвеновских колебаний и определить четность номера гармоники. Этому, однако, возможно, будет препятствовать влияние нижней ионосфе­ ры, искажающей поляризационные характеристики пульсаций .

Амплитуда Рс4, 5 в целом увеличивается с ростом

широты,

и это наводит на мысль о том, что источник пульсаций

находится

на периферии магнитосферы. При иабегании на магнитосферу ударных воли (Ssc) пульсации с периодом, зависящим от широты, возбуждаются также и иа глубоких оболочках (L ~ 3—4). Они обыч­ но возникают одновременно в некотором интервале L . Интересно, что подобные колебания наблюдались с помощью локатора (55 Мгц)

в виде

пульсирующих отражений

от

радиосияиий [294]. Т а к а я

методика

позволяет

оперативно

снимать мгновенную

зависи­

мость

T

(L), а это

имеет большое

диагностическое

значение.

Существуют различные точки зрения на механизм генерации гигантских пульсаций . В работе [205] показано, что источником Рс5 могут служить поверхностные волны, возбуждаемые на гра­ нице магнитосферы солнечным ветром. Механизм трансформации энергии поверхностных волн в энергию альвеновских колебаний магнитосферы исследован в работе [164]. С другой стороны, в рабо­ те [265] предполагается, что источники длиннопериодных пульса-

5 А. В. Гульельыи, В. А. Троицкая

129

ц ий располагаются внутри магнитосферы. Механизм генерации — неустойчивость столбов горячей плазмы, вытянутых вдоль силовых линий геомагнитного поля.

Перманентные пульсации (РсЗ, 4). Пульсации типа РсЗ наблю ­ даются па дневной полусфере, причем период пульсаций практи­

чески

не

меняется от

точки к точке. Теория РсЗ

не построена

даже

на том уровне

строгости, который выбирается при анализе

Рс5 . Обычно считается, что

РсЗ есть стоячие волны

магнитозвуко-

вого

типа

[121.

По

 

порядку величины максимальный

период

колебаний

равен

T

~

RIA,

где R — характерный

размер

резо­

натора. Расстояние от границы магнитосферы до поверхности

Земли R

~ 9ге , что при А

~ 10° см/сек даст T ~

60

сек.

Период

первых

гармоник может быть- в два-три

раза

меньше, т.

е.

попадает в диапазон РсЗ. В работе [266]

высказано

предположе­

ние, что резонатором являются области

пространства

поверх­

ность Земли — плазмопауза

и плазмопауза — граница

магнито­

сферы. С другой стороны, авторы работ

[267, 268]

считают,

что

РсЗ, 4 возбуждаются в виде

стоячих альвеновских волн в силовых

трубках геомагнитного поля, примыкающих к нейтральным точ­

кам

на дневной

стороне

магпитопаузы.

 

 

Общим в упомянутых

теориях является предположение о том,

что

спектр наблюдаемых

па Земле пульсаций определяется резо­

нансными

свойствами магнитосферы. Некоторые из

эксперимен­

тальных

фактов

не противоречат

этой точке

зрения .

Например,

в работе [269] обнаружено, что период РсЗ, 4

монотонно умень­

шается с уменьшением расстояния R до подсолнечной точки

границы

магнитосферы,

т. е. при

сжатии резонатора

(см. т а к ж е

11—3, 270—272]). Аналогичным образом, исходя из свойств маг­ нитосфер иого резонатора, пытались интерпретировать связь пе­ риода РсЗ, 4 со скоростью солнечного ветра U [273, 274] и с кон­ центрацией заряженных частиц в солнечном ветре N [275, 276]. Однако после того, как была обнаружена отчетливая зависимость периода колебаний от величины межпланетного магнитного п о л я [277, 278], возникло предположение о том, что спектр колебаний, наблюдаемых на Земле, формируется за пределами магнитосферы, а именно — в межпланетном пространстве перед фронтом ударной волны.

Мы приведем р я д экспериментальных фактов, которые свиде­ тельствуют о том, что по крайней мере часть пульсаций в диапа­ зоне РсЗ, 4 проникает в магнитосферу из межпланетной среды.

Н а рис. 39 представлена зависимость периода пульсаций от радиуса магнитосферы R, скорости солнечиого ветра U, концент­ рации плазмы N, удвоеиного давления протонов Р и величины магнитного поля В перед фронтом ударной волны [278]. У к а з а н ы средние значения параметров в каждом интервале периодов и сек­ стили, характеризующие разброс. Отдельные точки соответствуют случаям, когда в данном интервале периодов было меньше шести прямых измерений параметра.

130

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ