Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

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

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

25.10.2023

Размер:

15.82 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 / 2113 14 15 16 17 18 19 20 21 > Следующая >>>

	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

обратном

направлении.

Причиной

такой асимметрии

может

быть

наличие

квазистацнонарного

потока

плазмы

вдоль

геомагнитных

силовых

линий

из

одного

полушария

другое.

При

распространении сигнала вдоль

потока

групповая

скорость

несколько

выше,

чем при

распространении

противо

положном

направлении.

Не

вполне

ясна

роль

плазмопаузы

2,5

SI/'со

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

несущей частоты

жемчужин

моменты

пересечения

плазмопаузы

«остатками» кольцевого тока. Тот

факт,

что вероятность

появления

Pel

максимальна

течение

первой

педели после главной фазы бури, косвенно

подтверждает

эту

гипотезу.

Обычно

предполагается,

что

после

вторжения

ионосферу

жемчужины

распространяются

гидромагнитном

волноводе

вдоль земной поверхности

от

высоких

широт

низким.

Рассмот

рим рефракцию альвеновской волны в магнитосфере. Как

следует

нз (12.8), вектор

к с

приближением

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	(тП 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

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

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 — 5—8 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 (1/а 0 ) — 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

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 / 2113 14 15 16 17 18 19 20 21 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ