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

30

Р и с. 44. Зависимость частоты

появления Рс2 от К^-нндексн

~аосток

Борон

20

наблюдаемых в полярной шапке, с гидромагнитными волнами,

симость частоты появления Рс2 на геомагнитном полюсе (ст. Вос­ ток) и на средиеширотной обсерватории Б о р о к от /Ср -иидекса. Видно, что Рс2 возникают на полюсе чаще, чем на средних широ ­

141

Г л а в а V

ГИДРОМЛГНИТНЛЯ ДИАГНОСТИКА

§ 20. Физические основы диагностики

Гидромагнитпая диагностика — это определение параметров магнитосферы и межпланетной; среды по результатам наблюдения геомагнитных пульсаций . Принципиальная возможность диагно­ стики возникает благодаря тому, что характер генерации и рас­ пространения пульсаций существенно определяется структурой магнитосферы и процессами, разыгрывающимися внутри магнито­ сферы и за ее пределами.

Зондирование электромагнитными волнами вообще является классическим методом измерения параметров космической плаз­ мы. Достаточно напомнить о вертикальном зондировании ионо­ сферы снизу (с Земли) и сверху (со спутников); об измерении параметров плазмы по допплеровскому смещению частоты радио­ передатчиков, установленных на спутнике; по фарадеевскому

В то ж е время несомненный практический интерес имеют мето­ ды, использующие естественные электромагнитные излучения . Хорошо известен, например, метод просвечивания нижней ионо­ сферы космическими радиошумами. Выдающиеся успехи при исследовании плазмы на больших высотах были достигнуты при­ менением свистящих атмосфериков. С тех пор, как в 1953 г., на заре космических исследований, Стори сделал первую правиль­ ную оценку электронной концентрации на больших высотах,

пользование пульсаций д л я диагностики магнитосферы является естественным продолжением этого круга работ. Методы иссле­ дования магнитосферы по данным о пульсациях и У Н Ч - и з л у ч е - нхіях во МНОГОІМ аналогичны друг другу. Вместе с тем, пульса­ ции дают возмояшость диагностики, например, такого важного

т

нения пульсаций. Диагностическим целям могут служить дан­ ные о поляризации, фазовой и групповой скорости волн; о спектре собственных частот магнитосферы; об усилении, затухании и расплывапии волновых пакетов при прохождении ими определенного пути в магнитосфере; о критической частоте ионосферного волно­ вода; о пространственной локализации пульсаций . Иногда уже сам факт появления специфических типов пульсаций дает каче­

требуется восстановить структуру среды и (или) ход физического процесса. Чтобы яснее представить себе идею соответствующих методов, полезно будет рассмотреть общую схему электромаг­ нитного зондирования в приближении геометрической оптики.

Прежде всего паходится связь комплексного показателя пре­ ломления п с локальпыми параметрами среды. Далее ищется связь между наблюдаемыми параметрами электромагнитного поля и рас­

поля . Последний этап в общем случае сводится к решению неко­

что это всегда необходимо делать. Из-за сложности проблемы, неполноты и неточности экспериментальных данных строгое реше­ ние обратной задачи во многих случаях практически неосуще­ ствимо, так что приходится ограничиваться оценками параметров, исходя из простых эвристических соображений.

По данным о пульсациях можно диагностировать концентра­ цию холодной плазмы, локализацию, энергию и поток резонанс­ ных частиц, положение границы магнитосферы, параметры сол­ нечного ветра. Кроме того, наблюдения пульсаций позволяют качественно исследовать процессы штжекции энергичных частиц в магнитосферу; колебания удаленных областей геомагнитного хвоста; процессы, сопровождающие сброс электронов в зону сияний; формирование неустойчивых распределений частиц; разви­ тие различных иеустойчивостей околоземной плазмы и их послед­ ствия.

Связь свойств пульсаций с параметрами магнитосферы зача­ стую носит сложный и многоступенчатый характер . По этой при­ чине широкое распространение получили методы эмпирической диагностики. Вначале опытным путем определяются коэффициен­ ты связи между величинами измеряемых параметров и наблю­ даемыми характеристиками пульсаций и исследуется устойчи­ вость этих связей. В дальнейшем наблюдения пульсаций позволяют с той или иной степенью надежности контролировать изменения параметров магнитосфсрч.

Ш

С гидромагпитной диагностикой тесно связана проблема про­ гнозирования геофизических феноменов (блэкаутов, вспышек сия­ ний, ионосферных возмущений и т. п.). Краткосрочный прогноз бывает необходим, например, при выборе моментов пуска гео­ физических ракет. Долгосрочный прогноз частоты появления пульсаций и сопутствующих им явлений полезен при планиро­

картину состояния магнитосферы в момент измерения. В прин­ ципе, достигается это тем, что одновременно используются записи пульсаций в различных частотных диапазонах на мировой сети обсерваторий и данные о других геофизических явлениях . Иными словами, идеальным является вариант комплексной диагностики.

При выяснении причины того или иного конкретного явления обычно требуется постановка дифференциального диагноза. Из конечного множества правдоподобных гипотез необходимо исклю ­

представление общего состояния магнитосферы может оказаться решающим.

В результате целенаправленных исследований выяснилось, что путем наземного наблюдения пульсаций можно изучать струк­

сферы с помощью пульсаций и изучение физической природы самих пульсаций тесно связаны между собой. В процессе диагно­ стики не только извлекается информация о магнитосферной

и как наиболее активный способ верификации конкретных теоре­

пространство бороздят десятки спутников, оборудованных раз ­ личными научными инструментами? Право же, на этот вопрос

или вынос астрономических приборов за пределы плотной атмо­ сферы может в какой-то мере уменьшить значение наземной

пульсаций и других низкочастотных излучений как важного вспомогательного орудия исследований. Возможность пепрерыв-

145

пых и длительных наблюдений за состоянием магнитосферы с помощью сравнительно несложной аппаратуры, а также про­ стота и оперативность извлечения нужной информации я в л я ю т с я неоспоримыми практическими достоинствами низкочастотных

в то время как другие возможности, представляющиеся в настоя­

ций остаются еще загадочными, а теория гпдромагнитпой диагно­ стики делает первые шаги, достигнутые успехи позволяют утвер­ ждать, что наблюдение пульсаций открывает новые пути даль ­ нейшего исследования магнитосферы.

§21. Холодная плазма

Дл я обследования ограниченных участков околоземного про­ странства весьма удобно использовать магпитофокусируемые вол­ ны. Я р к о выраженным эффектом магнитной фокусировки обла­

ции холодной плазмы в экваториальной окрестности силовых

во-первых, легко идентифицировать траекторию пакетов, а во-вто­ рых, обеспечивает необходимое пространственное разрешение при диагностике концентрации плазмы.

С переходом к более низким частотам (со <êÇ fij) фокусировка альвеновских воли усиливается, но дисперсия исчезает. Однако в этом диапазоне длина волны соизмерима с длиной силовых линий

есть функция геомагнитной широты, причем вид этой функции

широтной зависимости периода альвеновских колебаний магнито­ сферы. Дополнительная информация содержится в данных о не-

Мб

П о с к о л ь к у структура магнитного поля известна сравнительно хорошо, данные наблюдений спектра собственных частот могут быть использованы для оценки концентрации плазмы на больших

магнитосферы. Это в принципе позволяет восстановить по изве­

дело с обратной задачей. Однако для простоты обычно ищется решение соответствующей прямой задачи при заданной гипотезе о структуре среды. Выбирается подходящая аппроксимация гео­ магнитного поля, распределение концентрации плазмы описывает­ ся некоторым набором пробных функций и производится расчет спектра альвеновских колебаний. Параметры модели подбираются

приближеиии, а вертикальный профиль плотности плазмы оты­

Коэффициенты F1 и F2 выражаются через магнитное поле, которое внутри магнитосферы можно считать потенциальным. У д е р ж и в а я в гауссовом разложении два главных члена, будем

147

Р H с. 46. Силовая лшшя гео­ магнитного поля

стному из эксперимента спектру собственных частот о) требуется найти р. Пр и попытке аналитического решения задачи практи ­ чески неизбежным является использование приближенных мето­ дов. Заменой переменных

яр = р'.'« (г sin іЭ) ф, % : 2пѴ. J-£P di-

148

собственные функции оператора —d2/d%2 известны. Поэтому мож­ но попытаться применить обычную процедуру теории возмуще­ ний [158]. Считая поправку н к невозмущенному оператору малой,

С математической точки зрения задача сводится к решению инте­

Это интегральное уравнение Абеля . Особенность его ядра устраняется следующим приемом. Умножив левую и п р а в у ю части (21.7) на (а — ?'о)~''2і проинтегрируем по dr0 в интервале от ге до а и поменяем порядок интегрирования в правой части:

грируема . Поэтому уравнение (21.8) эквивалентно другому инте­ гральному уравнению, которое получается дифференцированием обеих частей (21.8),

Решение последнего уравнения ищем методом итераций

а

v i w - Ä ( a i a ) rfa j [ a _ r o ] . . , »

e

(>2 (а) = ( ? 1 ( ^ - 5 4 ? е ^ г ' ? 1 ( 2 ) ^ -

Подынтегральная функция в решении первого приближения имеет особенность при г0 = а. Поэтому, прежде чем дифферен­ цировать, поступил! следующим образом:

Возвращаясь теперь к прежним обозначениям и учитывая очевидное равенство Тп (;-0 = ге) = О, где Тп = 2л/со„, полу­ чим в первом приближении формулу диагностики концентрации

150