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

~ 700—900 км/сек [38, 39] (см. т а к ж е [401). Эта скорость примерно соответствует скорости магнитозвуковых волн в ионосферных

чем, серии жемчужин идут непрерывно в течение многих часов. Наблюдается с л о ж н а я суточно-широтная вариация вероятности появления ж е м ч у ж и н [231. Максимум вероятности появления приходится на ранние утренние часы и на околополуденное время соответственно на средних и высоких широтах . Небольшое уве­ личение вероятности появления начинается примерно за час до

баний довольно размыт и нерегулярен . Е с л и Ssc по случайным

Период, век

Р и с. 9. Распределение серий жемчужин по несущим периодам в сопряжен­ ных точках Согра — Кергелен (1965—1966 гг.)

21

п о л я [42]. Однако прямой связи появления жемчужин с Ар-ин­ дексом геомагнитной активности не обнаружено . Известно толь­ ко, что большое число жемчужин появляется в течение первой

Отличительная черта жемчужин — отсутствие явной связи момента их возникновения с другими проявлениями геомагнит­ ной активности. Эта загадочная самопроизвольность возбуждения жемчужин породила обширную литературу . До сих пор не уда­ лось обнаружить агент, стимулирующий возбуждение жемчужин (за исключением Ssc). Создается впечатление, что моменту гене­ рации предшествует некоторая подготовительная стадия трудно­ уловимых процессов.

«Гидромагнитные шипения». «Гидромагиитиые шипения»5 мож­ но условно отнести к диапазону Pel, хотя нерегулярный вид осциллограмм делает их родственными колебаниям типа Р і і . Н а сонограмме шипения выглядят в виде широкой полосы, цен­ трированной на частоте ~ 0,3—1 гц [9, 58]. Эта полоса иногда бы­ вает рассечена небольшими просветами на две-три более узкие полоски.

В отличие от жемчужин гидромагиитиые шипения не имеют дискретной структуры: они длятся в течение многих часов в виде непрерывной шумовой полосы. Появляются шипения сравнитель­ но редко, обнаружены были недавно и потому мало изучены. Ос­ новные сведения о шипениях кратко сводятся к следующему [9, 58, 591.

Шипения в субавроралыюй зоне (Колледж) чаще всего появ­ ляются летом в послеполуденные часы, а на средних широтах (Калифорния) — в ночные часы. Период колебаний в среднем выше в Колледже, чем в Калифорнии . Н а средних широтах на­ блюдается суточный тренд периода колебаний: период минимален в околополуночные часы и быстро увеличивается перед восходом Солнца. Шипения появляются чаще летом, чем зимой. Амплитуда

Пульсация нарастающей частоты. В главную фазу бури в вечерние и предполуночные часы наблюдаются широкополосные

5 В литературе нет общепринятого термина для обозначения этих пульсаций. Их называют иногда «continuons émissions» [9], «sub-ELF émissions» [58]

и т. п. Термин «гидромагиитиые шипения» был предложен в обзоре [1] на том основании, что механизм возбуждения этих пульсаций, судя по всему, аналогичен механизму возбуждения «УНЧ-шнпешій».

22

а

Р и с . 12. Длишюпернод- з.ш wt ные пульсации, наблю­

даемые днем (я) и ночью

(о)

в

127

импульсивные всплески колебаний (рис. 11). Продолжительность

нительно узкий спектр с центральной частотой ~ 0,3—0,2 гц,

Рс2 — 4 пульсации наблюдаются почти непрерывно на обращенной к Солнцу стороне земного шара . Это самый распространенный вид пульсаций (рис. 12, о). Амплитуда колебаний (0,5—5у) спадает при удалении от полуденного меридиана и увеличивается в преде­ лах среднеширотного пояса с увеличением геомагнитной широты.

25

Период одновременно идущих колебаний практически одинаков на всей дневной полусфере [73—81] в .

Пульсации Рі2 наблюдаются в виде цугов на ночной стороне Земли (рис. 12, б). Амплитуда Рі2 (1—10у) максимальна вблизи зоны сияний в околополуночные часы. В течение ночи на каждой обсерватории наблюдается несколько цугов. Число цугов и их

и межпланетной среды удалось установить много интересных закономерностей. О них подробно будет рассказано в последующих разделах (§ 18, 19, 24).

Обширную информацию о прямых наблюдениях пульсаций непосредственно в космическом пространстве можно найти в ра­ ботах [94—108].

Общая картина возникновения и эволюции пульсаций. Спо­ койные условия. Абсолютно спокойные условия соответствуют

пульсаций. По оценкам ламинарное обтекание неустойчиво, так что на границе полости образуется турбулентный слой, возбуж­ дающий собственные колебания магнитосферы.

В реальных условиях спокойный солнечный ветер содержит различные неоднородности, которые набегают на магнитосферу и, во-первых, модулируют амплитуду и период пульсаций, воз­

0Тишічпым представителем этой подгруппы пульсаций являются РсЗ. Преж­ де всего именно к шім относятся указанные здесь закономерности. Пульса­ ции Рс2 имеют несколько другие свойства и, возможно, другую природу (см. .§ 19).

26

Г л а в а I I

НЕКОТОРЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ ПЛАЗМЫ

Основой теории геомагнитных пульсаций является электро­ динамика плазмы. Мы дадим здесь некоторые сведения из этого предмета. Более подробную информацию читатель без труда най­ дет в прекрасных монографиях и обзорах, посвященных физике плазмы [109—124].

Строгая теория геомагнитных пульсаций еще не построена, так что трудно сказать, какие именно результаты физики плазмы определят облик будущей теории и о к а ж у т с я в конечном счете «основными». Ясно, по крайней мере, что в конкретных приложе ­ ниях н е л ь з я ограничиваться рассмотрением воли бесконечно ма­ лой амплитуды в однородной безграничной плазме. По методи­ ческим соображениям мы будем, однако, заниматься именно та­

н конечных размеров магнитосферы будет рассмотрено в после­ дующих главах в связи с конкретными вопросами теории пульсаций.

§ о. Основные уравнения физики плазмы

Плазма — это квазинейтральная совокупность большого числз з а р я ж е н н ы х частиц. Фундаментальные законы, управляющие по­

28

Система уравнений (5.1)—(5.9) точно описывает поведение клас­ сической (неквантовой) плазмы . Однако использовать ее в пред­

Поэтому используется статистический подход к описанию плазмы. С этой целью вводится функция распределения / а (х, ѵ, t), которая равна по определению средней плотности числа частиц

зывается достаточно строгим благодаря тому, что в реальных ус­ ловиях плазма, как правило, представляет собой газ, т. е. взаимо­

29

магнитное поле, которое, в свою очередь, тзлияет на движение частиц.

Движение отдельной частицы с массой m и зарядом е в общем

поведение плазмы описывается более простыми уравнениями гидро­ динамического типа [115, 118]. В некоторых случаях гидродина­

скорее практическими соображениями, так что соответствующие результаты следует принимать с осторожностью.

Вмодели двухжидкостной гидродинамики плазма представляет­

ся в виде смеси электронного и ионного газов, каждый из которых характеризуется средней концентрацией частиц

N(x,t)=\fdv,

средней скоростью

[112, 114, 122]. В дальнейшем мы учтем соударения, но при более простом способе описания плазмы, чем здесь (§ 6). Кроме того, в уравнениях (5.10) — (5.13) нетрудно при необходимости учесть силы неалектромапштного проис­ хождения (например, силу тяжести и центробежную силу).

30