2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение............................................................5
1. Авроральные узкополосные КНЧ-излучения на частотах ниже протонной гирочастоты..............................................23
1.1. Введение................................................23
1.2. Описание данных и морфологические характеристики узкополосных Ю 14-излучений..................................26
1.3. Связь авроральных узкополосных КНЧ-излучений с геофизическими явлениями...............................33
1.3.1. Связь КНЧ-излучений с дугами полярных сияний 33
1.3.2. Связь КНЧ-излучений с локальными и глобальными геомагнитными возмущениями..............................35
1.4. Влияние легких и тяжелых ионов на распространение авроральных узкополосных КНЧ-излучений и на характеристики этих излучений...............................................39
1.5. О высоте области генерации авроральных электромагнитных ионных циклотронных излучений..........................42
1.6. Основные результаты и выводы............................44
2. Локализованные высыпания энергичных электронов из внутренней магнитосферы в вечернем секторе....................................46
2.1. Введение................................................46
2.2. Результаты наблюдений...................................48
2.3. Сравнение с наблюдениями на других спутниках............60
2.4. Сравнение результатов наблюдений с предсказаниями количественной модели циклотронного взаимодействия.....65
2.5. Диагностика пространственного распределения холодной плазмы в экваториальной плоскости в вечернем секторе по наблюдениям локализованных электронных высыпаний.......72
3
2.5.1. Одновременные наблюдения локализованных высыпаний энергичных электронов на малых высотах и измерения холодной плазмы в экваториальной
плоскости.................................................72
2.5.2. Зависимость величины отношения потоков высыпающихся и захваченных частиц от плотности холодной плазмы....................................................77
2.6. Обсуждение результатов и выводы...........................80
3. Высыпание энергичных протонов из внутренней магнитосферы 85
3.1. Введение..................................................85
3.2. Анизотропные высыпания энергичных протонов, примыкающие к изотропной границе.....................................87
3.2.1. Данные.............................................87
3.2.2. Морфологические характеристики высыпаний...........89
3.2.3. Связь протонных высыпаний с плазмопаузой...........91
3.2.4. Обсуждение полученных результатов..................95
3.3. Локализованные усиления потоков энергичных протонов в субавроральных широтах...................................99
3.3.1. Вводные замечания..................................99
3.3.2. Данные............................................101
3.3.3. Морфологические характеристики локализованных усилений потоков энергичных протонов.....................102
3.3.4. Сравнение данных, полученных на спутниках ЫОАА-б и ОЕ-2.....................................................109
3.4. Связь локализованных усилений потоков энергичных протонов с геомагнитными пульсациями Рс 1..........................111
3.4.1. Примеры одновременных наблюдений усилений протонных потоков и пульсаций Рс 1.......................111
4
3.4.2. Сравнение характеристик всплесков протонных высыпаний и пульсаций Рс 1...............................115
3.4.3. Обсуждение полученных результатов.................122
3.5. Выводы и заключительные замечания........................126
Заключение..........................................................128
Список использованных источников....................................130
5
ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы
В диссертации по результатам наземных и спутниковых экспериментов проанализирована связь пространственной и временной структуры различных типов электронных и протонных высыпаний с низкочастотными волнами. С целью экспериментальной проверки существующих теорий генерации электромагнитных циклотронных волн в авроральной ионосфере и в экваториальной плоскости магнитосферы проведен анализ характеристик низкочастотных волн (узкополосных КИЧ-излучений, пульсаций Pci), а также различных типов электронных и протонных высыпаний.
Актуальность проблемы. Важную роль в возникновении волн в разных областях магнитосферы играет взаимодействие горячих (от единиц до нескольких десятков кэВ) частиц плазменного слоя и внешнего радиационного пояса Земли с холодной фоновой плазмой. При этом образуются неустойчивые функции распределения частиц, что приводит к возбуждению различных типов волн даже в одной области магнитосферы (например, в т.н. "авроральной полости" происходит генерация километрового излучения, аврорального ОНЧ-хисса, узкополосного КПЧ-излучения). И наоборот, сходные излучения могут генерироваться в различных областях (например, узкополосное КНЧ-излучение типа "львиный рев" обнаружено и в переходной области магнитосферы и в авроральной ионосфере). Возбуждение волн влечет за собой изменение свойств частиц, участвовавших в их генерации. Поскольку конструирование реальной функции распределения, описывающей частицы плазмы, задача очень сложная, она может быть заменена набором функций распределения, каждая из которых аппроксимирует лишь
6
некоторые из свойств какого-либо участка энергетического спектра и чаще всего лишь некоторого сорта частиц. Поэтому важным является изучение различных типов излучений и соответствующих им особенностей в функции распределения частиц.
Энергия волн в магнитосфере значительно меньше энергии магнитосферно-ионосферной системы. Тем не менее, эффекты с участием волн оказываются существенными для большого количества магнитосфсрных процессов. Во многих случаях волны играют каталитическую роль, обусловливая передачу энергии между различными сортами частиц и областями магнитосферной плазмы. Этому способствует то, что в большинстве случаев взаимодействие волн и частиц носит резонансный характер. Особое место в комплексе волновых явлений занимают низкочастотные волны, которые в значительной степени определяют динамику как энергичных (10-100 кэВ), так и авроральных (0.1-10 кэВ) частиц в магнитосфере. Например, ОНЧ-волны вызывают высыпания энергичных электронов в ионосферу, что существенно влияет на ее электродинамические характеристики. Поэтому взаимодействие низкочастотных волн и заряженных частиц является фундаментальной и актуальной проблемой магнитосферной физики.
В диссертации рассматривается несколько типов такого взаимодействия, исследования которых актуальны по следующим причинам:
• Узкополосные К114-излучения в авроральной области открыты еще в 70-х годах, однако, уровень их экспериментального изучения явно недостаточен; известно лишь несколько работ, посвященных их исследованию. Предполагается, что эти излучения генерируются во время взаимодействия пучка ускоренных электронов с плазмой верхней ионосферы вблизи авроральной полости. Изучение характеристик КНЧ-излучений важно для диагностики области ускорения авроральных
7
электронов, а также для диагностики ионосферной плазмы, в которой эти волны распространяются до низких высот.
• Высыпания энергичных электронов, связанные с низкочастотными излучениями интенсифицируются при контакте частиц радиационного пояса с областями повышенной концентрации холодной плазмосферной плазмы. В основном такие высыпания изучались в утреннем и дневном секторах. В вечернем секторе они практически не рассматривались. Исследование особенностей электронных высыпаний в этой области важно как для понимания процессов генерации этих высыпаний, так и для диагностики распределения холодной плазмы в вечернем секторе.
• Мало изучены различные типы высыпаний энергичных протонов, их морфология известна лишь в общих чертах. Хотя общепринято, что высыпания энергичных протонов из внутренней магнитосферы связаны с ионно-циклотронной неустойчивостью, практически не существует экспериментальных доказательств корреляции высыпаний энергичных ионов и электромагнитных ионно-циклотронных волн (в частности, пульсаций Рс1), наблюдаемых на Земле и в околоземном пространстве.
Цель диссертационной работы - экспериментально исследовать связь пространственной и временной структуры различных типов электронных и протонных высыпаний с низкочастотными волнами и на этой основе провести проверку применимости существующих моделей взаимодействия волн и частиц в магнитосфере.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования характеристик электромагнитных ионноциклотронных волн, возбуждаемых авроральными электронами на частотах ниже протонной гирочастоты в полярной ионосфере.
2. Обнаружение нового типа локализованных высыпаний энергичных электронов в вечернем секторе и результаты исследования его характеристик.
3. Обоснование возможности диагностики пространственного распределения холодной плазмы в экваториальной плоскости внутренней магнитосферы по данным низкоорбитальных спутников.
4. Результаты исследования морфологии разных типов высыпаний энергичных протонов: а) анизотропных высыпаний, примыкающих с экваториальной стороны к изотропной границе; б) локализованных высыпаний энергичных протонов в субавроральных широтах.
5. Экспериментальные доказательства существования тесной связи между электромагнитными иопно-циклотронными волнами (пульсациями Pel) и локализованными протонными высыпаниями.
Научная новизна.
1) Хотя исследование характеристик узкополосных КНЧ-излучений ниже протонной гирочастоты в авроральной области проводилось и ранее, результаты диссертации существенно дополняют предыдущие исследования. Часть результатов получена впервые, в частности, показана связь этих излучений с дискретными дугами сияний, исследована связь излучений с локальными и глобальными магнитными возмущениями, с освещенностью ионосферы.
2) Впервые выделен и исследован новый тип вариаций в потоках захваченных энергичных электронов в вечернем секторе, наблюдавшийся одновременно с усилением потоков высыпающихся частиц, дана интерпретация этому явлению и на этой основе показана возможность диагностики распределения холодной плазмы по данным низкоорбитальных спутников.
9
3) Изучение морфологических характеристик различных протонных высыпаний, существенно дополняет предшествующие исследования. При этом впервые показано, что анизотропные высыпания, примыкающие к изотропной границе с экваториальной стороны, являются высыпаниями из радиационного пояса; исследована зависимость суточного хода интенсивности анизотропных высыпаний от уровня геомагнитной активности, показана связь этих высыпаний с положением плазмопаузы.
4) Впервые показана связь локапизованных высыпаний энергичных протонов с электромагнитными ионно-циклотронными волнами (пульсациями Рс 1), наблюдаемыми на земной поверхности и в ионосфере.
Практическая ценность работы.
1. Результаты исследования авроральных узкополосных К11Ч-излучсиий, зарегистрированных низкоорбитальным спутником Ореол-3, существенно дополняют имеющиеся представления, и М01уг быть использованы при построении самосогласованной теории генерации электромагнитных ионно-циклотронных волн в полярной ионосфере и их распространения на низкие высоты. Наблюдаемые характеристики излучений могут быть использованы для дистанционной диагностики области генерации.
2. Результаты исследования различных типов протонных высыпаний и обнаружение связи протонных высыпаний с ионно-циклотронными волнами позволяет провести верификацию существующих моделей ионно-циклотронного взаимодействия.
3. Практический интерес представляет использование наблюдений о высыпаниях энергичных частиц для диагностики распределения плотности холодной плазмы в экваториальной плоскости; в частности -
10
локализация положения плазмопаузы, а также отделившихся от плазмосферы областей холодной плазмы.
Реализация работы. Результаты исследований вошли в ряд научных отчетов Полярного геофизического института КНЦ РАН и в отчеты по грантам РФФИ, INTAS.
Апробация. Результаты исследований представлялись на IV Всесоюзном семинаре по ОНЧ излучениям, (Москва, 1991); Sixth EISCAT Scientific Workshop, Andenes, (Norway, 1993). На ежегодных всероссийских семинарах, проводимых в ПГИ (Апатиты, 1994 - 2000 гг.); международных конференциях: «Спутниковые исследования ионосферных и
магнитосферных процессов» (Москва, ИЗМИРАН 1995); «Проблемы гсокосмоса» (Санкт-Петербург, 1996, 1998, 2000 гг.); IAGA (Upsula, Norway, 1997); «Space radiation environment modelling: New phenomena and approaches», (Москва, 1997); «From solar corona through interplanetary space, into Earth’s magnetosphere and ionosphere: Interball, ISTP satellites, and ground-based observations», (Киев, Украина, 2000 г.); European Geophysical Society, 25th General Assembly Nice, France, 25-29 April 2000.
Личный вклад автора. Диссертант принимала непосредственное участие во всех этапах представленных в данной работе исследований, включая: первичную обработку измерений КНЧ-волн на спутнике Ореол-3, анализ данных измерений частиц на спутниках NOAA, анализ наземных измерений геомагнитных пульсаций, а также интерпретацию полученных результатов.
Основные результаты первой главы получены совместно с Е.Е. Титовой, B.C. Смирновым, А.А. Любчичем. Основные результаты второй главы получены совместно с Е.Е. Титовой, А.Г. Яхниным, А.Г. Демеховым
11
и В.Ю. Трахтенгерцем. Основные результаты третьей главы получены совместно с А.Г. Яхниным, Б.Б. Гвоздсвским, Ю. Манниненом, Й. Кангасом.
Автор приносит благодарность всем своим соавторам за полезное сотрудничество, Б.Б. Гвоздевскому за возможность использования программы визуализации данных спутников NOAA, а также В.И. Ди и В.В. Юрову за организацию регистрации КНЧ-ОНЧ волн со спутника Ореол-3 на пункте приема «Интеркосмос» в Апатитах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь статей в научных рецензируемых журналах и шесть статей в сборниках трудов научных конференций.
Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 139 страниц, включая 38 рисунков, 2 таблицы, библиографию из 92 наименований.
Содержание работы.
Во Введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы, основные положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна и практическая ценность работы, кратко изложено содержание работы.
В первой главе на основе экспериментальных данных проведено исследование характеристик авроральных электромагнитных ионноциклотронных (ЭМИЦ) волн (узкополосных КНЧ-излучений типа «львиный рев»). Впервые эти излучения были описаны в 1972 г. (Gumett and Frank, 1972). Хорошая корреляция излучений с высыпанием электронов типа «инвертированного V» и с ОНЧ-шинениями позволила предположить (Temcrin and Lysak, 1984), что узкополосные KI 14-излучения генерируются электронным пучком вблизи области ускорения
- Київ+380960830922