Розділ 2.
ВИХРОВІ ТА ХВИЛЬОВІ УТВОРЕННЯ У ПЛАЗМОВОМУ ШАРІ, ЩО СПОСТЕРІГАЛИСЯ ПІД ЧАС ВИКОНАННЯ ПРОЕКТУ ІНТЕРБОЛ
2.1. Спостереження хвиль типу Рс 5.
З попереднього розділу випливає, що дослідження хвиль стиснення та пов'язаних з ними нелінійних структур як одного з шляхів переносу енергії в плазмовому шарі магнітосфери Землі є досить перспективною задачею. Орбіта хвостового зонду проекту Інтербол була вибрана таким чином, щоб навперемінно захоплювати різні частини магнітосфери, в тому числі і плазмовий шар. На рис.2.1а. подано нахил орбіти КА в залежності від року, а на рис 2.1б. - частину траєкторії КА в жовтні-грудні 1996 року, коли вимірювання проводились в плазмовому шарі. Ці періоди за 1995-2000 роки наведені в табл. 2.1.
Таблиця 2.1.
Періоди заходів орбіти хвостового зонда в плазмовий хвіст
Рікмісяці1995жовтень, листопад, грудень1996січень, жовтень, листопад, грудень1997січень, жовтень, листопад, грудень1998січень, жовтень, листопад, грудень1999січень, листопад, грудень2000січень
Був проведений пошук і аналіз хвильової активності в даних магнітометра MIF-M1 плазмового аналізатора КОРАЛ за вказані в табл. 2.1. інтервали часу, протягом яких КА проводив вимірювання в плазмовому шарі. Для визначення наявності або відсутності хвильової активності для інтервалу, що розглядається, були використані характерні фізичні і морфологічні особливості хвиль типу Рс 5:
* частотний діапазон (f = 1 - 6 мГц);
* антиподібність поведінки магнітного і теплового тиску плазми;
* велика амплітуда хвиль в порівнянні з незбуреним полем (15 - 30% від фону);
* квазисинусоїдальна форма зміни сигналу;
* зв'язок з проявами геомагнітної активності.
Рис 2.1.a - нахил орбіти КА Інтербол 1 в різні роки проведення вимірювань. б - траєкторія руху КА Інтербол 1 в плазмовому шарі магнітосфери Землі жовтень 1996 р. - січень 1997 р.
Відповідно для детектування хвиль були застосовані наступні методи:
* кореляційний аналіз магнітного і теплового тиску плазми;
* спектральний аналіз і пошук частини спектральної потужності, що припадає на характерні амплітуди (детально цей метод і його застосування описано [68]);
* аналіз ковариаційної та автокореляційної функцій рядів;
* вейвлет - аналіз.
Вейвлет - аналіз також застосовувався для вивчення частотно-тимчасових характеристик і для дослідження змін поляризації сигналу у часі і в просторі. Для дослідження спектральних властивостей хвиль був використаний стандартний алгоритм Фур'є - аналізу та алгоритм Блекмана - Т'юки.
Були розроблені алгоритми цих методик і комп'ютерні програми для безпосередньої роботи з даними. В роботі оброблялися магнітометричні дані і дані по енергетичним частинкам з 6-секундним розділенням. Швидкість потоків, температура і концентрація плазми були взяті з ключових параметрів проекту Інтербол з 2-о хвилинною дискретністю. Були виявлені вихрові структури і статистично показаний їх можливий взаємозв'язок з хвилями стиснення типу Рс 5. Також було проведене дослідження особливостей просторового розподілу хвиль і вихрових структур.
2.1.1. Детектування та дослідження фізичних та морфологічних властивостей хвиль типу Рс 5,6 в плазмовому шарі по даним проекту Інтербол
На початку було визначено наявність Рс 5 хвиль за характерною поведінкою тисків. У випадку однорідної плазми антиподібна поведінка є рисою хвильового процесу магнітозвукового типу [99]. Дослідимо взаємну поведінку магнітного та плазмового тисків у наближенні однорідинної МГД. Виходячи з системи рівнянь
, (2.1)
де перше рівняння визначає рух іонів, друге - рівняння неперервності, третє - рівняння вмороженості магнітного поля в плазму, та четверте рівняння - рівняння стану. Вводячи заміну , де - зміщення від положення рівноваги, отримаємо рівняння відносно зміщення плазми від положення рівноваги
. (2.2)
Розглядаючи збурення у вигляді плоскої хвилі, пропорційні до , знайдемо відношення динамічного тиску плазми до магнітного тиску , де . Для повільного магнітного звуку знак цього виразу виявляється спільним зі знаком виразу , Vph - фазова швидкість хвилі,- кут між напрямком розповсюдження хвилі і незбуреним магнітним полем. Оскільки , динамічний та магнітний тиски в деяких випадках будуть коливатися в протифазі.
У неоднорідній плазмі у криволінійному магнітному полі низькочастотні хвилі мають властивості як збурень альфвенівського типу (не супроводжуються стисненням плазми), так і збурень магнітозвукового типу (зростання тиску плазми супроводжується зменшенням тиску магнітного поля і навпаки [90]. Приклади Рс 5 хвиль, спостережених в плазмовому шарі в інтервали часу, що вказані в табл.2.2., наведені на Рис.2.2. В більшості випадків в плазмовому шарі ці збурення мають квазигармонійну форму, модульовану швидко згасаючою обвідною. Природно шукати часові субінтервали (всередині вибраних для дослідження інтервалів), на яких проявляються такі хвильові процеси за ознакою антифазних варіацій - антиподібності поведінки тисків.
Таблиця 2.2.
Інтервали часу та координати КА під час спостереження хвильових подій типу Рс 5, наведених на рис.2.2.
NРікДень рокуUT, години YGSE, RE XGSE,REZGSE,RE119952983-7-11.2-9.7-1.7219962977-1115.5-11.0-4.8319970125-9-5.39.312.34199727513-17-17.1-21.61.6
Другий, принципово відмінний від цього метод пошуку субінтервалів з хвильовою активністю, запропонований [68, 69]. Його основа - дослідження спектру сигналу. У залежності від частини потужності спектра, що припадає на частотний діапазон Рс 5, на субінтервалі або реєструється хвильова активність, або її немає. Однак, таким способом можна зареєструвати і сигнал, що не відноситься до хвиль стиснення типу Рс 5, наприклад, хвилі альфвенівського типу. Було проведено порівняння цього способу виявлення хвильових процесів з методами, заснованими на кореляційному аналізі. Безпосереднє застосування методики пошуку на основі антиподібної поведінки тисків до наших досліджень дещо ускладн