Генерація ультранизькочастотних збурень у навколоземній плазмі - Автореферат

Збурення, що виникають в навколоземній плазмі, містять інформацію про стан геофізичної системи, характеристики джерела їх збудження, а також переносять енергію та виступають у ролі "тригерних агентів" у розвитку ряду нерівноважних процесів. Порівняння притаманних йому просторово-часових характеристик, отриманих у чисельному моделюванні з майбутніми вимірюваннями на космічних апаратах в українських проектах "Попередження", "Варіант" а також французькому "Деметер", в задачі яких входить вивчення сейсмо-іоносферних звязків, дозволить визначити ефективність космічного методу моніторингу сейсмічності. Таким чином, дослідження ультранизькочастотних (УНЧ) збурень у навколоземній плазмі, збуджених зовнішнім струмом, ефективності їх відбивання від іоносфери під час поширення у магнітосфері, як і вивчення власних МГД-збурень внутрішньої магнітосфери, є актуальною проблемою, яка має як фундаментальне, так і прикладне значення для розвитку уявлень про процеси, що відбуваються у геофізичній плазмі. Мета даної роботи полягає в дослідженні генерації ультранизькочастотних збурень навколоземної плазми змінним електричним струмом ззовні плазми, а також власних збурень магнітосферної плазми градієнтом тиску, створенні аналітичних та чисельних моделей цих процесів, а також пошуку їх характеристик і умов реалізації. У дисертаційній роботі розвязано наступні задачі: досліджено генерацію УНЧ ЕМ збурень в іоносферній та магнітосферній плазмі зовнішнім джерелом струму довільного розподілу, проведено розрахунок їх характеристик, аналіз просторової відповідності між ними та джерелом, проаналізовано фільтраційні властивості іоносферної плазми;У першому розділі проведено критичний огляд літератури, що висвітлює сучасний стан досліджень колективних процесів у навколоземній плазмі - розвиток коливань та хвиль, а також нестійкостей в іоносферній та магнітосферній плазмі, що застосовуються для розвязання ряду актуальних геофізичних проблем. Підкреслюється, що характеристики проникаючих до магнітосфери УНЧ полів формуються в іоносфері, тому інформація щодо просторових та частотних фільтраційних властивостей холодної замагніченої плазми іоносфери із зіткненнями може надати допомогу у ідентифікації сейсмогенного УНЧ випромінювання та визначенні параметрів його джерела. В другому розділі "Генерація УНЧ збурень в іоносферній плазмі зовнішнім джерелом струму" [1, 3, 5-6, 11-14] досліджується генерація ультра низькочастотних електричних та магнітних полів в неоднорідній іоносферній плазмі з зіткненнями у нахиленому магнітному полі джерелом змінного електричного струму довільного обємного розподілу ззовні плазми. У другому підрозділі другого розділу досліджено відповідність між просторовим розподілом обємного струму ззовні плазми та просторовим розподілом збуджених ним ЕМ полів в іоносферній плазмі на основі розрахунків поширення УНЧ ЕМ полів "близької зони" в неоднорідній іоносфері з плавними профілями параметрів плазми. На основі чисельних розрахунків показано, що струми, які течуть паралельно до границі плазми, генерують в іоносфері УНЧ ЕМ поля з амплітудою, на порядки більшою, ніж перпендикулярні струми, а просторовий розподіл струмів в тангенційній площині та його розміри не впливають на величину амплітуди збуреного в плазмі ЕМ поля.Теоретично описано просторові та частотні фільтраційні властивості неоднорідної іоносферної плазми у нахиленому геомагнітному полі в УНЧ діапазоні (0.01 - 100 с-1) електромагнітного випромінювання тривимірного струму, локалізованого ззовні плазми. Знайдено, що ефективність проникнення УНЧ полів через неоднорідну іоносферну плазму в магнітосферу максимальна на частотах порядку кількох с-1, а її максимум формується в нижній іоносфері. Виявлено, що на таких частотах енергія випромінювання в іоносферній плазмі трансформується в енергію альфвенівських мод. В умовах нічної іоносфери досягається абсолютний максимум проникнення на частотах порядку кількох с-1, а відношення спрямованого в магнітосферу потоку енергії на висоті ~ 600 км до потоку енергії на границі плазми досягає 10-1. Таким чином, просторові та частотні фільтраційні властивості іоносферної плазми можуть допомогти у визначенні просторових розмірів та величини струмів, які можуть виникати в літосфері.

Основний зміст роботи

У дисертаційній роботі здобуті наступні результати: 1. Теоретично описано просторові та частотні фільтраційні властивості неоднорідної іоносферної плазми у нахиленому геомагнітному полі в УНЧ діапазоні (0.01 - 100 с-1) електромагнітного випромінювання тривимірного струму, локалізованого ззовні плазми. Знайдено, що ефективність проникнення УНЧ полів через неоднорідну іоносферну плазму в магнітосферу максимальна на частотах порядку кількох с-1, а її максимум формується в нижній іоносфері. Виявлено, що на таких частотах енергія випромінювання в іоносферній плазмі трансформується в енергію альфвенівських мод. Установлено, що в першу чергу ефективність проходження ЕМ енергії УНЧ діапазону визначається профілем електронної концентрації. В умовах нічної іоносфери досягається абсолютний максимум проникнення на частотах порядку кількох с-1, а відношення спрямованого в магнітосферу потоку енергії на висоті ~ 600 км до потоку енергії на границі плазми досягає 10-1. В таких умовах найбільш вірогідне виявлення провісників землетрусу електромагнітного походження.

2. Знайдено, що кут нахилу геомагнітного поля визначає просторову локалізацію та розподіл амплітуди УНЧ випромінювання в іоносферній плазмі. Просторовий розподіл амплітуди збуреного поля витягується в напрямку нахилу магнітного поля та практично не змінює свої розміри у поперечному до нього напрямку. Вертикальний струм генерує більш широкоспрямоване випромінювання, ніж горизонтальний, з меншою на кілька порядків енергією. Результати чисельного моделювання мають якісне узгодження з даними супутникових спостережень.

3. Показано, що у випадку вертикального геомагнітного поля складна просторова структура локалізованого зовнішнього струму достатньо точно відтворюється на висотах іоносфери, що представляють інтерес для супутникових вимірів. У випадку нахиленого поля складну просторову структуру зовнішнього струму відтворити за даними супутникових спостережень неможливо, однак можна оцінити його розміри та локалізацію. Таким чином, просторові та частотні фільтраційні властивості іоносферної плазми можуть допомогти у визначенні просторових розмірів та величини струмів, які можуть виникати в літосфері. Вплив літосфери визначається значенням її електричної провідності ( с-1) більшою мірою, ніж її товщиною над областю зі струмом. Амплітуди літосферних струмів повинні бути порядку 10-2 ? 10-4 А/м2, а частоти достатньо низькими ~ 1 с-1, щоб амплітуда збурення в навколоземній плазмі була ~ 1 НТЛ.

4. Показано, що ефективність відбивання УНЧ хвиль в діапазоні частот 1-100 с-1 залежить від частоти та неоднорідності параметрів іоносферної плазми. Коефіцієнт відбивання альфвенівських хвиль залежить від частоти, а його величина суттєво залежить від геофізичних умов, якими визначаються параметри іоносферної плазми. В спокійних геофізичних умовах альфвенівські хвилі не можуть отримати відчутного підсилення в магнітосфері за рахунок циклотронного резонансу з гарячими протонами радіаційного поясу внаслідок істотних втрат енергії під час відбивання у магнітоспряжених точках іоносфери. Так званий "активний магнітосферний резонатор" може формуватися тільки в умовах збуреної потоками гарячої плазми іоносфери. Рефракція альфвенівських хвиль в магнітосфері збільшує збурену область в іоносфері у площині магнітного меридіана та суттєво не впливає на їх підсилення.

5. В рамках однорідинної ідеальної МГД для малих збурень балонного типу одержана система лінійних диференційних рівнянь в часткових похідних, зручна для аналізу як дрібномасштабних, так і великомасштабних тривимірних збурень магнітосферної плазми. Показано, що тиск плазми забезпечує звязок між полоїдальними альфвенівськими та магнітозвуковими модами. Третій тип власних коливань - тороїдальні альфвенівські моди описуються окремим рівнянням, яке співпало з раніше відомим для них. Досліджено спектр власних коливань дипольної магнітосфери у наближеннях "холодної" та "теплої" плазми. У випадку малого тиску плазми існують два незалежних типи власних коливань: полоїдальні і тороїдальні альфвенівські моди. Виявлено, що в "теплій" магнітосферній плазмі можуть реалізовуватися дрібномасштабні магнітозвукові коливання, спектр яких при великому тиску перестає залежати від . Отримані аналітичні результати добре співпадають з чисельними розрахунками.

6. На основі енергетичного аналізу досліджено стійкість плазми до МГД збурень. Отримано, що жолобкові збурення, які в першу чергу повинні розвиватись внаслідок несприятливої кривизни магнітних силових ліній, не можуть реалізуватися, оскільки не входять до класу власних збурень дипольної конфігурації плазми. Показано, що одержаний функціонал енергії описує відомі результати. З нього виведено рівняння, що описує нестійкі балонні збурення. Одержано, що відбір власних функцій суттєвіший за стабілізуючу дію тиску, першим стає нестійким стисливе збурення, а нестійкість повинна розвиватися в першу чергу на периферійних силових трубках. Таким чином, тиск плазми може бути постійним джерелом балонних мод на периферії магнітосфери, що в свою чергу може впливати на процеси переносу в магнітосферній плазмі.

Одержані результати узгоджуються з даними супутникових спостережень та підтверджують деякі результати, що отримані раніше. Розвинуті методи та запропоновані моделі можуть бути використаними у підготовці та реалізації космічних проектів за участю України - "Попередження" та "Інтербол-Прогноз".

1. Живило С.Д., Івченко В.М., Кременецький І.О., Рапопорт Ю.Г., Черемних О.К. Відбивання альвенівських хвиль від іоносфери та можливість утворення "активного" магнітосферного резонатора // Український фізичний журнал. - 2000. - т. 45, №11. - С. 1324-1332.

2. Гримальский В.В., Кременецкий И.А., Черемных О.К. Пространственная и частотная фильтрация УНЧ ЭМ излучения литосферной природы в системе литосфера-атмосфера-ионосфера // Космічна наука та технологія. - 2001. - т. 7, №2/3. - С 41-52.

3. Черемных О.К., Бурдо О.С., Кременецкий И.А., Парновский А.С. К теории МГД-волн во внутренней магнитосфере Земли // Космічна наука та технологія. - 2001. - т. 7, №5/6. - С. 44-63.

4. Grimalsky V.V., Kremenetsky I., Rapoport Yu.G. Excitation of electromagnetic waves in the lithosphere and their penetration into ionosphere and magnetosphere // Journal of Atmospheric Electricity (Japan). - 1999. - Vol. 19, No 2. - P. 101-117.

5. Cheremnykh O.K., Grimalsky V.V., Kremenetsky I. The characteristics of lithospheric origin ULF EM radiation in the lithosphere-atmosphere-ionosphere-magnetosphere system // Космічна наука та технологія. - 2001. - т. 7, №2. - С. 5-14.

6. Grimalsky V.V., Kremenetsky I., Rapoport Yu.G. Excitation of EMW in the Lithopshere and Propagation into Magnetosphere // Atmospheric and ionospheric electromagnetic phenomena associated with earthquakes, Edt. by M. Hayakawa. - Tokyo: TERRAPUB, 1999. - Р. 777-787.

7. Cheremnykh O.K., Ivchenko V.N., Kremenetsky I.A., Rapoport Yu.G., Zhivilo S.D. Penetration of EMW through inhomogeneous magnetized plasma // Journal of Technical Physics Spec. Supplement (Polish). - 1999. - Vol. XL, No 4. - P. 293-296.

8. Kremenetsky I.A. Propagation and amplification of Alfven wave generated by lithospheric current // Abstr. 5th Open young scientists" conf. on Astronomy and Space Physics. - Kiev. - 1998. - P. 9.

9. Kremenetsky I.A. Reflection of the Alfven wave from the ionosphere and magnetospheric resonator possibility // Abstr. 6th Open young scientists" conf. on Astronomy and Space Physics, - Kiev. - 1999. - P. 59.

10. Cheremnykh O.K., Ivchenko V.N., Kremenetsky I.A., Rapoport Yu.G., Zhivilo S.D. Reflection of the Alfven waves from the inhomogeneous ionosphere // Abstr. of 26th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys. - Maastricht (the Netherlands). - 1999. - P. 275.

11. Cheremnykh O.K., Grimalsky V.V., Kremenetsky I.A. Spatial and frequency filtration ULF EM radiation in the lithosphere-ionosphere system // Proc. of International Symposium "From solar corona through interplanetary space, into Earths magnetosphere and ionosphere: Interball, ISTP satellites, and ground-based observations". - Kyiv. - 2000. - P. 111-115.

12. Cheremnykh O.K., Grimalsky V.V., Kremenetsky I.A. Filtration properties of the ionosphere and magnetosphere for ULF EM radiation penetrating from lithosphere // Proc. 27th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys. - Budapest (Hungary). - 2000 ECA, - Vol. 24B. - P. 648-651.

13. Cheremnykh O.K., Grimalsky V.V., Kremenetsky I.A., Rapoport Yu.G. Spatial and frequency filtration properties of ULF EM radiation of a lithospheric origin in the lithosphere-ionosphere-magnetosphere system // Seismo electromagnetics: lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling. Eds. M. Hayakawa, O.A. Molchanov. - Tokyo: TERRAPUB, 2002. - P. 363-370.

14. Кременецкий И.А., Гримальский В.В., Черемных О.К. Сравнительные характеристики ЭМ излучения в ионосфере от ЭМ и АГ источников // Сб. тезисов Первой междунар. конф. по перспективным косм. исследованиям. - Киев. - 2001. - С. 61.