Пространственно-временная структура поля иррегулярных геомагнитных пульсаций как отражение магнитосферно-ионосферной связи

Реальное магнитное поле Земли отличается от теоретически рассчитанного [1,2] поля магнитного диполя. Это различие вызвано воздействием корпускулярной солнечной радиации. Поток солнечной плазмы, так называемый солнечный ветер, взаимодействует с силовыми линиями земного магнитного поля, искажая их и вытягивая в хвост на ночной стороне Земли. В результате взаимодействия сверхзвукового потока горячей замагниченной плазмы солнечного ветра с геомагнитным полем формируется полость, которая получила название магнитосферы. В грубом приближении можно сказать, что магнитное поле Земли полностью вытесняет плазму солнечного ветра из этой полости, так как из-за идеальной проводимости плазмы солнечного ветра (о-юо) частицы солнечной плазмы как бы «вморожены» в межпланетное магнитное поле и не могут проникать в геомагнитное поле. Происходящие в магнитосфере физические процессы воздействуют на климат и на биосферу Земли. Поэтому очень важно знать тонкости их протекания.

Магнитосфера Земли имеет сложную структуру и динамику, так как ее контуры формирует солнечный ветер своим непрерывным воздействием. В динамике магнитосферных процессов существенную роль играют плазменные неустойчивости, развивающиеся в различных областях магнитосферы и приводящие к генерации гидромагнитных волн. Часть из этих волн, проходя через ионосферу, трансформируется в электромагнитные волны, которые достигают земной поверхности и регистрируются в виде геомагнитных пульсаций — быстрых вариаций геомагнитного поля в диапазоне частот от мГц до нескольких Гц.

Зарождаясь в космическом пространстве вследствие развития неустойчивости плазмы, пульсации магнитного поля Земли (МПЗ) могут служить уникальным средством для диагностики протекающих в космосе процессов. По разнообразию и полноте доставляемой информации о магнитосфере пульсации занимают особое место. Наблюдения пульсаций позволяют контролировать большое число структурных и динамических параметров плазмы, окружающей Землю. Различные типы быстрых вариаций МПЗ соответствуют разным специфическим изменениям состояния магнитосферы: изменениям ее размеров и формы, изменениям интенсивности потоков заселяющих ее частиц и их пространственных энергетических распределений. Быстрые геомагнитные вариации содержат также информацию о свойствах солнечного ветра. Земля, по выражению В. А. Троицкой [3], представляет собой естественный пульт, подключенный вы-сокопроводящими силовыми линиями к самым различным, в том числе и чрезвычайно удаленным, участкам магнитосферы, так что анализ данных наземных обсерваторий в принципе позволяет непрерывно следить за состоянием всей магнитосферы. Основные направления использования короткопериодических колебаний для диагностических целей впервые были развиты в ОИФЗ РАН [3, 4]. Идея диагностики магнитосферной плазмы по наземным наблюдениям пульсаций и ее исключительная важность получили в настоящее время мировое признание.

Диссертационная работа выполнена в Муромском институте (филиале) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет». Она является естественным развитием основных положений кандидатской диссертации, написанной и защищенной автором более 30 лет назад в период обучения в очной аспирантуре в Объединенном Институте физики Земли РАН в отделе Электромагнитного поля Земли под руководством д.ф.м.н., профессора В. А. Троицкой и ведущего научного сотрудника J1.H. Баранского.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с договорами о научном сотрудничестве между ОИФЗ РАН и Ми ВлГУ № 267 — с /83, а также в соответствии с темами НИР ОИФЗ РАН «Исследование структурных особенностей генерации и распространения геомагнитных пульсаций в широтном и меридиональном направлениях» (государственные номера регистрации 74 061 230 и 78 003 074), «Исследование особенностей электромагнитного поля геомагнитных пульсаций, обусловленных сверхмедленным распространением вдоль поверхности Земли» (государственный номер регистрации 78 003 076), «Исследование количественных характеристик геомагнитных среднеширотных пульсаций» государственный номер регистрации 80 069 244).

Результатом научного сотрудничества являются совместные с сотрудниками ОИФЗ РАН публикации и монография «Магнитосферные суббури в геомагнитных пульсациях», объемом 13,5/11п.л., опубликованная в 1997 г. в издательстве ОИФЗ РАН.

В целях проверки практической значимости работы в рамках программы «Человек и биосфера» автором проведены исследования влияния гелиогеофи-зических факторов на здоровье человека по данным станции скорой помощи на основании договора между Ми ВлГУ и станцией скорой помощи Муромской городской больницы в тесном научном контакте с I Московским медицинским институтом им. И. М. Сеченова и Институтом космических исследований (ИКИ РАН). Результаты исследований отражены в публикациях [234−241].

Объект исследования — околоземное космическое пространство.

Предмет исследования — иррегулярные геомагнитные пульсации типов Pil, Pi2, Pi3.

Актуальность выбранного направления исследования заключается в информативности иррегулярных геомагнитных пульсаций о протекании физических процессов в околоземном и межпланетном пространствах в периоды подготовки и возникновения магнитосферной суббури. По существу все типы иррегулярных пульсаций являются элементами магнитосферной суббури, ее своеобразным почерком, поскольку генерация иррегулярных пульсаций протекает в определенной последовательности по мере развития суббури.

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИРРЕГУЛЯРНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ.

Систематическое изучение короткопериодных колебаний геомагнитного поля было начато в период международного геофизического года МГТ, 1957;1958 г. г. За последние 30 лет реализовано более 15 крупных международных программ, направленных на изучение отдельных регионов и сфер Земли. Наиболее значимые из них — «Международный год спокойного Солнца» (МГС) и «Международные исследования магнитосферы» (МИМ, 1976;1980 г. г.). Полученный опыт привел к осознанию необходимости перехода от исследования отдельных земных оболочек к исследованию Земли вцелом. На осуществление этой цели была направлена международная геосфернобиосферная программа «Глобальные изменения «(1990 -ые годы), выступившая преемником программ геофизического сотрудничества и программы «Человек и биосфера». Объединение содержаний этих программ направлено на выявление взаимодействия между элементами триады «геофизические явлениябиотачеловек» и воздействия на них внешних космических и внутриземных факторов. В настоящее время общепризнано, что магнитосфера — неотъемлемая часть планены, ее окружающая среда. В связи с этим внимание исследователей привлекает проблема влияния магнитных бурь на погоду, на урожай, на здоровье человека. Электромагнитные колебания при сравнительно малой амплитуде могут вносить нарушения в ритмику биоэлектрических процессов (нейронные сети) и оказывать воздействия на психику человека и животных, так как их спектр перекрывается со спектром основных биоэлектрических колебаний (от 0,1 Гц до десятков Гц) [ 5 ].

Информацию о надвигающейся суббуре и ее характере могут дать иррегулярные пульсации, так как из всех известных типов геомагнитных пульсаций они наиболее всего связаны с магнитосферной суббурей. Изучение магнитосферной суббури имеет важное практическое значение, например, для определения состояния ионосферы, от которого зависит распространение радиоволн. В настоящее время известно, что в период магнитных бурь и суббурь нарушаются радио-и навигационная связи.

Большинство исследователей считает Pi2 своего рода «сигналом» о начале взрывной (главной) фазы суббури. Вместе с тем существует мнение, по которому до сих пор в научной литературе продолжается полемика, о генерации Pi2 в предварительную фазу суббури [6,] в связи с этим о возможности использования Pi2 в качестве предвестников взрывной фазы суббури. Это мнение оспаривается в [7]: автор считает, что речь идет о Pi2, наблюдаемых в вечернее время, которым соответствует начало активной фазы суббури в ночном секторе магнитосферы. Пульсации Pi2 никогда не наблюдаются в восстановительную фазу суббури [8]. В [9] представлена дискуссия по вопросу: является ли всплеск Pi2 в низких широтах надежным индикатором начала суббури в связи с публикацией [10]. Авторы [9], опубликовавшие комментарий на статью [10], полагают, что выводы статьи [10] есть следствие приемов идентификации начала авроральных изображений и начала микропульсаций, и опубликованная временная задержка не отражает истинных временных связей между указанными явлениями.

Начальная фаза магнитосферной суббури характеризуется внезапным уменьшением горизонтальной составляющей МПЗ. Исследования, выполненные в [11] на Камчатском полигоне отмечают статистически устойчивый эффект ослабления горизонтальной составляющей МПЗ в УНЧ диапазоне (0,010,1 Гц) за несколько суток до землетрясений. Учитывая, что указанный диапазон частот соответствует пульсациям Pi2, которые нередко бывают промодули-рованы ОНЧ колебаниями, возможна перспектива для Pi2 в качестве предвестников землетрясений.

Геомагнитные пульсации, зарегистрированные на Земле, могут быть использованы в качестве инструмента диагностики параметров плазмы и плазменных процессов в магнитосфере Земли и за ее пределами. «Наземные» Pi2 позволяют диагностировать:

1) параметры межпланетного магнитного поля (величину и направление его вертикальной составляющей В^);

2) толщину плазменного слоя хвоста магнитосферы;

3) местонахождение плазмопаузы — границы области магнитосферы с высокой и низкой концентрацией холодной плазмы;

4) инжекцию электронов в полярную верхнюю атмосферу и косвенно — концентрацию слоя озона, защищающего Землю от ультрафиолетовых излучений;

5) местонахождение южной границы овала сияний;

6) местонахождение различных зон риометрического поглощения;

7) молекулярный (атомарный) состав верхней ионосферы, соответствующий определенным длинам электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемых авроральными сияниями.

Поясним более подробно. Сопоставления наземных и спутниковых наблюдений [12,13] показали, что генерация Pi2 обычно наблюдается при южном направлении вертикальной Bz — составляющей межпланетного магнитного поля через 20- 100 мин после ее переориентации с северного направления на южное. При этом амплитуда Pi2 пропорциональна величине изменения Bz — составляющей [12]. Установление устойчивой связи геомагнитных пульсаций Pi2 с вертикальной составляющей межпланетного магнитного поля позволит получать информацию о ее величине и направлении по данным наземных наблюдений Pi2.

Согласно экспериментальным данным [14,15], существует однозначное совпадение моментов генерации Pi2 и утоньшения плазменного слоя в хвосте магнитосферы. Более того, отмечено, что в отсутствие утоньшения плазменного слоя генерации PI2 не наблюдается, хотя развивается бухта так называемого конвективного типа. Тем самым открываются возможности использования Pi2 в качестве индикатора утоньшения плазменного слоя в хвосте магнитосферы во время взрывной фазы суббури. Одновременно этот факт проливает свет на физическую природу Pi2 и механизм их генерации.

Изучение особенностей поляризации Pi2 (в частности направления вращения эллипса поляризации) вдоль геомагнитного меридиана в области субаврораль-ных широт, согласно [16], может быть использовано для целей слежения за проекцией плазмопаузы на земную поверхность, которая движется во время суббури.

Ионосфера и хвост магнитосферы, как показывают спутниковые наблюдения, обмениваются частицами. Поэтому изучение Pi2 дает информацию не только о процессах з хвосте, но и в ионосфере.

Возбуждение Pi2 протекает на фоне лучистых форм полярных сияний, что свидетельствует о связи генерации Pi2 с инжекцией электронов, обладающих высокой энергией в кульминационный момент суббури и влияющих, в частности, на концентрацию слоя озона.

Обнаруженная в [17] связь между периодом пульсаций Pi2 и геомагнитной широтой дуг сияний открывает возможности слежения за движением аврораль-ных образований по спектру геомагнитных пульсаций. В работах [18−20] установлена четкая связь доминирующего периода Pi2 с положением экваториальной границы полярных сияний, что открывает возможность использования Pi2 для статистических исследований этой авроральной области.

В [21] обнаружена корреляция «пик в пик» пульсаций риометрического поглощения космического шума и геомагнитных пульсаций PilB, сопутствующих Pi2.

Геомагнитные пульсации Pi2 регистрируются одновременно с красными дугами полярных сияний типа А, относящимся к дугам дневной стороны овала, и вызванным проникновением частиц через полярные каспы [22−24]. Это, с одной стороны, позволяет уточнить место проникновения заряженных частиц, ответственных за развитие Pi2. С другой стороны, красные дуги соответствуют излучению электромагнитных волн с длинами 557,7 нм и 630,0 нм, возникающему при взаимодействии электронов с атомарным кислородом, что позволит использовать Pi2 для диагностики состава ионосферы.

Исходя из изложенного, есть все основания считать, что геомагнитные пульсации Pi2 несут информацию о протекании физических процессов в космическом пространстве в периоды подготовки и возникновения суббури.

Диагностика космического пространства по наземным наблюдениям геомагнитных пульсаций, безусловно, является перспективным направлением, имеющим ряд преимуществ перед спутниковыми наблюдениями. Эти преимущества носят, прежде всего, экономический характер, не ограничивая при этом возможности непрерывного и длительного слежения за развитием колебательных процессов в магнитосфере. Следует обратить внимание на то обстоятельство, что целый ряд сложных и тонких колебательных процессов, возникающих в околоземной плазме, по-видимому, легче обнаруживать и прослеживать именно по наземным данным, так как вероятность для спутника «поймать» такую информацию очень мала. Кроме того, наземная регистрация геомагнитных пульсаций обладает простотой и оперативностью получения экспериментальных данных.

Диагностика магнитосферных процессов неразрывно связана с детальным изучением геомагнитных пульсаций, с поисками наиболее вероятного механизма их генерации, определением местонахождения их источников, исследованием распространения пульсаций от области источника к Земле.

Цель работырешение фундаментальной проблемы, связанной с поиском источников иррегулярных геомагнитных колебаний, механизмов их генерации и распространения.

Для достижения цели в работе поставлена задача — исследовать пространственно-временную структуру поля иррегулярных геомагнитных пульсаций.

В качестве способа решения поставленной задачи выбран экспериментальный метод измерения амплитуд и фаз на достаточно плотных наземных цепочках станций, позволяющих локализовать источник.

База исследования — наземные цепочки станций вдоль двух геомагнитных меридианов (А/~83°, Х,'~11 Г) и вдоль геомагнитной параллели Ф'~52°, соответствующих естественным разрезам магнитосферы. Будучи подключенными с помощью высокопроводящих магнитных силовых линий к различным участкам магнитосферы, они служат своеобразным инструментом («щупом») в исследовании состояния магнитосферы.

Научная новизна работы — представленный экспериментальный материал уникален по своей полноте и чистоте эксперимента и в этом смысле не имеет мировых аналогов за последние 30 лет.

Для исследования использованы материалы трех международных экспериментов 1971, 1974 и 1977 г. г. по наземной регистрации колебаний магнитного поля Земли в периоды с различной солнечной активностью, что соответствовало различной структуре магнитосферы, подверженной динамике в зависимости от активности Солнца.

Все три эксперимента проведены практически на одном геомагнитном меридиане 1 Г, проходящем через Скандинавский полуостров, что устраняет неоднозначность толкования результатов.

Поистине уникальным является эксперимент 1974 г., осуществленный научными организациями России, Германии, Финляндии, Грузии, Туркмении и Казахстана. Эксперимент был поставлен одновременно на двух профилях станций — геомагнитном меридиане 11° и геомагнитной параллели Ф'~52°. По своим масштабам это глобальный эксперимент. Геофизическая сеть станций перекрывала значительные площади земной поверхности — почти половину северного полушария Земли. Кроме основной сети станций в эксперименте приняли участие постоянно действующие обсерватории, всего 31 станция, охватив территорию по долготе от Линдау до ПетропавловскаКамчатского, по широте — от Ашхабада (Ф'~ 32,6 0) до Хейса (Ф'~ 74°).

Чистота эксперимента определялась синхронностью наблюдений и размещением измерительной аппаратуры, имеющей близкие частотные и фазовые характеристики (индукционный магнитометр ОИФЗ РАН, компенсационный магнитометр Института аэрономии М. Планка и магнитометр Грене Геофизического института Геттингенгского университета). Регистрация пульсаций на станциях основной сети велась на магнитной пленке в цифровой и аналоговой формах и, кроме того, на бумажных самописцах, на станциях дополнительной сети — на фоторегистрирующих установках. Диапазон регистрируемых частот от 0,01 Гц до 0,3 Гц на станциях основной сети был расширен вплоть до 2 Гц для станций дополнительной сети.

Синхронность наблюдений обеспечивалась на основной сети из 14 станций кварцевыми часами с точностью не ниже 0,1 с. На остальных станциях использовались хронометры с точностью временной привязки не ниже 1с. На всех станциях велась регистрация двух горизонтальных компонент МПЗ.

Нх и Ну, на большинстве станций меридионального профиля дополнительно регистрировалась третья — вертикальная компонента магнитного поля Hz.

Плотность размещения большинства станций на меридиональном профиле (особенно в субавроральных и авроральных широтах) составила ~Г по широте, что очень важно для выявления структурных особенностей наземного распределения поля геомагнитных пульсаций.

Эксперимент 1977 г. был впервые проведен одновременно на двух геомагнитных меридианах, отстоящих по долготе друг от друга на ~ 28°, — на геомагнитном меридиане 111° и Гринвичском меридиане X" -83°.

Одновременно с регистрацией короткопериодных колебаний МПЗ во время эксперимента 1974 г. проводились наблюдения риометрического поглощения и медленных магнитных вариаций, которые нашли отражение в диссертации.

Научная и практическая ценность работы заключается в том, что ее результаты могут быть использованы для построения методов мониторинга параметров и физических процессов в магнитосферной плазме по наземным данным, а также в качестве экспериментальной проверки существующих теорий генерации иррегулярных пульсаций. Полученные сведения о пространственновременном распределении поля пульсаций вдоль земной поверхности необходимо учитывать:

1) в магнитотеллурических наблюдениях, так как они могут иметь принципиальное значение при решении задач электромагнитного зондирования, в частности вопрос о возможных ошибках при наличии горизонтального распространения геомагнитных пульсаций Pi2;

2) при решении прикладных задач, требующих исследований пульсаций как фона, па котором должны быть опознаны специфические сигналы;

3) в МЧС с целью заблаговременного оповещения населения о возможных ураганах, штормах и землетрясениях;

4) в Гидрометеоцентре при составлении прогноза космической погоды;

5) в медицине с целью профилактики сердечно-сосудистых заболеваний и заболеваний нервной системы.

Достоверность полученных экспериментальных результатов следует из их согласия с результатами других исследователей, проведенными на аналогичных объектах [26], на спутниках в соответствующих областях магнитосферы [114,115], а также из достаточно хорошего качественного и количественного согласия с развитыми теоретическими представлениями.

Личный вклад автора. Автором выполнена обработка экспериментального материала, которая состояла из предварительного и последующего детального анализа.

Предварительный анализ выполнен визуально и включал:

1) опознавание и выделение конкретного типа сигнала на записях;

2) построение пространственно — временного распределения вдоль земной поверхности основных характеристик геомагнитных колебаний (амплитуды, частоты, фазы).

Детальный анализ подразумевал цифровую обработку сигналов, цель которой — проверить возможность создания системы автоматизированного сбора и обработки геофизической информации, в частности о геомагнитных пульсациях. Компьютерная обработка геомагнитных колебаний состояла из двух этапов. Первый этап компьютерной обработки включал:

1) математическое моделирование иррегулярных геомагнитных колебаний с помощью двойного преобразования Фурье (по времени и частоте) по аналогии с моделированием сейсмических сигналовавтором подобраны параметры математической модели ;

2) проверку математической модели на примере иррегулярных геомагнитных пульсаций типа Pi2 и PiP, выполненную автором для избранных случаев пульсаций;

3) расчет на ЭВМ динамических амплитудных и фазовых спектров двух горизонтальных компонент магнитного поля Земли (МПЗ), полного вектора МПЗ в горизонтальной плоскости и межкомпонентной разности фазв том числе для 6 станций меридионального профиля эксперимента 1971 г.: о. Хейса, м. Желания, Тамбей, Ловозеро, Борок, Ашхабад и для 4 станций меридионального профиля эксперимента 1974 г.: о. Хейса, Суккозеро, Суйсарь, Белое озеро принадлежит автору.

По результатам первого этапа компьютерной обработки геомагнитных пульсаций автором разработаны и применены различные методики обработки динамических амплитудных и фазовых спектров и выполнено их сравнение. Первый этап компьютерной обработки иррегулярных геомагнитных пульсаций Pi2 завершился проведением исследований спектрального состава, поляризации, интенсивности пульсаций, фазовых и групповых запаздываний на меридиональных и широтном профилях станций. Исследования пространственно — временных характеристик иррегулярных геомагнитных пульсаций, проведенные по разным методикам, позволили провести их сравнение, что может иметь принципиальное значение при решении вопроса о способах регистрации геомагнитных пульсаций.

Второй этап компьютерной обработки состоял из:

1) обработки иррегулярных геомагнитных пульсаций в реальном масштабе времени на специализированном приборе Real Time Spectrum Analyzer Оуль-ского университета в Финляндииполученные цифровые спектры любезно предоставлены J1.H. Баранским автору для дальнейшей обработки, результатом которой являются совместные публикации;

2) расчета с применением ЭВМ и построения амплитудных динамических спектров иррегулярных геомагнитных пульсаций типа Pi 1 (в «грубом» приближении СВАН геомагнитных пульсаций Pi 1 В и Pi 1С для двух горизонтальных компонент МПЗ на всех 5 станциях меридионального профиля), выполненного автором;

3) построения калибровочных аплитудночастотных и фазочастотных характеристик аппаратуры и их учета при расчете амплитуды колебаний, также выполненного автором.

На основании полученных амплитудных спектров проведено построение пространственновременного распределения вдоль земной поверхности амплитуды пульсаций, зарегистрированных в НЧ (0,01 Гц- 0,1 Гц) и ВЧ (0,1 Гц- 1 Гц) диапазонах, и исследование изменения спектрального состава в пространстве и во времени.

Поскольку эксперименты по регистрации геомагнитных пульсаций носили глобальный характер, и в них принимали участие большие коллективы научных сотрудников, почти все публикации были также коллективными. По согласованности с соавторами из материалов обработки всех классов геомагнитных пульсаций (Рс и Pi) автору принадлежат материалы обработки иррегулярных пульсаций. Автор также принимал участие в разработке конструкции и технологии изготовления аппаратуры для геофизических исследований.

Реализация работы. Результаты исследования использованы при выполнении хоздоговорной работы.

Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на международном симпозиуме по проекту «Геомагнитный меридиан», Ленинград, 1976 г.- на симпозиуме по физике геомагнитосферы, Иркутск, 1977 г.- на конкурсе молодых ученых, Москва, ОИФЗ РАН, 1978 г.- на международных симпозиумах, Канберра, Мельбурн (Австралия), 1979 г.- на III международной научнотехнической конференции (НТК) «Физика и радиоэлектроника в медицине и биологии», Владимир, 1998 г.- на Всероссийской НТК молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы», Рязань, 1998 г.- на III международной НТК «Чкаловские чтения. Инженернофизические проблемы авиационной и космической техники», г. Егорьевск, 1999 г.- на VI Российской НТК «Материалы и упрочняющие технологии. Раздел: Медико-информационные технологии», Курск, 1998 г.- на III международной НТК «Чкаловские чтения. Инженернофизические проблемы авиационной и космической техники», г. Егорьевск, 1999 г.- на I Всероссийской НТК «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве», Н. Новгород, 1999 г.- на III Всероссийской научной конференции «Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды», Муром, 1999 г.- на XIX Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн», Казань, 1999 г.- на II Всероссийской НТК «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве», Н. Новгород, 2000; на Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике», МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001 г.- на V международной НТК «Чкаловские чтения. Посвящается 100-летию со дня рождения В. П. Чкалова.», Егорьевск, 2004 г.- па VI международной НТК «Перспективные технологии в средствах передачи информации», ВладимирСуздаль, 2005 г.

Выводы к разделу 7.2.4.

1. Весь спектральный состав пульсаций НЧ диапазона формируется в области авроральных широт.

2. На авроральных и субавроральных станциях основной энергетический вклад имеют длиннопериодные компоненты, а в направлении экватора происходит перераспределение энергии в пользу короткопериодных составляющих, что свидетельствует в пользу резонансной теории генерации Pi2.

3. Дискретная структура спектра НЧ диапазона в условиях высокой геомагнитной активности подтверждает гармоническую структуру спектра.

7.2.5 Исследование изменения спектрального состава иррегулярных геомагнитных пульсаций ВЧ диапазона в зависимости от широты наблюдений.

Для ВЧ диапазона геомагнитных пульсаций от 0,1 Гц до 1 Гц отдельно построены 12 нормированных амплитудных спектров для Нх и Нукомпонент геомагнитного поля в том же 12- часовом интервале наблюдений (рис. 7.2.13 -7.2.24 в приложении). Каждый из спектров также соответствует одному часовому промежутку наблюдений. Спектры построены для четырех наземных станций, расположенных вдоль того же меридиана 11 Г. Две из четырех станций — те же, что и в предыдущих измерениях: WL и Suk. Остальные станциидругие и расположены на других широтах, самая высокоширотная из них — Sod, геомагнитная широта Ф' -63°, расположенная между Кии и Iva. Субавроральная станция Nurm, геомагнитная широта которой Ф'~ 57,5°, располагалась между WL и Suk. Цепочка станций, проводившая измерения пульсаций в ВЧ диапазоне, позволяет исследовать изменение спектрального состава в диапазоне геомагнитных широт от Ф'~ 63° до Ф'~ 55°.

Временной интервал 20 -21 UT соответствует высокой геомагнитной активности Кр=5. На субавроральной станции Sod самый сложный спектральный состав, ярко выраженный дискретный спектр, насчитывающий 6 спектральных составляющих: 0,1 Гц, 0,15 Гц, 0,25 Гц, 0,33 Гц, 0,35 Гц, 0,65 Гц. Немного южнее станции Sod на Ф'~ 62° - 61° располагается проекция плазмопаузы на земную поверхность. На станции Nurm, расположенной на ~ 3° южнее проекции плазмопаузы, также наблюдается дискретный спектр, но выраженный менее ярко. Отчетливо прослеживаются 3 спектральные компоненты 0,1 Гц, 0,3 Гц, 0,4 Гц. На среднеширотной станции WL наблюдается непрерывный спектр с основным энергетическим вкладом в спектральную составляющую 0,1 Гц. Последующие 3 часовых интервала соответствуют предварительной фазе маг-~ нитосферной суббури с умеренной геомагнитной активностью," характеризуемой средним 3-х часовым индексом Кр = 4+. В 21 -22 UT ярко выражен дискретный спектр на среднеширотной станции WL и субавроральной станции.

Nurm, четко выделяются по обеим горизонтальным компонентам спектральные составляющие 0,1 Гц, 0,15 Гц, 0,3 Гц, 0,5 Гц. Обе станции расположены на широтах, совпадающих с проекцией плазмосферы на земную поверхность, учитывая, что проекция плазмопаузы приходится на геомагнитные широты 60° -61°. На станциях, расположенных выше проекции плазмопаузы, спектры также имеют дискретный характер, но число спектральных компонент меньше. В Suk 0,1 Гц и 0,3 Гц, в Sod — 0,1 Гц, 0,25 Гц и 0,4 Гц. Прослеживается тенденция роста периода колебаний в направлении полюса. В интервале времени 22 -23 UT на станциях, расположенных внутри плазмосферы, спектр колебаний имеет дискретный характер. На всех станциях меридионального профиля выделяются спектральные составляющие 0,1 Гц и 0,3 Гц, а в Nurm, кроме того, — 0,15 Гц. В интервале 23 — 24 UT на станциях, расположенных внутри плазмосферы, спектр дискретный. В Nurm и WL выделяются спектральные составляющие 0,1 Гц и 0,3 Гц. На станции Sod, расположенной выше проекции плазмопаузы на земную поверхность, спектр колебаний имеет непрерывный характер. В интервале 0 — 1 UT, соответствующем началу взрывной фазы суббури, в Nurm, местоположение которой совпадает с проекцией плазмопаузы, четко выраженная дискретная структура спектра с составляющими 0,1 Гц, 0,25 Гц, 0,3 Гц. На станции WL, расположенной внутри плазмосферы, спектр колебаний также дискретный, отчетливо выделяются спектральные составляющие 0,1 Гц и 0,25 Гц. На станциях Suk и Sod, расположенных выше проекции плазмопаузы, спектр колебаний приобретает менее выраженный дискретный характер, приближаясь к непрерывному. Спектры иррегулярных колебаний в рассмотренных временных интервалах приходятся на предварительную и начальную стадию взрывной фазы суббури и, судя по их дискретному характеру, они принадлежат к классу Pil В. Анализ спектров позволяет сделать вывод о влиянии на спектральный состав Pi 1 В плазмопаузы, на которой могут при определенных магнитосферных условиях зарождаться поверхностные волны, согласно [59,178]. В остальных часовых интервалах, начиная с 1 UT, спектр колебаний приобретает непрерывный характер, соответствуя спектру авроральной ажитации PilC, имеющей место во взрывную и восстановительную фазы суббури. Но и в непрерывных спектрах прослеживается спектральный пик 0,3 Гц, правда выраженный незначительно по сравнению со спектральной составляющей 0,1 Гц, на которую приходится основной энергетический вклад.

Вывод к разделу 7.2.5 Таким образом, в данном разделе показано, что в спектре иррегулярных ко-роткопериодных колебаний Pil действительно присутствует спектральный пик 0,3 Гц, отмечаемый в работе [21 ], которому соответствует спектральный пик той же частоты, обнаруженный на спутнике ATS-1 [152]. Этот спектральный пик можно объяснить существованием в ионосфере резонатора, отвечающего за генерацию PilB, теоретический расчет которого дан в главе 8.

7.2.6 Исследование зависимости спектрального состава иррегулярных геомагнитных пульсаций PI1 и Pi2 от местного магнитного времени их регистрации на сети станций вдоль геомагнитного меридиана Х,'~111°.

Нормированные спектры геомагнитных пульсаций НЧ диапазона, построенные для каждого из 12 часовых интервалов непрерывных наблюдений на раз-ноширотных станциях вдоль одного геомагнитного меридиана, позволяют провести исследование зависимости спектрального состава от магнитного локального времени их наблюдения и Кр — индекса геомагнитной активности, возрастающего от полуночных к полуденным часам в различных геофизических зонах.

На рис. 7.2.25−7.2.27 построены распределения периодов пульсации НЧ диапазона в зависимости от магнитного локального времени их регистрации для авроральных станций Kevo и Iva и для среднеширотной станции WL. Прямоугольником обозначены периоды колебаний, которым принадлежит основной энергетический вклад. Точкой обозначены дискретные периоды, имеющие второстепенный энергетический вклад в спектр колебаний. Геомагнитная активность в течение 12 часов наблюдений росла, принимая последовательно значения 4+, в., 70, 7.

Из рис. 7.2.25−7.2.27 видно, что с ростом Кр растет число спектральных составляющих как на авроральных, так и на среднеширотных станциях от одного-двух при Кр = 4f до четырех при Кр~7. Но основной энергетический вклад на авроральных станциях принадлежит длиннопериодным компонентам спектра Т~100 с. Зависимости периода колебаний на авроральной станции от магнитного локального времени не обнаружено. Возможно, это объясняется отсутствием наблюдений на вечерний стороне Земли. На среднеширотной станции WL период колебаний Т-100 с наблюдается в течение всего 12 часового промежутка. Вместе с тем, обнаружено перераспределение энергии в спектре среднеширотных колебаний в сторону коротких периодов от 4 LT до 9 LT (на рассветной стороне). Возможно, это связано с ростом геомагнитной активности от Кр = 4+ до Кр = 7о в эти часы. Однако, в предполуденные часы основной энергетический вклад принадлежит, как и в послеполуночные часы, длиннопе-риодным компонентам спектра, хотя магнитная активность по-прежнему высока Кр = 7.

Рис. 7.2.25 Распределение периодов Нх — компоненты пульсаций НЧ диапазона при разных уровнях геомагнитной активности (Кр — индексах) в зависимости от местного магнитного времени на авроральной станции Kev.

Рис. 7.2.26 Распределение периодов Нх — компоненты пульсаций НЧ диапазона при разных уровнях геомагнитной активности (Кр — индексах) в зависимости от местного магнитного времени на авроральной станции Iva.

12−13.10.74.

WL.

Рис. 7.2.27 Распределение периодов Нх — компоненты пульсаций НЧ диапазона при разных уровнях геомагнитной активности (Кр — индексах) в зависимости от местного магнитного времени на среднеширотной станции WL.

Обозначения: ¦ - основной энергетический вклад- - второстепенный энергетический вклад в спектр колебаний.

Рис. 7.2.28 Распределение периодов Ну — компоненты пульсаций НЧ диапазона при разных уровнях геомагнитной активности (Кр — индексах) в зависимости от местного магнитного времени на среднеширотной станции WL.

Обозначения: | - основной энергетический вклад;

• - второстепенный энергетический вклад в спектр колебаний.

Вывод к разделу 7.2.6 1 .Не обнаружена зависимость периода иррегулярных колебаний от местного магнитного времени, возможно, из-за отсутствия наблюдений в вечернем секторе магнитосферы, а также в связи с нарастающей геомагнитной активностью в течение 12 часов непрерывных наблюдений.

2. Обнаружена зависимость спектрального состава иррегулярных колебаний от магнитной активности, проявляющаяся в возрастании числа спектральных составляющих с ростом Кр-индекса и перераспределении их энергии в сторону коротких периодов на среднеширотных станциях.

ГЛАВА 8.

ТЕОРИИ ГЕНЕРАЦИИ ИРРЕГУЛЯРНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ Pi2 И PilB.

8.1 Современные представления о механизмах генерации Pi2.

В настоящее время уже накоплен большой фактический материал по наблюдениям геомагнитных пульсаций Pi2, который требует теоретической интерпретации. Однако нет общей теории, полностью объясняющей результаты эксперимента.

Мнения большинства авторов [51,52,66,84,196−201] сходятся на том, что пульсации Pi2 являются собственными колебаниями магнитных силовых линий. В современных теориях можно выделить три направления:

1) теория генерации Pi2 на внутренней границе плазменного слоя в хвосте магнитосферы;

2) теория генерации Pi2 поверхностными волнами на плазмопаузе;

3) теория ионосферного происхождения Pi2.

При интерпретации Pi2 как резонанса альвеновских МГД — волн их возбуждение обычно рассматривается как результат импульсного воздействия на силовую линию. Этой точки зрения придерживается Rostoker [66,84,197,198]. Он считает, что цуг Pi2 состоит из импульса и последующего колебательного процесса. Таким образом, он изолированно от других геофизических явлений рассматривает возбуждение в магнитосфере МГДволн, ответственных за генерацию Pi2. По мнению Rostoker [84,197] возбуждение колебаний Pi2 происходит в результате пересоединения магнитных силовых линий в хвосте магнитосферы. Согласно [202], пересоединение силовых линий может быть вызвано развитием разрывной неустойчивости. Rostoker считает, что освобожденная при этом энергия передается частицам нейтрального слоя, которые, двигаясь по направлению к Земле, создают импульс ударного воздействия на магнитную силовую линию, заставляя ее осциллировать. При этом происходит высыпание частиц в авроральной зоне. Авроральная ионосфера, которую пронизывают осциллирующие силовые линии, действует как вторичный генератор, излучение которого в виде МГД — волн распространяется вдоль ионосферы перпендикулярно силовым линиям магнитного поля Земли. В [198] получено, что амплитуда колебаний Pi2 в результате диссипации в ионосфере затухает с расстоянием согласно закону.

Т — период колебаний Pi2,.

7 — интегральная проводимость ионосферы, h () — амплитуда колебаний вторичного источника.

Иными словами, Rostoker считает, что затухание амплитуды Pi2 с расстоянием зависит от периода колебаний Pi2, при этом он пользовался сетью станций в узком интервале широт, значительно разнесенных по долготе и фактически представляющих профиль, вытянутый вдоль параллели. Согласно полученным в диссертации экспериментальным результатам, зависимости затухания от периода не обнаружено.

Представление генерации Pi2 как изолированного процесса слишком упрощает проблему. Согласно экспериментальным данным, генерация пульсаций Pi2 обычно сопровождается целым комплексом других геофизических явлений. Кроме того, в условиях слабой геомагнитной возмущенности на записях пульсаций обнаружена «каплеобразная» форма Pi2 [63], свидетельствующая о процессе раскачки колебаний, и не позволяющая интерпретировать возбуждение Pi2 как процесс, обусловленный ударным воздействием на силовую линию. Этой точки зрения, объясняющей появление пульсаций Pi2 за счет раскачки силовой линии, придерживаются авторы работ [196,203]. Они полагают, что раскачка силовой линии осуществляется изменением диамагнитного тока магнитосферной плазмы в силовой трубке, в.

8.1) которой происходит активизация авроральных процессов. В работе [196] подробно описана модель генерации Pi2, закономерности движения плазменных сгустков из хвоста магнитосферы в авроральную зону.

На рис. 8.1 из [63] приведена схема изменения структуры силовой трубки во время брейкапа и генерации пульсаций Pi2. Генерацию цуга Pi2 вызывает импульс Slid, который первоначально создается диамагнитной токовой системой Id плазменного сгустка. Ее конфигурация зависит от формы авроральной дуги. На авроральных широтах долготные размеры дуг превышают широтные размеры. В связи с этим диамагнитная токовая система имеет вид двух токовых струй. Быстрая изотропизация частиц по питчуглам, связанная с развитием кинетической неустойчивости плазмы во время брейкапа, уменьшение плотности плазмы в силовой трубке, в которой активизируются авроральные процессы, приводит к резкому изменению SBdполя, создаваемого диамагнитными токами плазмы Id. Резкое изменение SBd приводит к резкому уменьшению поперечных размеров силовой трубки. Сжатие силовой трубки означает появление импульса SBd, усиливающего геомагнитное поле внутри трубки. Увеличение поля внутри трубки приведет к анизотропизации распределения частиц по питч — углам и, следовательно, к усилению развития неустойчивости. Импульс SBd сопровождается возбуждением поперечной МГД — волны с импульсом SBdL, что приводит к образованию цуга Pi2 с периодом, связанным с временем пробега волны вдоль силовой линии. Это процесс с положительной обратной связью, и он не только может поддерживать колебания, но и приводить к их раскачке. а.

Рис. 8.1 Схема изменения структуры силовой трубки геомагнитного поля во время брейкапа и генерации Р12 [63]: а) распределение силовых линий поля 8 В (пунктир) при изменении диамагнитного тока плазмы Ij.

Стрелками показано направление возмущений Д Н в сопряженных областях на земной поверхностиб) изменение размеров силовой трубки при изотропизации частиц по питч-углам и инжекции частиц в ионосферу.

111- продольный ток, создаваемый потоками электронов, инжектируемых в ионосферузамкнутые кругимагнитное поле.

Раскачка колебаний Pi2 может быть вызвана также развитием пинч — эффекта, создаваемого продольными токами, текущими в трубке во время суббури. Пинч — эффект усиливает сжатие силовой трубки, в результате чего усиливается плотность потока частиц, что может привести к турбулизации плазмы и появлению продольного поля Е&bdquo-, которое увеличит энергию частиц, инжектируемых в ионосферу и усилит их поток, что в свою очередь приведет к уменьшению диамагнитного тока в силовой трубке. В работе [63] приведена оценка величины импульса SBd, возникающего во время брейкапа вследствие изотропизации распределения частиц по питч — углам, SBd =20 нТл. Полученная величина SBd хорошо согласуется с амплитудой возрастания геомагнитного поля в момент брейкапа, обнаруженной ATS — 1 в полуночном секторе магнитосферы [204].

Приведем из [63] результат оценки изменения магнитного поля SBd, создаваемого инжекцией частиц в ионосферу. Положим, что концентрация авроральной плазмы N = 1 см" 3, энергия частиц Е = 10 кэВ, интенсивность потока частиц 108 — 109 см". Полуобъем силовой трубки на широте -65 с единичным сечением на поверхности Земли -5−10″ см Тогда за время одного периода колебаний (Т «100 с) произойдет изменение плотности авроральной плазмы в трубке на 2 — 20%, изменение плотности энергии в трубке составит.

8 3.

0,16 — 0,016)-10″ эрг см". Это соответствует плотности энергии магнитного поля с амплитудой 3−30 нТл. Отсюда следует, что поток авроральных частиц за время одного периода Pi2 может привести к поддержанию и раскачке колебаний.

В работе [58] оценены соотношения SB, /SBL при первоначальном возбуждении в магнитосфере только стоячих альвеновских волн. При ширине силовой трубки А<�р = 5° -10° на авроральных широтах в экваториальной плоскости магнитосферы SBn/SBL* 1−2. Отсюда следует, что изменение диамагнитных токовых систем и связанное с ним изменение продольной составляющей поля вызывают возмущение перпендикулярное полю (альвеновскую волну) примерно с такой же амплитудой.

Структура источника в виде двух токовых струй в ионосфере, направленных навстречу друг другу, позволяет интерпретировать изменение знака Нхкомпоненты Pi2 в авроральной области. Кроме того, модель источника отражает симметричную картину распространения волны относительно экваториальной плоскости. Таким образом, предложенная в [196] модель генерации Pi2 отвечает экспериментальным наблюдениям пульсаций в магнитосопряжепных точках.

Проникновение пульсаций в средние и низкие широты, по мнению Распопова О. М. [58,196], может осуществляться двумя путями: за счет распространения в магнитосфере магнитозвуковых волн Pi2 и за счет токов растекания в ионосфере. Изменение соотношения максимумов спектральной плотности Pi2 по меридиональному профилю в [63] объясняется с первой позиции. В авроральной зоне в момент генерации Pi2 могут наблюдаться осцилляции нескольких источников с разными периодами. С удалением от авроральной зоны амплитуда колебаний большего периода, за которое ответственны высокоширотные источники, будет убывать быстрее и поэтому на низких широтах будет происходить обогащение спектра высокочастотными составляющими, что обнаружено экспериментально.

В пользу второй концепции говорит факт одновременной регистрации пульсаций Pi2 на меридиональном профиле станций от низких широт Ф'"30° до высоких Ф'" 74°.

Рассмотренная в [196] модель генерации Pi2 предполагает наличие двух максимумов — аврорального и среднеширотного, а также резкое убывание интенсивности пульсаций в высоких широтах.

Fukunishi et. al. [59,205] связывают генерацию Pi2 с плазмопаузой, считая, что высыпание энергичных частиц в авроральной зоне наряду с вариациями ионосферных токов вызывает импульс гидромагнитных волн, который, распространяясь к плазмопаузе, возбуждает на ней поверхностные волны квазисинусоидального характера, ответственные за низкои среднеширотные Pi2. Период этих Pi2 равен периоду собственных колебаний силовой линии плазмопаузы. Авроральные Pi2 авторы [59,205] объясняют флуктуациями интенсивности электроструи. Свои выводы они объясняют различием спектров пульсаций, зарегистрированных на средних и авроральных широтах. Авторы [59,205] выделяют доминирующий период в спектре низкои среднеширотных — Pi2, выделение которого, по их мнению, затруднительно в спектре авроральных Pi2. Согласно их данным, спектр авроральных пульсаций Pi2 представляет собой случайный шум, подчиняющийся закону f’a.

В работе [51] точка зрения авторов [59,205] подвергнута критике. Сопоставляя динамические спектры Pi2 в сопряженных точках на Ф'" 66,6° и Ф' ~ -69,7°, силовые линии которых пересекают плазменный слой, авторы [51] обнаружили удивительное совпадение динамических спектров. Исходя из этого, они считают, что, если бы Pi2, зарегистрированные на широте плазменного слоя, были обусловлены, согласно [59], локальными иррегулярностями электроструи, то не было бы такого подобия динамических спектров. Анализируя спектры авроральных Pi2, авторы [51] обнаружили спектральный пик, доминирующий над общей тенденцией f~a и имеющий постоянный период, прослеживающийся в средних широтах. Они считают, что авроральные Pi2 в начальной стадии суббури, если она не очень сильная, имеют существенную спектральную компоненту, которая не позволяет считать спектр Pi2 в авроральной зоне случайным шумом. Авторы [51] полагают, что, возможно, альвеновские волны, генерируемые на внутренней границе плазменного слоя, модулируют высыпание авроральных частиц с периодом собственных колебаний силовой линии, пересекающей плазменный слой. По их мнению, Pi2, зарегистрированные на Земле, прежде всего обусловлены альвеновскими волнами, а затем уже, может быть, флуктуациями интенсивности электроструи. Из анализа меридионального распределения интенсивности Pi2 очевидно, что основной максимум приходится на область внутренней кромки плазменного слоя. Однако, Saito and Sakurai [51] отмечают, что теория плазменного слоя способна объяснить механизм генерации Pi2 лишь в магнитоспокойных условиях. С увеличением геомагнитной активности граница плазменного слоя приближается к плазмопаузе, и в этом случае могут генерироваться как поперечные волны, так и поверхностные. И в связи с этим, по их мнению, могут быть справедливы обе теории.

Ионосферная теория генерации предлагается авторами работ [200,201], согласно которым агентом, вызывающим резонансные колебания силовой линии, является ионосфера. Свою теорию генерации пульсаций Pi2 они строят на известном из [206,207] факте, что в области сияния резко увеличивается проводимость, в связи с чем электрическое поле становится на порядок ниже, чем в окружающей ионосфере. Внезапное появление или уярчение полярных сияний в начале активной фазы суббури вызывает в ионосфере импульс электрического поля, близкий по величине электрическому полю в невозмущенной ионосфере, но противоположно направленный. Этот импульс, распространяясь вдоль магнитных силовых линий с альвеновской скоростью, отражается от ионосферы противоположного полушария, приводя к появлению стоячей альвеновской волны. Возбуждение Pi2, по мнению авторов [200,201], можно представить также в терминах движения силовых линий. Ссылаясь на работы [208,209], из которых известно, что магнитные силовые линии на ночной стороне Земли быстро приближаются к Земле под действием электрического поля, возникающего в магнитосфере перед началом активной фазы суббури, авторы полагают, что при внезапной активизации сияний происходит резкое уменьшение электрического поля в области сияния и, соответственно, резкая остановка концов силовых линий, опирающихся на эту область. Магнитосферные участки силовых линий будут продолжать двигаться, пока до них не дойдет сигнал остановки, вызывая резонансные колебания силовых линий. В теории [200,201] остается невыясненным вопрос о том, какова причина уярчения полярных сияний.

В заключении подведем итоги современных представлений о механизмах генерации Pi2.

Теория Rostoker о пересоединении силовых линий в хвосте магнитосферы объясняет наличие в спектре Pi2 нескольких гармонически несвязанных спектральных составляющих, положение которых на оси частот мало меняется с изменением широты. Согласно его теории [66], в ходе развития суббури генерируются колебания Pi2 с большим периодом, чем в начальный момент брейкапа. Автор [66] объясняет это движением к северу образовавшейся выпуклости в полярных сияниях. Экспериментальные данные, полученные в [18], связывают положение источника Pi2 с южной границей авроральной зоны и тем самым ставят под сомнение теорию пересоединения силовых линий в хвосте магнитосферы. Кроме того, по теории Rostoker [198], амплитуда колебаний Pi2 должна монотонно уменьшаться от авроральных широт к низким. Это противоречит экспериментальным наблюдениям, которые отмечают дополнительный максимум амплитуды в средних широтах.

Теория генерации Pi2 Saito and Sakurai [51] имеет много общего с теорией пересоединения силовых линий Rostoker. Однако, в отличие от Rostoker из их теории следует, что спектр Pi2 должен содержать только одну спектральную составляющую. Полагая, что распространение колебаний идет от авроральных широт к низким, они подобно Rostoker считают, что амплитуда Pi2 уменьшается монотонно к низким широтам. Требование существования одной спектральной составляющей, а также предсказываемое теорией поведение амплитуд Pi2 не согласуется с экспериментальными данными.

Лучше других, из рассмотренных теорий генерации Pi2, согласуется с экспериментальными данными модель генерации Pi2 Распопова О. М. [196].

Она объясняет одновременность появления нескольких гармонически несвязанных спектральных составляющих, изменение направления вращения эллипса поляризации в субавроральных широтах, а также то обстоятельство, что главная ось эллипса поляризации следит за изменением азимута дуг полярных сияний, оставаясь перпендикулярной дуге. Данная модель обеспечивает симметричность картины распространения волны относительно экваториальной плоскости. Исходя из этого, ожидается большое сходство в поведении пульсаций Pi2 в магнитосопряженных точках. Эта модель также дает возможность с единых позиций анализировать как процесс генерации Pi2, так и других геофизических явлений, сопутствующих Pi2.

Заслуживает внимания и ионосферная теория генерации Pi2. Аргументом, говорящим в пользу этой теории, является одновременность регистрации Pi2 и риометрического поглощения, обнаруженная в [167] и свидетельствующая о ионосферном происхождении пульсаций Pi2. Для наглядности приведена табл. 8.1, из которой можно судить, насколько рассмотренные механизмы генерации способны объяснить экспериментальные результаты по Pi2, включая полученные в диссертации. Знаком плюс и минус в таблице отмечено согласуется или нет теория с экспериментом, вопросительный знак означает неясность.

8.2 Обсуждение экспериментальных результатов с точки зрения теоретических представлений о механизмах генерации PI2.

8.2.1 Область аврорального максимума интенсивности Pi2.

Исследование меридионального распределения интенсивности различных спектральных составляющих Pi2 показало, что интенсивность всех спектральных компонент Pi2 достигает максимума в узкой полосе авроральных широт рядом с «центром» электроструи. Этот факт служит убедительным доказательством генерации Pi2 в области авроральных силовых линий.

Широкий диапазон частот, генерируемых в пределах узкого пучка силовых линий, является косвенным аргументом в пользу гармонического состава спектра Pi2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации получены следующие основные результаты.

1. Установлено, что весь спектральный состав геомагнитных пульсаций Pi2 формируется в узкой полосе авроральных широт ДФ=2° вблизи центра электроструи. Тем самым опровергнута гипотеза о различных источниках генерации высокои среднеширотных Pi2.

2. Выявлена гармоническая структура спектра Pi2 с помощью разработанной автором методики обработки фазовых динамических спектров Pi2 по принципу стационарной фазы. Гармоническая структура спектра указывает на связь пульсаций Pi2 со стоячей МГДволной.

3. Показано, что перераспределение энергии в спектре Pi2 в пользу короткопериодных компонент в направлении экватора обусловлено частотнозависимым усилением их в плазмосфере, а не частотнозависимым затуханием, как считалось ранее. Диапазон периодов, усиливаемых в плазмосфере, зависит от уровня геомагнитной активности, а степень усиления возрастает с уменьшением периода колебаний.

4. Методом регрессионного анализа показано, что затухание интенсивности Pi2 не зависит от периода колебаний. Это противоречит гипотезе о роли авроральной ионосферы в качестве вторичного генератора МГД-волн.

5. Обнаружено зависящее от местного времени различие спектров Нх и Нукомпонент Pi2. Совпадение этих спектров наблюдается только вблизи местной магнитной полуночи, а по мере удаления от полуночи в утренний и вечерний секторы их различие усиливается, что свидетельствует о принадлежности их к различным модам волн.

6. Впервые осуществленные прямые измерения фазовых запаздываний пульсаций Pi2 на среднеширотной цепочке станций Ф'~ 52°, разнесенных по долготе на ~ 64°, указывают на одностороннее направление «кажущихся» фазовых скоростейс востока на запад. Тот же результат получен на других геомагнитных параллелях Ф'~ 57° и Ф'~ 62°. Теоретически должна существовать функциональная связь между направлением распространения волн и направлением вращения их эллипса поляризации. Резонансная теория генерации предсказывает левую поляризацию волн, если фазовая скорость направлена с востока на запад, что подтверждается экспериментом. Исходя из полученных экспериментальных данных о широтно-суточном ходе в распределении поляризационных характеристик можно сделать заключение о различном характере распространения геомагнитных пульсаций Pi2 в различных геофизических зонах.

7. Измерения фазовых запаздываний пульсаций Pi2 на меридиональном профиле станций Ф'~53°-74° показали, что в субавроральных широтах «кажущаяся» фазовая скорость направлена с юга на север, меняя свое направление на противоположное севернее аврорального и южнее среднеширотного максимумов.

8. Подтверждена возможность диагностики положения плазмопаузы по трем признакам: субавроральному минимуму, точке смены направления вращения эллипса поляризации и локальному субавроральному максимуму.

9. Получены малые значения азимутальных волновых чисел для Pi2, свидетельствующие о том, что Pi2 не могут генерироваться вследствие развития дрейфовой неустойчивости плазмы.

10. В результате одновременного анализа динамических спектров двух типов иррегулярных пульсаций НЧ диапазона Pi2 и Pip установлены их главные отличительные признаки: региональность Pi2 и локальность Pip. Это свидетельствует о том, что Pi2 и Pip имеют различные источники: источник Pi2 находится на периферии магнитосферы, а источник Pip — в ионосфере. Указанные признаки позволяют идентифицировать Pi2 и Pip в наиболее трудных случаяхв начале взрывной фазы суббури, когда всплески пульсаций следуют непосредственно друг за другом.

11. Предложено уточнить классификацию иррегулярных геомагнитных пульсаций ВЧ диапазона, разделив PilB на два класса: PilB-rPi2 и PilB-rPip. Они имеют различную физическую природу, и для PilB-rPi2 главный отличительный признак — региональность, а для Pi lB-rPipлокальность.

12. В спектре PilB выделены два максимума — на f=0,3 — 0,4 Гц и f=0,65 — 2 Гц с различным энергетическим вкладом. Первый спектральный максимум имеет наибольший энергетический вклад в авроральной области, второй — в области средних широт. Этот факт интерпретируется как наличие двух резонаторов. Первыймежду спорадическим слоем Es (150−200 км) в ионосфере и скачком альвеновской скорости на высоте 2000 км, второй между скачком альвеновской скорости и двойным электрическим слоем на высоте 6000 км.

Представленные в диссертации экспериментальные факты подтверждают теоретическую концепцию мазерного излучения магнитосферы в диапазоне геомагнитных пульсаций, высказанную в [240]. Исходя из концепции мазерного излучения магнитосферы, сделаны следующие выводы относительно физической природы иррегулярных геомагнитных пульсаций, механизма их генерации, местонахождения источника и распространения.

1. Геомагнитные пульсации Pi2- электромагнитные волны, образующиеся в результате конверсии плазменных волн в связанной альвеновской и магнитозвуковой модах при резонансном взаимодействии типа «волна-частица» (индуцированное рассеяние на электронах) или «волна-волна» .

2. Из всех известных механизмов генерации Pi2 следует отдать предпочтение раскачке магнитной силовой линии за счет развития пульсирующих продольных токов, создающих трехмерную токовую систему, связанную с Pi2.

3. Геомагнитные пульсации Pipэлектромагнитные волны, обусловленные колебаниями силы тока электроструи в полярной ионосфере вследствие развития, например, конвективной неустойчивости токовой струи или, например, вследствие возрастающих продольных токов.

4. Геомагнитные пульсации PilB-rPi2 (высокочастотный аналог Pi2)-электромагнитные волны, образующиеся в результате конверсии быстрой магнитозвуковой волны при резонансном взаимодействии с электронами, ускоренными двойным электрическим слоем в ионосфере на высоте 1R3.

5. Источник Pi2 находится на периферии магнитосферыв области внутренней кромки приэкваториальной части плазменного слоя магнитосферного хвоста, а источники Pil и Pip находятся в ионосфере.

Учитывая, что эксперименты по регистрации геомагнитных пульсаций носили глобальный характер, в них принимали участие большие научные коллективы, мне посчастливилось работать в тесном сотрудничестве с учеными крупных академических научных организаций, с которыми осуществлялся обмен мнениями по научным вопросам и имеются совместные публикации. Поэтому я считаю своим приятным долгом отметить их участие в научной работе как соавторов совместных публикаций: Ю. А. Копытенко (J10 ИЗМИРАН), коллектив ученых ОИФЗ РАН, в котором я начала свою научную работу будучи аспиранткой этого института: М. Б Гохберг, Ю. В. Голиков, В. А. Пилипенко, Ю. Г. Хабазин, Е. А. Герасимович, А. П. Иванов. Благодарна администрации ОИФЗ РАН, оказавшей содействие в опубликовании монографии, явившейся итогом многолетнего сотрудничества с коллегами этого института. Особая благодарность профессору В. А. Троицкой и старшему научному сотруднику ОИФЗ РАН Л. Н. Баранскому — моим научным руководителям, консультантам и наставникам, сыгравшим определяющую роль в самом начале моего творческого пути. Благодарна зарубежным соавторам из Геофизического института Геттингенгского университета и Института аэрономии М. Планка в Германии О. Хиллебрандту, И. Мюнху, У. Ведекину, М. Зиберту, и сотрудникам Оульского университета в Финляндии Дж. Кангасу и Т. Пиккарайнен за любезно предоставленные материалы и полезное обсуждение работы. Искренне признательна и благодарна администрации ИЗМИРАН, оказавшей содействие в получении научных консультаций в отделе геомагнитных вариаций. Особая благодарность зав. отделом геомагнитных вариаций, д.ф.м.-н. А. Е. Левитину, взявшему на себя нелегкий труд прочтения диссертации, завершившийся полезным обсуждением результатов.