Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Гелиофизика и физика солнечной системы

Диссертационная работа:

Пилипенко Вячеслав Анатольевич. Резонансные эффекты ультра-низкочастотных волновых полей в околоземном пространстве : диссертация... д-ра физ.-мат. наук : 01.03.03 Москва, 2007 241 с. РГБ ОД, 71:07-1/281

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение: РОЛЬ РЕЗОНАНСНЫХ ЭФФЕКТОВ В ПРОЦЕССАХ ВОЗБУЖДЕНИЯ, РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ УНЧ ВОЛН В ОКОЛОЗЕМНОЙ ПЛАЗМЕ

I. РЕЗОНАНСНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЕ ПОЛЯ УНЧ ВОЛН И ГИДРОМАГНИТНЫЙ МОНИТОРИНГ ОКОЛОЗЕМНОЙ ПЛАЗМЫ

1.1. Резонансная трансформация МГД волн в неоднородной плазме

1.2. Численная модель магнитосферно-ионосферного альвеновского резонатора

1.3. Численно-аналитическая модель прохождения альвеновских волн через ионосферу к земной поверхности

. 1.4. Теоретические основы методов наземной гидромагнитной диагностики магнитосферной плазмы ("магнито-сейсмология")

? Градиентные методы

? Поляризационные методы

? Многокомпонентные (Е и В) методы

? Метод годографа

1.5. Экспериментальные исследования магнитосферных резонансных эффектов на средних широтах

? Спектральное оценивание данных градиентных измерений

? Градиентный метод

? Поляризационный H/D метод

? Модифицированный градиентный метод

? Метод годографа восстановления распределения резонансных частот

? Методы гидромагнитной спектроскопии

1.6. Мониторинг свойств магнитосферно-ионосферного альвеновского резонатора на низких широтах

? Экспериментальные исследования диссипативных свойств MAP

? Спектральные особенности МАР на низких широтах

? Сравнение экспериментальных данных с численной моделью MAP Выводы к гл.1.

И. ИОНОСФЕРНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ УНЧ ВОЛН

2.1. Возбуждение ионосферных мод при прохождении альвеновской волны через ионосферу и искажение наземной резонансной структуры

? Аналитические оценки возможных искажений структуры волны

? Численно-аналитическая модель приземной структуры поля УНЧ волн

? Влияние ионосферных искажений на методы гидромагнитной диагностики

? Экранировка магнитосферного сигнала ионосферой

2.2. Поверхностные ионосферные моды на приэкваториальных широтах

? Приближение тонкой ионосферы

? Теоретические представления о распространении МГД волн вдоль ионосферы 2.3.0 возможности распространения УНЧ сигналов в волноводе Земля-ионосфера

? Волновые явления, возбуждаемые при SSC

? Возможные механизмы Ml и PI Выводы к гл. II

III. УНЧ ВОЛНЫ В ОБЛАСТИ ПОГРАНИЧНЫХ СЛОЕВ МАГНИТОСФЕРЫ

3.1. МГД волновод/резонатор для РсЗ УНЧ волн в области каспа

? Волновод со ступенчатым профилем

? Сопоставление модели с результатами волновых наблюдений в каспе

3.2. Долгопериодные квазипериодические вариации Pdpy6 в области каспа - модуляция высокоширотной ионосферы альвеновскими волнами солнечного ветра

? Глобальная пространственная структура и распространение Pdpy6 пульсаций

? Наблюдения долгопериодных альвеновских волн в солнечном ветре

? Возможные физические механизмы Pdpy6 пульсаций

? Модель наземного отклика на "волну включения" ионосферных токов

3.3. Возможные каналы передачи волновой энергии из хвоста магнитосферы в полярную ионосферу

? Модель магнитозвукового гидромагнитного волновода в хвосте магнитосферы

? Излучение поверхностных альвеновских волн из МГД волновода с резкой неоднородностью

? Волновод со слабым скачком параметров Численный расчет коэффициентов трансформации

Выводы к гл. III

IV. ВОЛНОВЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ СТРУКТУРЫ В АВРОРАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ

4.1. Тонкая волновая структура интенсивных токовых систем

? Наблюдения распространения TCV и всплеска Pi 1 на сети MACCS

? Оценка продольных токов магнитных импульсов и авроральных активизаций

? Возможные механизмы генерации Pcl/Pil колебаний при импульсном возбуждении

? Механизм квази-периодических осцилляции аномального сопротивления

? Геофизические следствия

4.2. Затухание альвеновских колебаний в авроральной области

? Электродинамическая модель магнитосферно-ионосферного резонатора в области аврорального ускорения

? Затухание альвеновских колебаний в магнитосферном резонаторе с AAR

? Сравнение различных механизмов диссипации МАР на авроральных широтах

4.3. Альвеновский резонатор в авроральной верхней ионосфере

? Отражение альвеновских волн от плазменных слоев

? Приближение тонкого AAR слоя

? Спектральные свойства альвеновского резонатора

? Ионосферное затухание узких альвеновских структур

? Сопоставление с данными наблюдений

4.4. Модуляция ускорения авроральных частиц альвеновскими волнами

? Модуляция падения потенциала магнитосферными альвеновскими волнами

? Возбуждение аврорального резонатора

? Проникновение альвеновских волн к земной поверхности

? Возможные проявления нового механизма модуляции ускорения авроральных частиц

4.5. Энергетический бюджет ускорения авроральных частиц альвеновской волной

? Коэффициент поглощения альвеновских волн в AAR

? Сопоставление модели со спутниковыми наблюдениями Выводы к гл. IV

V. РЕЗОНАНСНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ УНЧ ВОЛН ЧАСТИЦАМИ КОЛЬЦЕВОГО ТОКА

5.1. Низкочастотные волны и дрейфовые неустойчивости в неоднородной плазме конечного давления

5.2. Дрейфово-анизотропная неустойчивость протонов кольцевого тока Наблюдения Рс5 колебаний во время магнитных бурь на спутнике GEOS-2

5.3. Дрейфововая альвеновская неустойчивость, модифицированная кривизной геомагнитного поля

Наблюдения Рс5 волн и частиц на геостационарном спутнике.

5.4. Дрейфово-зеркальная неустойчивость в кривом магнитном поле

Глобальные Рс5 колебания на геостационарной орбите

5.5. Долгопериодные иррегулярные колебания в активную фазу магнитной бури

? Магнитная буря 15.05.1997 и динамика электронного радиационного пояса и кольцевого тока

? Глобальная динамика РІЗ колебаний и высыпаний частиц во время главной фазы бури

? Мелко-масштабная долготная структура магнитных пульсаций и высыпающихся электронов

? Нерезонансная генерация МГД волн поперечным нестационарным током

? Возможные механизмы генерации РІЗ и Рс5 пульсаций и их роль в ускорении релятивистских электронов

5.6. Резонансное ускорение релятивистских электронов УНЧ возмущениями ("геосинхротрон")

Выводы к гл. V

VI. ВОЗМУЩЕНИЯ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И ИОНОСФЕРЫ АНТРОПОГЕННЫМИ, АТМОСФЕРНЫМИ И ЛИТОСФЕРНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ

6.1. Антропогенные и атмосферные источники

6.2. Сейсмо-электромагнитные и сейсмо-ионосферные возмущения Выводы к гл. VI

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

? публикации по теме диссертации

? общий список литературы

Приложения:

1 Параметры и модели околоземной среды

2 Сети магнитных станций 

Введение к работе:

Актуальность проблемы. Для исследований плазменных процессов в ближнем космосе электромагнитные волны ультра-низкочастотного (УНЧ) диапазона (покрывающим три порядка по частоте, от долей мГц до первых Гц) имеют такое же значение, как сейсмические волны для изучения строения Земли - они позволяют проводить дистанционное зондирование и мониторинг областей, недоступных in-situ измерениям. По сравнению с волновыми процессами в других областях физики, волны в плазме обладают рядом специфических особенностей. Из этих особенностей принципиальное значение имеют резонансные эффекты: взаимодействие волн и частиц, трансформация волн, формирование резонаторов и волноводов. Благодаря резонансным эффектам, УНЧ волны переносят информацию о динамических явлениях в околоземном пространстве и верхней атмосфере, и достигают амплитуд, достаточных для того, чтобы оказывать активное влияние на протекание плазменных процессов и эффективно ускорять магнитосферные электроны. Тем не менее, существует принципиальная возможность использования регистрируемых на Земле УНЧ волн для гидромагнитной диагностики - определения параметров магнитосферной и ионосферной плазмы. УНЧ возмущения сопровождают все геофизические явления, связанные с большим выделением энергии - магнитные бури, взрывы, ураганы и грозы, землетрясения, и являются одним из основных агентов, связывающих в эти периоды разные геофизические оболочки. Однако в отличие от сейсмологии, для большинства геомагнитных пульсаций весьма ориентировочно известны свойства источников волн и каналы их распространения к земной поверхности. Лишь для небольшого числа из необычайного разнообразия периодических возмущений в околоземной плазме можно с уверенностью сказать, что их физическая природа выяснена. Регистрируемые спутниковыми и наземными магнитометрами УНЧ пульсации геомагнитного поля являются отражением магнитогидродинамических (МГД) волн в околоземной среде. МГД волновые явления повсеместно встречаются не только в околоземной среде, но и в солнечной короне и плазме лабораторных установок. Поэтому исследования УНЧ колебаний взаимно обогащают и дополняют физику МГД волн в солнечной, лабораторной и околоземной плазмах.

Цель работы состояла в детальном исследовании влияния резонансных эффектов в околоземной среде на возбуждение, распространение и диссипацию УНЧ волн, в частности:

разработка адекватных физических и численных моделей, позволяющих детально описать пространственно-частотную структуру УНЧ волн в разных средах: магнитосфере, ионосфере, и у земной поверхности;

разработка и апробация различных методов определения параметров магнитосферного резонатора по данным наземной регистрации УНЧ волн;

выяснение возможности распространения УНЧ сигналов вдоль ионосферы и в волноводе Земля-ионосфера;

выявление особенностей формирования волновых явлений в пограничных областях магнитосферы;

определение механизмов возбуждения УНЧ колебаний при резонансном взаимодействии волн и частиц;

выяснение влияния области ускорения авроральных электронов на формирование на этих широтах специфических волновых явлений и на распространение магнитосферных альвеновских волн;

возможность выделения из всего многообразия природной магнитосферной активности аномальных возмущений антропогенной и сейсмической природы.

Основные защищаемые положения

Комплекс методов «магнито-сейсмологии» для наземного мониторинга распределения околоземной плазмы, основанный на физическом эффекте резонансной трансформации магнитосферной волновой энергии в локальные альвеновские колебания магнитных оболочек.

Существование специфического класса поверхностных МГД волн, распространяющихся вдоль проводящего слоя ионосферы.

Наличие волновых УНЧ явлений во внешней магнитосфере (>10 Re), которые благодаря механизмам конверсии волновой энергии в направляемые альвеновские волны переносят информацию о динамических процессах в этих областях к земной поверхности.

Наличие волнового механизма модуляции и ускорения электронов в верхней ионосфере на авроральных широтах.

Механизмы спонтанного возбуждения УНЧ колебаний в результате дрейфовых неустойчивостей неоднородных распределений энергичных частиц в околоземной среде.

Наличие разнообразных аномальных не-магнитосферных возмущений геомагнитного поля и ионосферной плазмы, вызванных антропогенной, метеорологической и сейсмической активностью.

Научная новизна работы состоит в том, что

построена теоретически обоснованная численная модель магнитосферно-ионосферного альвеновского резонатора;

построена численно-аналитическая модель искажения резонансной волновой структуры при прохождении через ионосферу к земной поверхности;

разработаны и апробированы новые методы наземного мониторинга плотности магнитосферной плазмы, что позволяет говорить о создании "гидромагнитной сейсмологии" околоземного космического пространства;

экспериментально обнаружены и теоретически смоделированы ранее неизвестные особенности УНЧ волн РсЗ диапазона на низких широтах - аномальная зависимость периода от широты и резкое усиление диссипативных свойств;

предсказано существование открытых МГД волноводов в области высокоширотного каспа и плазменного слоя со специфическими каналами утечки волновой энергии;

обнаружено явление периодической модуляции высокоширотной ионосферы долгопериодными альвеновскими волнами солнечного ветра и построена численная модель их наземного отклика;

предсказано существование новой волновой структуры - альвеновского резонатора в верхней авроральной ионосфере;

количественно обоснован механизм активизации авроральных дуг альвеновскими волнами;

построена исчерпывающая линейная теория возбуждения низкочастотных колебаний протонами кольцевого тока в результате кинетических дрейфовых неустойчивостей;

обнаружены и проинтерпретированы новые эффекты возмущения геомагнитного поля и ионосферы антропогенными, метеорологическими и сейсмическими источниками.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.

Особенностью диссертационной работы является попытка синергетически объединить разработку адекватных теоретических моделей с их апробацией с помощью специализированного анализа данных наземных и спутниковых наблюдений, и далее - с постановкой новых нерешенных проблем. Поэтому все теоретические представления, развиваемые автором, получили непосредственное экспериментальное подтверждение, а обнаруженным новым природным явлениям была дана непротиворечивая интерпретация. Многие из результатов работы были опубликованы достаточно давно, некоторые - более 20 лет назад, и «прошли проверку временем»: несмотря на большое число новых исследований, значительно расширивших прежние представления, основные результаты автора не были опровергнуты. Об этом, в частности, свидетельствует большое число ссылок на работы автора (более 300 по данным International Citation Index на май 2006 г.). Все результаты, представленные в диссертации, опубликованы в рецензируемых отечественных и зарубежных научных журналах.

Практическая ценность работы.

Полученные в диссертации результаты закладывают практические основы для наземных методов гидромагнитной диагностики магнитосферы, и позволяют говорить о создании «магнито-сейсмологии» околоземного пространства. Показано, что надежный мониторинг резонансных частот локальных силовых линий существен не только для гидромагнитной диагностики, но и для корректной интерпретации данных магнитотеллурического зондирования. Разработанные теоретические модели

резонансной трансформации МГД колебаний и кинетических дрейфовых неустойчивостей являются новыми не только для космической геофизики, но и физики плазмы в целом. Разработанные представления о резонансном взаимодействии УНЧ волн с релятивистскими электронами, представляющими угрозу для надежного функционирования технологических систем в космосе, позволили ввести в космическую геофизику новый геомагнитный индекс - волновой УНЧ индекс, характеризующий уровень УНЧ турбулентности в околоземной среде и используемый для прогноза радиационной опасности для геостационарных спутников. Кроме того, УНЧ диапазон оказался наиболее перспективным для поиска электромагнитных шумов литосферного происхождения, связанных с процессами подготовки землетрясений.

Личный вклад. Характерной особенностью исследований, проводимых автором, является сочетание разработки новых теоретических представлений с их апробацией при обработке и анализе спутниковых и наземных данных. Для наземных исследований пульсаций при непосредственном участии автора был осуществлен ряд международных проектов, материалы которых использованы в работе. Автор участвовал в постановке работ, компьютерной обработке данных и их теоретической интерпретации. Все статьи, на которых основана диссертационная работа, были написаны лично автором, даже если он и не являлся первым соавтором.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, 2 приложений, списка литературы (290 наименований) и списка публикаций автора по теме диссертации (110 наименований). Работа содержит 140 страниц текста и 55 рисунков.

Подобные работы
Царегородцев Леонид Иллирикович
Квантовые эффекты электромагнитного взаимодействия полей в пространствах Робертсона-Уокера
Разумовский Алексей Сергеевич
Вакуумные эффекты калибровочной теории в модельных конфигурациях внешних полей в пространствах размерности (2+1) и (3+1)
Силис Мария Ильинична
Движение дислокации под действием ультразвука в неоднородном по пространству поле напряжений
Богуненко Владимир Юрьевич
Движение дислокации под действием ультразвука и постоянной нагрузки с учетом поперечного скольжения в неоднородном по пространству поле напряжений
Сушков Сергей Владимирович
Классические и квантованные поля в пространствах с нетривиальными топологической и причинной структурами
Храпов Павел Васильевич
Трансфер-матрицы гиббсовских полей с бесконечным пространством спинов
Мамаев Сергей Георгиевич
Теория квантованных полей в сильных внешних полях и в пространствах с неевклидовой геометрией и топологией
Одинцов Сергей Дмитриевич
Метод ренормализационной группы в квантовой теории поля в искривленном пространстве-времени
Демской Дмитрий Константинович
Исследование интегрируемости 3-компонентных полей кирального типа в двумерном пространстве-времени
Лантюхов Михаил Николаевич
Синтез и анализ алгоритмов фильтрации случайных процессов и полей в условиях случайной марковской структуры пространства состояний и наблюдений

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net