авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   |
|

Характеристики распределения частиц в области каспа, внешней области кольцевого тока и ближнем плазменном слое магнитосферы земли

ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

КИРПИЧЕВ ИГОРЬ ПЕТРОВИЧ

ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ В ОБЛАСТИ КАСПА, ВНЕШНЕЙ ОБЛАСТИ КОЛЬЦЕВОГО ТОКА И БЛИЖНЕМ ПЛАЗМЕННОМ СЛОЕ МАГНИТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

Специальность 01.03.03. – Физика Солнца

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва

2007


Работа выполнена в отделе физики плазмы

Института космических исследований Российской Академии Наук

Научные руководители: д.ф.-м.н., профессор - Писаренко

Новомир Федорович (ИКИ РАН)

д.ф.-м.н. – Антонова Елизавета Евгеньевна (НИИЯФ МГУ)

Официальные оппоненты: д.ф.-м.н., профессор - Кузнецов

Сергей Николаевич (НИИЯФ МГУ)

д.ф.-м.н., профессор - Клейменова Наталья Георгиевна (ИФЗ РАН)

Ведущая организация: Институт Прикладной Геофизики

Защита диссертации состоится 22 февраля 2007г. в 12 ч. 30 мин. на открытом заседании диссертационного совета Д 002.113.03 ИКИ РАН по адресу: 117997, ул. Профсоюзная 84/32, ИКИ РАН,

подъезд 2, (конференц-зал)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН

Автореферат разослан 18 января 2007г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.113.03,

кандидат физико-математических наук Т.М. Буринская


Общая характеристика работы

Актуальность темы

Актуальность и практическая значимость работы связана с необходимостью выявления характерных закономерностей формирования распределения частиц, токов и плазмы в магнитосфере Земли, создания количественных моделей магнитосферных процессов и взаимодействия магнитосферы с солнечным ветром, решению задач в рамках решения проблемы предсказания «Космической погоды».

Цели и задачи исследования

Цель исследования состояла в выяснении основных закономерностей процессов формирования потоков частиц и плазмы во внешнем каспе и в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям. Связь этих областей обусловлена существованием замкнутых внутри магнитосферы дрейфовых траекторий частиц, соединяющих эти две области.

Реализация целей исследования требовала решения следующих задач:

  • проведения интеркалибровки приборов, измерявших потоки частиц с различными энергиями и питч-углами в перекрывающихся энергетических диапазонах в эксперименте Интербол/Хвостовой зонд;
  • проведения численного моделирования траекторий частиц в магнитосфере Земли;
  • проведение анализа формы функции распределения частиц в области внешнего каспа;
  • определение угловой анизотропии потоков частиц в области внешнего каспа;
  • проведение проверки теоретического предположения о существовании квазизахваченных ионов с энергиями 10-25 кэВ в области внешнего каспа;
  • исследование динамики потоков частиц с энергией 1-3 МэВ;
  • сравнение предсказаний теорий появления энергичных частиц в области внешнего каспа с результатами экспериментальных наблюдений;
  • получение энергетических спектров частиц в диапазоне энергий 1 кэВ – 3 МэВ в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям;
  • изучение динамики спектров частиц в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям;
  • проведение аппроксимаций наблюдаемых спектров каппа-распределением;
  • изучение динамики параметров каппа-распределения;
  • определение профилей давления вдоль траекторий полета спутника;
  • проведение анализа радиального хода давления;
  • проведение сравнения результатов наблюдений профилей давления с существующими моделями;
  • исследование области перехода от плазменного слоя к кольцевому току;
  • определение величины поперечных токов в плазме, поддерживаемых в приближении магнитостатического равновесия наблюдаемыми профилями давления.

Научная и практическая ценность работы





Научная ценность работы связана с получением новых экспериментальных результатов, имеющих существенное значение для описания процессов в высокоширотной магнитосфере.

Практическая ценность работы связана с возможностью использования полученных результатов при решении прикладных задач, возникающих при освоении околоземного космического пространства. Полученные результаты могут быть использованы при решении проблемы проникновения частиц внутрь магнитосферы и динамики суббуревых и буревых процессов внутри магнитосферы, определяющих «космическую погоду».

Научная новизна полученных результатов

В работе представлены новые результаты, полученные в процессе обработки и анализа данных, на спутнике ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд в двух не достаточно изученных на сегодняшний момент областях магнитосферы – во внешнем каспе и области перехода от дипольных магнитных силовых линий к вытянутым в хвост в период 1995-1999 гг.

  1. Впервые получены дифференциальные спектры ионов в высокоширотной магнитосфере (внешний касп) и области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям в диапазоне от 1 кэВ до 3 МэВ с энергетическим разрешением в диапазоне 25-800 кэВ превышающем результаты предшествующих наблюдений.
  2. На основе оригинальной методики по систематизации случаев с ярко выраженной анизотропией функции распределения ионов с энергией 10-25 кэВ в области внешнего каспа впервые представлено экспериментальное подтверждение наличия квазизахвата частиц в данном районе.
  3. Впервые зарегистрированы интенсивные потоки (~103 см-2с-1) высокоэнергичных (с энергией ~1 МэВ) ионов в области внешнего каспа.
  4. Впервые непрерывно прослежены вариации дифференциальных спектров ионов и давления плазмы в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям в ночные часы на геоцентрических расстояниях от 6 до 12 RE (ранее существовал пробел данных в этой области).
  5. Впервые выделены случаи, когда на профиле давления наблюдается плато: форма спектров частиц, с уменьшением геоцентрического расстояния, практически не изменяется (в области от L = 11 RE до L = 6 RE) при незначительных вариациях энергий в максимумах спектров.
  6. Впервые предложено возможное объяснение существования «зазора» между областями продольных токов зоны 1 и зоны 2 Ииджимы и Потемры, основанное на предположении гидростатического равновесия и существования областей плато на профиле давления.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных в работе результатов обусловлена использованием и сопоставлением данных разных приборов при наблюдениях на спутнике Интербол/Хвостовой зонд, хорошим согласием измеряемых величин с опубликованными ранее данными при лучшем энергетическом разрешении.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Исследована структура функции распределения ионов с энергией 10-25 кэВ в области внешнего северного полярного каспа. Обнаружены случаи с ярко выраженной анизотропией, что может свидетельствовать о наличии квазизахвата частиц в данном районе.
  2. Впервые зарегистрированы интенсивные потоки (~103 см-2с-1) высокоэнергичных (с энергией ~1 МэВ) ионов в области внешнего каспа. Показано, что в рассматриваемых событиях основным источником этих ионов вероятнее всего является ударная волна.
  3. Разработана методика интеркалибровки приборов, измерявших потоки частиц на спутнике ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд. Получены дифференциальные спектры ионов в диапазоне энергий от 0.1 кэВ до 3 МэВ по данным одновременных измерений приборов КОРАЛЛ, ДОК-2 и СКА-2 с энергетическим разрешением превышающем результаты предшествующих исследований.
  4. Исследованы вариации спектров частиц и давления плазмы в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям на геоцентрических расстояниях от 6 до 12 RE. Определены радиальные градиенты давления. Показано, что в магнитоспокойных условиях плазменный слой непрерывно переходит в кольцевой ток. Выделены случаи, когда на профиле давления наблюдается плато.
  5. Рассчитана плотность магнитостатически равновесных поперечных токов в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям. Показано, что в области плато давления плотности поперечных и соответственно продольных токов малы, что может объяснить существования «зазора» между областями продольных токов зоны 1 и зоны 2 Ииджимы и Потемры.

Личный вклад соискателя



Соискателем проделана большая работа по выделению, обработке и анализу экспериментального материала, лично разработаны программы обработки данных, проведено сравнение полученных результатов с теоретическими и эмпирическими моделями. Автор работы внес определяющий вклад в получение приводимых результатов.

Апробация работы

Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях: на XXVI, XXVII, XXVIII Генеральных ассамблеях Европейского геофизического сообщества (Ницца, Франция, 2000; Ницца, Франция, 2001; Ницца, Франция, 2002), на EGS-AGU-EUG совместной ассамблее (Ницца, Франция, 2003), на Генеральных ассамблеях Европейского геонаучного союза (EGU) (Ницца, Франция, 2004, 2005), на международных симпозиумах по проекту ИНТЕРБОЛ (Звенигород, Россия, 1999; Киев, Украина, 2000), на международном симпозиуме в память Ю.И. Гальперина (Москва, Россия, 2003), на конференциях COSPAR (Варшава, Польша 2000, 2004), на COSPAR-ESA коллоквиуме (Konstancin-Jeziorna, Poland, 2001), на V международной конференции по суббурям (Санкт-Петербург, Россия, 2000), на конференции NATO (о. Крит, Греция, 2000), на First S-Ramp Conference (Саппоро, Япония, 2000), на симпозиуме D3.5 Multiscale structure of the dynamic processes in the critical magnetospheric regions (Boston University, USA, 2000),

а также на семинарах ИКИ РАН.

Публикации

Результаты диссертационной работы опубликованы в 10 научных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 119 страницах машинописного текста, состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы. Текст содержит 41 рисунок и 3 таблицы. Список цитируемой литературы включает 162 наименования.

Содержание работы

Во введении сформулирована тема диссертации, обоснована важность поставленной задачи и ее актуальность, определены цели работы и методы исследований, описана структура диссертации.

В первой главе представлены особенности орбит спутника ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд, позволяющие изучать локальные характеристики плазмы в выделенных поставленной задачей областях магнитосферы,

Описаны принципы работы и основные характеристики приборов, используемых в данной работе: плазменного ионного спектрометра КОРАЛЛ, работающего в энергетическом диапазоне 0.05 – 25 кэВ/на заряд, спектрометра заряженных частиц ДОК-2 (22 - 850 кэВ с разрешением 7 - 9 кэВ) и спектрометра энергичных частиц СКА-2 (0.07 - 150 МэВ).

Рассматриваются особенности работы приборов, а также трудности, возникающие в процессе анализа данных. Предложена методика интеркалибровки приборов в перекрывающихся диапазонах энергий.

Показано, что в ходе измерений в ряде областей магнитосферы удается получить спектры ионов (в предположении, что основная часть измеряемых ионов является протонами) с точностью, превышающей проводившиеся ранее измерения.

Описана, разработанная автором программа, позволяющая моделировать движение заряженных частиц без использования предположения о сохранении адиабатических инвариантов (в изучаемых областях магнитосферы, как правило, нарушаются адиабатические инварианты движения частиц).

Приведены характерные примеры численно полученных траекторий заряженных частиц в области внешнего каспа и хвоста магнитосферы. Отмечен сложный характер поведения индивидуальной частицы.

Вторая глава посвящена исследованию свойств ионов с энергиями 10-25 кэВ в области, лежащей к полюсу от северного каспа в непосредственной близости от магнитопаузы в областях предсказанного моделями минимума поля. На основе рассмотрения характерных случаев по данным спутника ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд, а также статистического анализа показано, что область минимума магнитного поля во внешнем каспе может являться областью квазистационарного захвата частиц магнитосферы с энергиями 10-25 кэВ. Проведен анализ возможных источников данных частиц.

Приведены результаты измерений потоков частиц с энергией 1-3 МэВ. В ряде событий были зарегистрированы большие потоки ~103 см-2с-1 высокоэнергичных ионов в области каспа. Потоки с данными характеристиками были почти одновременно обнаружены на спутнике POLAR. Рассмотрено несколько альтернативных вариантов объяснений природы происхождения данных частиц.

В третьей главе приведены результаты исследований функций распределения ионов в области перехода, от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям в ночные и вечерние часы; получены радиальные профили давления; проведены оценки плотности текущих в плазме поперечных токов. На примере рассматриваемых событий исследованы изменения параметров, характеризующих функции распределения. Показано, что при переходе от области плазменного слоя к области кольцевого тока не происходит ярко выраженных изменений формы функции распределения ионов, а также профилей давления и плотности поперечных токов, что затрудняет выделение экваториальной границы плазменного слоя на базе данных ионных измерений.

Проводится сравнение полученных профилей давления с эмпирической моделью Цыганенко – Мукаи 2003 в области справедливости данной модели (более 10 радиусов Земли). Показано, что при неплохом совпадении предсказаний модели и результатов наблюдений на спутнике ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд наблюдаются некоторые отличия.

Выделены случаи, когда на профиле давления наблюдается плато (т.е. в отличие от предсказания ранних моделей, наблюдается гораздо меньшее нарастание, почти плато, в распределении давления). Рассмотрен ряд эффектов, которые могут приводить к данному распределению давления. Показано, что возникновение областей плато давления может объяснить существование зазора между листами продольного тока в статистической картине Ииджимы и Потемры, 1976.

В заключении подведены итоги и сформулированы выводы работы.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

  1. И.Кирпичев, А. Федоров, А. Григорьев, Е. Будник, Э. Дубинин Квазизахват заряженных частиц в районе локального минимума магнитного поля во внешнем каспе, Космич. Иссл., 1999. т 37, Nо 6, с. 638-643.
  2. N.F. Pissarenko, I.P. Kirpichev, V.N. Lutsenko, S.P. Savin, E.Yu. Budnik, A.R. Moszhukina, E.I. Morozova, A.E. Antonova and I. Sandahl. Cusp energetic particles observed by INTERBALL – Tail probe in 1996, Phys. Chem. Earth, 2001, v. 26, n 1-3, p. 241-245.
  3. Savin, S., J. Blecki, N. Pissarenko, V. Lutsenko, I. Kirpichev, et al., Accelerated particles from turbulent boundary layer, Adv. Space Res., 2002. V. 30, No. 7, 1723-1730.
  4. N.F. Pisarenko, E.Yu. Budnik, Yu.I. Yermolaev, I.P. Kirpichev, V.N. Lutsenko, E.I. Morozova, and E.E. Antonova. The ion differential spectra in outer boundary of the ring current: November 17, 1995 Case study, JASTP, V 64, Issue 5-6, March - April 2002, p 573-583.
  5. Н.Ф. Писаренко, И.П. Кирпичев, В.Н. Луценко, Е.Ю. Будник, Е.И. Морозова, Е.Е. Антонова. Структура спектров ионов во внешних областях кольцевого тока: Событие 13 ноября 1995 г. Космич. Иссл., 2002, 40, N 1, с. 17-27.
  6. N.F. Pisarenko, E.Yu. Budnik, Yu.I. Yermolaev, I.P. Kirpichev, V.N. Lutsenko, E.I. Morozova, and E.E. Antonova. The main features of the ion spectra variations in the transition region from dipole to tailward streched field lines, Adv. Space Res., V 31, N5, 2003, p 1347 - 1352.
  7. E.E.Antonova, E.Yu.Budnik, I.P.Kirpichev, V.N.Lutsenko, N.F.Pissarenko. Magnetispheric plasma pressure and space weather, Adv. Space Res., V 31, N4, 2003, p 1093 - 1098.
  8. И.П. Кирпичев, Распределение давления плазмы в геомагнитном хвосте в области перехода от дипольных к квазидипольным и вытянутым магнитным силовым линиям: событие 13 ноября 1995 г., Космич. иссл., 2004. т 42, N 4, с 352-362.
  9. I.P.Kirpichev, E.E.Antonova, N.L. Borodkova, E.Yu.Budnik, V.N.Lutsenko, N.F.Pisarenko, E.I.Morozova, Yu. I. Yermolaev, The features of the ion plasma pressure distributions in the near Earth plasma sheet, Planetary and Space Science, V 53, 2005, p 209 - 215.
  10. Antonova, E.E., I.P. Kirpichev, M.V. Stepanova, Field-aligned current mapping and the problem of the generation of magnetospheric convection, Adv. Space Res., 2006. v38. p. 1637-1641.


Pages:   |
|
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.