книги из ГПНТБ / Гульельми А.В. Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы
.pdfА К А Д Е М И Я Н А У К С С С Р
ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ пм. О. 10. ШМИДТА
А. В. Г У Л Ь Е Л Ь М И , . В. А. Т Р О И Ц К А Я
ГЕОМАГНИТНЫЕ
ПУЛЬСАЦИИ И ДИАГНОСТИКА
МАГНИТОСФЕРЫ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»
МОСКВА 1973
УДК 550.385.37
Геомагнитные пульсации п диагностика магнитосферы. Г у л ь- ѳ л ь м и А..В., Т р о и ц к а я В. А. М., «Наука», 1973.
В окружающей Землю космической плазме существует ши рокий спектр электромагнитных волн. Геомагнитные пульсацпи— это наиболее низкочастотные полны, наблюдаемые на земной по верхности. Данная книга посвящена результатам эксперимен тального и теоретического исследования пульсаций.
Геомагнитные пульсаціга — интересное и во многом загадоч ное еще явление. В книге кратко описаны основные свойства пульсаций и приведены данные о связи этих свойств со структу рой и динамикой магнитосферы. Изложены современные пред ставления о физической природе геомагнитных пульсаций и об суждаются вопросы интерпретации многообразных конкретных типов пульсации. Изложены методы н результаты диагностики магнитосферы п межпланетной среды по данным наземного на блюдения пульсаций. Оцениваются перспективы этого нового направления исследований.
Кинга написана для широкого круга геофизиков — исследо вателей магнитосферы и межпланетной среды, а также для фи зиков, интересующихся геофизическими приложениями теории плазмы.
Нлл.—69, таЗл.—8, библ.—353 назв.
Анатолий |
Владимирович Гульельмн, |
|
|
|
|||
Валерия |
Алексеевна Троицкая |
|
|
|
|||
Геомагнитные пульсацпп и диагностика |
магнитосферы |
|
|||||
Утверждено |
к |
печати |
|
|
|
|
|
ордена Ленина |
Институтом |
физики земли им. О. Ю. Шмидта |
|
||||
Редактор издательства М. С. Райкова |
|
|
|
||||
Художник |
М. П. Тсльцопа |
Художественный редактор И. Н. Власик. |
|||||
Технический редактор Р . Г. Грузинова |
|
|
|
||||
Сдано в набор |
19/ѴІ 1973 г. Подписано к печати |
11ДХ 1073 г. |
|
||||
Формат бОхЯОѴі». Бумага № 2. |
Усл. печ. л. 13,0. |
Уч.-изд. л. 13,3. Тираж S00. |
|||||
Т-И233. Тпп. зак. 2532. Цена |
1 р. 33 к. |
|
|
|
|||
Издательство |
«Наука». 103717ГСП Москва, |
К-62, Подсосенский пер., д. 21 |
|||||
2-я типография Издательства |
«Наука» 121099, Москва, Г-99, ШубинскпН |
пер., 11) |
|||||
0295-0573 |
|
Б 3-58-73 |
© |
Издательство «Наука», |
1973 г. |
||
Г 042 (02)-73 |
|
П Р Е Д И С Л О В И Е
По разнообразию типов, сложности свойств и загадочности происхождения геомагнитные пульсации — одно из интересней ших явлений природы. Это обстоятельство с давних пор само по себе было сильным стимулом, привлекавшим геофизиков к изу чению пульсаций . Однако лишь после того, к а к была установлена тесная связь свойств пульсаций с ключевыми процессами, разы грывающимися в околоземном пространстве, исследование п у л ь саций приобрело особую актуальность . По существу, именно в последние годы наметилось новое направление исследований — диагностика магнитосферы и межпланетной среды по данным на блюдений пульсаций .
Первоначальпо цель, которую мы ставили себе принаписании данной книги, заключалась в том, чтобы изложить методы и ос новные результаты гидромагнитной диагностики более подробно и критично, чем это было сделано в наших предыдущих публика циях на эту тему [1—4]. В процессе работы, однако, выяснилось обстоятельство, которое можно было предвидеть заранее;- Именно на данном этапе не всегда можно провести четкую грань между исследованием магнитосферы с помощью пульсаций и изучением физической природы самих пульсаций . В соответствии с этим в книгу были включены основные результаты наблюдения пульса ций и существующие теории их происхождения .
П р и обсуждении физической природы пульсаций мы стремились по возможности широко использовать современные достижения теории плазмы . Тем не менее изложение теории пульсаций не яв ляется исчерпывающим. П р и отборе материала основное внимание уделялось работам, которые прямо или косвенно связаны с про блемой гидромагнитиой диагностики. Библиография к теоретиче ским разделам книги не претендует на полноту.
Е щ е в большей мере последнее замечание относится к морфо логии пульсаций . Количество опубликованных работ о пульса ц и я х велико . Ориентировочная оценка, сделанная по данным биб лиографического справочника [5], показывает, что лишь за прош лый ц и к л солнечной активности о пульсациях было написано не сколько тысяч статей. В большинстве своем эти работы я в л я ю т с я экспериментальными исследованиями. Разумное ограничение в
5
описании морфологии пульсаций оказалось практически ыеиз- бежиым .
Книга написана д л я широкого круга геофизиков — исследова телей магнитосферы и межпланетной среды, а т а к ж е д л я физиков, интересующихся геофизическими приложениями теории плазмы.
Предполагается, |
что читатель знаком с основами физики плазмы |
|
и имеет |
общие |
представления о структуре околоземного косми |
ческого |
пространства. |
|
Пользуемся |
случаем выразить искреннюю благодарность на |
шим коллегам О. В . Большаковой, Э. Т. Матвеевой и Р . В . Щепетнову, многолетнее сотрудничество с которыми помогло нам напи сать эту книгу . Мы благодарны также Н. А. Кокаревой и А. К. Селезневой за большую помощь в оформлении рукописи.
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Е |
— напряженность |
электрического |
поля;* |
|
|||
В |
— магнитная индукция (равна напряженности магнитного |
поля |
|||||
|
|
ІГ, так как магнитная проницаемость рассматриваемых |
сред |
||||
|
|
равна единице); |
|
|
|
||
h — магнитное |
поле |
волны **; |
|
|
|||
D — электрическая индукция; |
|
|
|||||
j |
— плотность тока; |
|
|
|
|||
с — скорость |
света; |
|
|
|
|||
M |
— магнитный |
момент; |
|
|
|||
а — сорт частицы (а = |
е — электроны, а = р — протоны, |
|
|||||
еа |
|
а — і— ноны); |
|
|
|
||
— заряд частицы; |
|
|
|
||||
та |
— масса частицы; |
|
|
|
|||
ѵа |
— скорость частицы; |
|
|
||||
fa(v, ж, t) |
— функция распределения частиц; |
|
|
||||
Лг 0 — концентрация частиц; |
|
|
|||||
Та |
— температура частиц; |
|
|
||||
Й а |
= |
еаВІшас |
— гпрочастота; |
|
|
||
ш оа = |
(4пЕц Na/ma) |
'• — лентшоровская |
частота; |
|
|||
ѵ а |
— частота |
соударений заряженных |
частиц с нейтральными; |
р— плотность плазмы;
р— давление плазмы;
it — гидродинамическая скорость плазмы; А = і?/(4лр)1''' — альвеновская скорость;
S |
— скорость звука; |
||
еа р |
— тензор диэлектрической проницаемости плазмы; |
||
üaß |
— тензор проводимости плазмы; |
||
ш — частота |
колебаний; |
||
Т = 2n/(ù |
— период |
колебаний; |
|
V — ішкремент |
(декремент) нарастания (затухания) колебаний; |
||
7с — волновой |
вектор; |
*Используется абсолютная гауссова система единиц измерения физических величин.
**Численные значения \Ь\ даются в гаммах: іу = Ю - 5 ее.
п= cfc/co — показатель преломления;
Ѳ— угол между векторами В н к; Уф = а/к — фазовая скорость волны;
s*,.p= да/дк |
— групповая скорость волны; |
|
|
т |
— время группового запаздывания пакета воли; |
|
ге |
— радиус Земля ( = 6,37-108 см); |
г = |
Rre |
— расстояние от центра Земли; |
r0 = |
Lre |
— расстояние от центра Земли до вершины магнитной силовой |
|
лпипп; |
|
|
|
|
|
|
/ — расстояние |
вдоль |
силовой линии геомагнитного ноля; |
|
||
ф — геомагнитная долгота; |
|
|
|
|||
Ф = (л'2) — •& — геомагнитная |
широта; |
|
|
|||
•о — полярный угол; |
|
|
|
|
||
бр — символ Кронекора |
(равен единице при а = |
ß и нулю |
при |
|||
|
а ф ß); |
|
|
|
|
|
ô a | 3 Y |
— единичный |
полностью |
антисимметричный |
тензор третьего |
||
|
ранга (равеп единице при а = 1, ß = 2, у = |
3; меняет |
знак |
|||
|
при перестановке любых двух индексов; равен нулю, если |
|||||
|
какие-либо два индекса |
одинаковы); |
|
|
||
£ а 3 |
— метрпческпй |
тензор. |
|
|
|
Г л а в а I
ГЕОМАГНИТНЫЕ ПУЛЬСАЦИИ
§ 1. |
Естественные |
электромагнитные |
излучения |
|
|
||||||
Н а |
поверхность Земли |
из космического |
пространства |
падают |
|||||||
электромагнитные |
волны |
очень |
низкой |
частоты. Эти волны на |
|||||||
зывают |
«геомагнитными |
пульсациями». |
|
|
|
|
|||||
Геомагнитные |
пульсации как объект |
научного |
исследования |
||||||||
возникли из недр |
классического |
геомагнетизма около |
ста лет тому |
||||||||
назад. Их обнаружил |
Балфор |
Стюарт |
на |
обсерватории Кы о |
|||||||
близ Лондона при попытке |
повысить |
чувствительность |
магнито |
||||||||
метра. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сейчас мы знаем, что |
геомагнитные |
пульсации были |
первыми |
электромагнитными волнами, зарегистрированными человеком. Вряд ли, однако, Б а л ф о р Стюарт мог об этом подозревать. В то время теории Максвелла еще предстояло окончательно сформи роваться и завоевать признание. Потребовалось еще несколько
десятилетий, прежде чем в 1942 г. Альвен создал магнитную |
гидро- |
||||||||||||
динамику, я в л я ю щ у ю с я |
одной из основ интерпретации |
пульсаций . |
|||||||||||
Н а к о н е ц , |
лишь |
в |
результате |
бурного |
развитпя физики |
плазмы |
|||||||
в последние годы |
возникла |
р е а л ь н а я |
возможность |
построить |
|||||||||
количественную |
теорию |
пульсаций . И |
хотя отдельные |
свойства |
|||||||||
бури, бухты |
|
Геомагнитные |
Атмосферные |
УНЧ~ |
|
|
|||||||
|
пульсации |
|
|
шумы |
излучения |
|
|
||||||
|
|
|
ѴЛѴ//М;/Ѵ/////////ЛУЛ |
|
|
|
I |
I |
|
|
|
||
id5 |
10 |
JO3 |
/о |
w |
10й |
JO1 |
/о2 |
JO3 |
ГО* |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
Частота, ги |
|
|
|
|
|
|
|||
Р и с . 1. Шкала частот |
естественных |
электромагнитных |
излучений |
||||||||||
пульсаций |
остаются непонятыми |
и |
по сей день, мы, по |
крайней |
|||||||||
мере, можем догадываться о сложности |
процессов, приводящих к |
появлению пульсаций, а в некоторых случаях знаем и пути реше ния проблем [1—12].
Геомагнитные пульсации занимают диапазон около десяти
октав — от миллигерц |
до нескольких герц (рис. 1). У |
нижнего |
крыла диапазона пульсации граничат с «классическими» |
геомаг |
|
нитными вариациями |
(бухтами, бурями). В принципе можно ука - |
9
зать точную нижнюю грань частоты пульсаций: по определению — это минимальная частота собственных гидромагнитных колебаний магнитосферы. В е р х н я я граница спектра менее четко определена по следующей причине. Согласно наземным наблюдениям наиболь ш а я частота пульсаций соответствует гпрочастоте протонов в уда ленных областях магнитосферы (порядка одного герца). В этом участке диапазона прозрачность ионосферы резко уменьшается
Р Ii с. 2. |
Активность |
геомаг |
|
нитных |
пульсаций па |
средне- |
|
шпротной |
обсерватории |
Борок |
|
в 1967 |
г. |
|
|
Период, сен
с ростом частоты. Кроме того, на частотах, превышающих пример но пять герц, высок уровень атмосферных помех от молниевых разрядов . Все это затрудняет наземную регистрацию излучений космического происхождения с частотами в десятки п сотни герц. Между тем измерения на спутнике в этом диапазоне частот П О З
ВОЛИЛИ |
обнаружить колебания |
типа геомагнитных |
пульсаций, |
|||||||
не проникающие к земной поверхности [13]. |
|
|
|
|
|
|||||
Представление о порядке амплитуд пульсаций |
|
может |
дать |
|||||||
рис. 2. Здесь контуры /г = |
0, 1, 2, 3 соединяют точки с |
одинаковым |
||||||||
количеством N ~ |
10" пятнадцатиминутных интервалов, |
во |
время |
|||||||
которых пульсации наблюдались на среднепшротпой |
обсерватории |
|||||||||
Б о р о к . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обратимся к рис. 3, показывающему место пульсаций |
среди |
|||||||||
других типов электромагнитных излучений в плазме 1 . По |
верти |
|||||||||
кальной оси отложен квадрат преломления среды |
п, |
по |
горизон |
|||||||
тальной |
— частота |
волны |
(<в0 |
— ленгмюровская |
частота, |
Qe и |
||||
Q; — гирочастоты |
электронов |
и ионов, |
ІІА |
= clА, |
с — |
скорость |
||||
света, А |
— альвеновская скорость). Если продвигаться от |
высоких |
||||||||
частот к |
низким, то будем последовательно |
проходить от |
гамма- |
|||||||
квантов, |
рентгеновских |
лучей, видимого |
света |
до |
радиоволн. |
|||||
Этот высокочастотный диапазон заканчивается на |
ленгмюровской |
|||||||||
частоте. Между ленгмюровской |
частотой |
и гирочастотой |
электро- |
Еслгі учесть тепловое движение частиц плазмы, то на рисунке появится еще одна ветвь, соответствующая продольным волнам акустического типа. В не однородной плазме могут, кроме того, распространяться так называемые дрейфовые волны. Другнші словами, спектр собственных колебаний реаль ной плазмы может быть значительно богаче, чем это представлено здесь в простейшем случае.
10