Трансформація та нелінійна взаємодія хвиль в сонячній атмосфері та в космічній плазмі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Головна астрономічна обсерваторія

УДК 523.9-852-726+52-726

Трансформація та нелінійна взаємодія хвиль в сонячній атмосфері та в космічній плазмі

01.03.03 - Геліофізика і фізика Сонячної системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Войцеховська Анна Дмитрівна

Київ 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Головній астрономічній обсерваторії Національної академії наук України, м. Київ

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Юхимук Адам Корнилович, Головна астрономічна обсерваторія НАН України, м. Київ; завідувач відділом;

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Мальнєв Вадим Миколайович, Київський національній університет імені Т. Шевченка; професор;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Цап Юрій Теодорович, НДІ “Кримська астрофізична обсерваторія” Міністерства освіти і науки України, Крим, с. Наукове; старший науковий співробітник;

Провідна установа: Радіоастрономічний інститут НАН України, м. Харків.

Захист відбудеться 16 квітня 2004 р. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.208.01 при Головній астрономічній обсерваторії НАН України за адресою: ГАО НАНУ, 03680 МСП, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, 27. Початок засідань о 10 годині.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ГАО НАНУ за адресою: ГАО НАНУ, 03680 МСП, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, 27.

Автореферат розісланий “27”лютого 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат фізико-математичних наук Васильєва І.Е.

хвиля трансформація сонячний магнітосфера

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

В дисертації викладені результати теоретичного дослідження трансформації та нелінійної взаємодії магнітогідродинамічних хвиль у сонячній атмосфері та в магнітосфері Землі з врахуванням впливу кінетичних ефектів (скінченності ларморівського радіуса іонів та інерції електронів).

Актуальність теми. Хвильові явища відіграють виключно важливу роль у космічних умовах. Одним із найбільш розповсюджених типів хвиль у космосі є магнітогідродинамічні хвилі. З низькочастотними магнітогідродинамічними хвилями зв'язані такі проблеми як нагрів сонячної корони [12,14], трансформація й перенос енергії у системі Сонце-Земля. Більша частина геомагнітних пульсацій у сонячному вітрі та в магнітосфері Землі також є магнітогідродинамічними хвилями [11,15]. Дані супутникових спостережень у міжпланетному просторі показують, що більшу частину турбулентних пульсацій складають альвенівські й магнітозвукові хвилі [20]. Високочастотні хвильові явища визначають нерівноважне випромінювання плазми в радіо- і більш короткохвильовому діапазоні електромагнітних хвиль. Хвильові явища визначають структуру й динаміку сонячного вітру та його взаємодію з магнітосферою Землі та планет.

Незважаючи на успіхи лінійної теорії хвильових процесів, часто виникає необхідність більш складного нелінійного розгляду з участю декількох хвиль різних типів. Інтерес до нелінійних хвильових процесів зв`язаний з активними експериментами в космосі, із проблемою нагріву сонячної корони, спорадичним радіовипромінюванням Сонця та з іншими проблемами фізики космосу. Проблеми трансформації та дисипації хвильової енергії у космосі також пов`язані з нелінійною взаємодією хвиль. Одним з найбільш ефективних механізмів дисипації енергії хвиль у космосі є нелінійна трихвильова взаємодія.

Останнім часом особлива увага приділяється проблемі врахування впливу теплових ефектів на нелінійні процеси, які протікають з участю альвенівських хвиль. Донедавна вважалося, що альвенівські хвилі - це частина коливань, основні характеристики якої визначаються магнітогідродинамічним рухом холодної плазми. Однак з'ясувалося, що врахування теплових ефектів (скінченності ларморівського радіуса протонів) і інерції електронів приводить до істотних змін дисперсійних характеристик хвиль. Альвенівські хвилі з урахуванням теплових ефектів називаються кінетичними альвенівськими хвилями (КАХ), хоча їхні властивості добре описуються дворідинною магнітною гідродинамікою. Важливу роль при дослідженні кінетичних альвенівських хвиль відіграє плазмовий параметр . При , основну роль відіграє ефект, зв'язаний з врахуванням скінченності ларморівського радіуса протонів, а при - ефект, обумовлений врахуванням скінченності маси електронів. У цьому випадку кінетичні альвенівські хвилі називаються інерційними альвенівськими хвилями. Хоча кінетичні альвенівські хвилі і зберігають основні властивості магнітогідродинамічних альвенівських хвиль, вони мають також і деякі нові властивості: енергія кінетичних альвенівських хвиль може переноситися як уздовж, так і поперек зовнішнього магнітного поля (тому що частота хвилі залежить як від повздовжньої, так і від поперечної компоненти хвильового вектора), з'являється відмінна від нуля повздовжня компонента електричного поля. Завдяки своїм специфічним властивостям, вони більш ефективно взаємодіють як між собою, так і з іншими типами хвиль, а також із частками плазми. Виявилося, що кінетичні альвенівські хвилі відіграють важливу роль у характерних для космічної плазми процесах: нелінійна взаємодія й трансформація хвиль, нагрів плазми, прискорення заряджених часток, перенос енергії сонячного вітру в магнітосферу Землі. Тому вивчення трансформації і нелінійної взаємодії магнітогідродинамічних хвиль у сонячній атмосфері та в космічній плазмі, з урахуванням впливу кінетичних ефектів є актуальною проблемою космічної фізики.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлені в дисертації дослідження виконувалися за планом наукових тем відділу фізики космічної плазми ГАО НАНУ:

“Ефекти магнітної геометрії і хвильові турбулентності в динаміці сонячної і магнітосферної плазми”, шифр 1.4.6/4-180В, №держ.реєстрації 0198U001452, 1998-2002.

“Процеси спектрального переносу і трансформації хвильової енергії у космічній плазмі”, шифр 1.4.6/205-У, №держ.реєстрації 0103U001177, 2003-2005.

Мета і завдання дослідження. Вивчення трансформації та нелінійної взаємодії магнітогідродинамічних хвиль у сонячній атмосфері та в магнітосфері Землі з врахуванням впливу кінетичних ефектів (скінченності ларморівського радіуса протонів і інерції електронів).

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна роботи складається з наступного. При дослідженні трансформації та нелінійної взаємодії магнітогідродинамічних (МГД) хвиль з іншими типами хвиль враховувались кінетичні ефекти (скінченність ларморівського радіуса протонів та інерція електронів) в МГД хвилях. Завдяки врахуванню кінетичних ефектів в МГД хвилях були отримані нові канали розпаду хвиль, а також нові механізми трансформації енергії з області великомасштабних МГД хвиль в дисипативну область, де МГД турбулентність існує як кінетичні альвенівські хвилі (КАВ). Зокрема було отримано:

нові нелінійні механізми трансформації альвенівських хвиль зсуву в кінетичні альвенівські хвилі у сонячній короні та в магнітосфері Землі;

новий нелінійний механізм трансформації магнітозвукових хвиль у кінетичні альвенівські хвилі в сонячній короні та в магнітосфері Землі;

нелінійний механізм трансформації альвенівських хвиль зсуву в альвенівські хвилі стиснення і іонно-звукові хвилі у сонячній короні;

нелінійний механізм генерації високочастотних електронно-звукових й інерційних альвенівських хвиль в космічних умовах;

нелінійний механізм збудження нижньогібридних та іонно-звукову хвиль.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані теоретичні результати вносять певний вклад у теорію трансформації та нелінійної взаємодії хвиль в космосі. Результати можуть бути використані для пояснення даних супутникових спостережень та для підготовки нових супутникових експериментів. Наукові результати можуть бути використані в НДІ “Кримська астрофізична обсерваторія” Міністерства освіти і науки України, в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна, Київському національному університеті ім. Т. Шевченко, Інституті космічних досліджень НАНУ й НКАУ, Радіоастрономічному інституті НАНУ, Інституті іоносфери НАН та МОН України й в інших наукових установах України.

Особистий внесок здобувача. Усі результати, викладені в дисертації, отримані автором самостійно чи при його безпосередній участі. В роботах [1-4,6] автор приймав активну участь у постановці задач; проведенні аналітичних розрахунків; обговоренні отриманих результатів. В роботах [5,7-9] автор самостійно провів теоретичні розрахунки. Автор також приймав участь у написанні всіх наукових робіт, опублікованих за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідалися на:

міжнародній конференції ”Астрономія в Україні-2000 і перспектива”, Київ, 2000;

колоквіумі ESA (Cospar - ESA colloquium “Acceleretion and hеаting in the magnetosphere”), Польща, 2001;

першій Українській конференції по перспективним космічним дослідженням, Київ, 2001;

27-й європейській генеральній асамблеї (27^th EGS general assembly), Ница, Франція, 2002;

другій Українській конференції по перспективним космічним дослідженням, Кацивелі, 2002;

конференції NATO “Турбулентність, хвилі й нестійкості у сонячній плазмі” (The NATO workshop “Turbulence, waves and instabilities in the solar plasma”), Будапешт, Угорщина, 2002;

30-й європейській конференції по фізиці плазми (30^th EPS conference on contr. fusion and plasma phys.), Санкт-Петербург, Росія, 2003;

третій Українській конференції по перспективним космічним дослідженням, Кацивелі, 2003;

об`єднаному астрофізичному семінарі Головної астрономічної обсерваторії НАН України

семінарах відділу фізики космічної плазми Головної астрономічної обсерваторії НАН України

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані протягом 2000-2003р.; статті в рецензованих наукових журналах [1-7,9] - 8, матеріали конференцій [8] - 1.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків і списку використаної літератури, що містить 106 найменувань. Загальний обсяг дисертації складає 126 сторінок, 4 малюнки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дається загальна характеристика роботи, обгрунтовується актуальність теми дисертації, формулюються мета і задача дослідження, визначаються наукова і практична цінність отриманих результатів, приводяться дані стосовно апробації роботи, публікації, структури й обсягу дисертації.

Розділ 1. Хвильові процеси в сонячній атмосфері та в космічній плазмі. Перший розділ присвячено огляду літератури по темі дисертації. Вивчення хвильових процесів у космічних умовах є одною з основних проблем фізики космосу. Для аналізу електромагнітних явищ на Сонці, в сонячному вітрі та плазмовій оболонці Землі необхідно знати основні характеристики типів хвиль та границі зміни їх параметрів. В замагніченій космічній плазмі може одночасно існувати велика кількість різних типів хвиль, тому загальна картина хвильових процесів у космічній плазмі дуже складна. В роботі основна увага приділяється дослідженню найбільш розповсюдженому типу хвиль в космосі - магнітогідродинамічним (МГД) хвилям. Магнітогідродинамічні альвенівські хвилі були відкриті відомим шведським астрономом і астрофізиком Альвеном [10].

У наближенні однорідинної магнітної гідродинаміки альвенівські хвилі представляють собою коливання магнітних силових ліній. Закон дисперсії для альвенівських хвиль є лінійним і визначається виразом:

, (1)

де - повздовжня (відносно зовнішнього магнітного поля) компонента хвильового вектора, - альвенівська швидкість.

Хвилі з законом дисперсії (1) у літературі часто називають альвенівськими хвилями зсуву, а хвилі із законом дисперсії:

, (2)

де , альвенівськими хвилями стиснення, або магнітозвуковими хвилями.

МГД хвилі відіграють важливу роль у динаміці магнітосфери Землі, сонячного вітру й атмосфери Сонця. Дані супутникових спостережень показують, що велика частина турбулентних пульсацій у сонячному вітрі є альвенівськими й магнітозвуковими хвилями [20]. Прийнято вважати, що вони відіграють основну роль у нагріванні сонячного вітру. МГД хвилі також відіграють важливу роль у сонячній атмосфері і як головні джерела атмосферних явищ, і як діагностичні інструменти для дослідження внутрішньої структури і фізичних властивостей магнітних конфігурацій, які спостерігаються на Сонці.

Дисперсійне рівняння (1) не залежить від перпендикулярної (відносно зовнішнього магнітного поля) компоненти хвильового вектора і групова швидкість спрямована точно уздовж зовнішнього магнітного поля . Енергія хвилі переноситься тільки уздовж і хвильовий рух по кожній силовій лінії не залежить від хвиль на сусідніх силових лініях.Слід зазначити, що в плазмі важливу роль грає плазмовий параметр . В залежності від його величини істотними стають ті чи інші ефекти. Наприклад, якщо задовольняє нерівності , то основний вплив на дисперсійні властивості альвенівських хвиль має врахування скінченності ларморівського радіуса протонів.

У цьому випадку дисперсійне рівняння в наближенні дворідинної магнітної гідродинаміки має вид:

, (3)

де - ларморівський радіус іонів.

Якщо плазмовий параметр задовольняє умові , то дисперсійне рівняння для альвенівських хвиль має вид:

, (4)

де - електронна інерційна довжина. Таким чином, у виразі (4) замість довжини ларморівського радіуса протонів з'являється новий параметр - електронна інерційна довжина. Хвилі з законом дисперсії (4) у літературі прийнято називати інерційними альвенівськими хвилями, підкреслюючи тим самим вплив інерції електронів на динаміку альвенівських хвиль.

Як видно з виразу (3) частота хвилі залежить як від , так і від і, отже, перпендикулярна компонента групової швидкості не дорівнює нулю. Таким чином, крім руху уздовж силових ліній з'являється повільний рух поперек магнітного поля. Крім цього, повздовжня компонента електричного поля виявляється відмінною від нуля. Для класичних МГД альвенівських хвиль із законом дисперсії (1) . Завдяки існуванню повздовжньої компоненти електричного поля і залежності частоти від , кінетичні альвенівські хвилі (КАХ) більш ефективно взаємодіють як між собою, так і з іншими типами хвиль.

Підвищений інтерес до КАХ [16,18,22] обумовлений тим, що завдяки своїм специфічним властивостям вони відіграють важливу роль у багатьох фізичних процесах що відбуваються в космічному середовищі: нелінійна взаємодія і трансформація хвиль, нагрів плазми й прискорення часток, перенос енергії в системі Сонце-Земля та інших.

Нижньогібридні хвилі є одним з найбільш розповсюджених типів хвиль у космічній плазмі. Вони відіграють важливу роль у багатьох областях фізики космосу. Їх виникнення зв`язано з потоками заряджених часток. Нижньогібридні хвилі - це потенційні хвилі і тому на поверхні Землі вони не реєструються. У навколоземній плазмі нижньогібридні хвилі реєструються за допомогою супутників. Аналіз супутникових спостережень [25,30] показує, що існує тісний зв'язок між вістлерами й нижньогібридними хвилями. Оскільки нижньогібридні хвилі фіксуються, як правило, після вістлерів, то можна припустити, що має місце трансформація енергії вістлерів і генерація нижньогібридної хвилі.

Численні супутникові спостереження, проведені в різних областях навколоземної плазми, указують на існування широкого спектру електростатичних і електромагнітних мод. Детальні дослідження електричних збурень уздовж силових ліній в авроральній області магнітосфери проводилися за допомогою супутників “Hawkeye -1” і IMP-6 [24,26], а також “Dynamics Explorer-1” [27]. У результаті було досліджено авроральне шипіння, виявлені так названі широкополосні електростатичні шуми (ШЕШ). Як показали експериментальні дані, генерація аврорального шипіння тісно зв'язана з поширенням і нестійкістю електронно-звукових [32] і вістлерівських [27] хвиль.

В кінці розділу 1 приведено короткий перелік питань, які, на думку автора, є актуальними і вимагають уважного розгляду і подальшого дослідження.

Розділ 2. Генерація кінетичних альвенівських хвиль у сонячній короні. Альвенівські хвилі є одним з найбільш розповсюджених типів хвиль у космічній плазмі, вони відіграють важливу роль у процесах нагрівання сонячної корони й сонячного вітру, прискоренні часток й переносу енергії від Сонця до Землі. У міжпланетній плазмі альвенівські хвилі були досліджені Белчером і Девісом за даними, отриманими на "Марінер-5" [20]. Автори знайшли, що зареєстровані альвенівські хвилі, як правило, поширювалися від Сонця. Енергія хвиль була часто порівнянна з енергією великомасштабного магнітного поля і тепловою енергією плазми. У той же час на частку магнітозвукових хвиль, за оцінками авторів, приходилося не більш 10% спектральної потужності. Одним із найзагадкових явищ на Сонці є надзвичайно висока температура сонячної корони, що досягає 10⁶ К (у порівнянні з К на рівні фотосфери). Для підтримування такої високої температури і компенсації радіаційного охолодження (характерний час якого порядку доби) необхідно постійний приплив теплової енергії. Вважається, що необхідна енергія переноситься альвенівськими хвилями, що збуджуються в нижніх шарах атмосфери Сонця. Однак МГД альвенівські хвилі є слабо згасаючими, тому виникає проблема передачі хвильової енергії часткам плазми.

У зв`язку з цим нами запропоновані нові механізми трансформації магнітогідродинамічних альвенівських хвиль зсуву в кінетичні альвенівські хвилі в сонячній короні та в магнітосфері Землі. Як механізм трансформації розглянуто параметричну нестійкість, де хвилею накачки є магнітогідродинамічна альвенівська хвиля зсуву, що у першому випадку розпадається на дві кінетичні альвенівські хвилі, а в другому - на магнітозвукову і кінетичну альвенівську хвилі. На базі дворідинної магнітної гідродинаміки знайдено нелінійні рівняння, що описують нелінійну взаємодію та рішення цих рівнянь. Отримані коефіцієнти зв`язку пропорційні кінетичній добавці в дисперсійному рівнянні для альвенівських хвиль. Таким чином, розглянуті нелінійні процеси є ефективними тільки при врахуванні скінченності ларморівського радіуса протонів у дисперсійному рівнянні для альвенівських хвиль. Розрахунки показують, що розглянуті нелінійні процеси є ефективними для сонячної корони та в магнітосфері Землі, де плазмовий параметр менше одиниці.

Розділ 3. Трансформація магнітозвукових хвиль у сонячній короні та в магнітосфері Землі. В розділі досліджується трансформація магнітозвукових хвиль у кінетичні альвенівські хвилі. Відомо, що в області частот крім альвенівської хвилі зсуву існує друга МГД хвиля, яку прийнято називати альвенівською хвилею стиснення, або магнітозвуковою хвилею. У відмінність від альвенівської хвилі зсуву, розповсюдження магнітозвукової хвилі призводить як до зміни густини плазми, так і тиску. Таким чином, у процесі розповсюдження магнітозвукової хвилі плазма буде як стискатися, так і розширюватися. Як і альвенівські хвилі зсуву, магнітозвукові хвилі відіграють важливу роль у динаміці навколоземної, міжпланетної та сонячної плазми. Магнітозвукові хвилі неодноразово реєструвалися за допомогою космічних апаратів. Зокрема, в магнітосфері Землі магнітозвукові хвилі були зареєстровані за допомогою супутника “Експлорер-26”, а в сонячному вітрі дані про магнітозвукові хвилі були отримані за допомогою “Марінер-5” та інших космічних апаратів. Магнітозвукові хвилі, як і альвенівські хвилі зсуву, приймають активну участь у різних нелінійних процесах. Прийнято вважати, що одним із найбільш ефективних механізмів дисипації енергії електромагнітних хвиль є нелінійна трихвильова взаємодія.

Запропоновано новий механізм трансформації магнітозвукових хвиль у кінетичні альвенівські хвилі в сонячній короні та в магнітосфері Землі. На основі дворідинної магнітної гідродинаміки отримано нелінійне дисперсійне рівняння, що описує трихвильову взаємодію. Показано, що в сонячній короні та в магнітосфері Землі, де плазмовий параметр <<1, можливий розпад магнітозвукової хвилі й збудження кінетичних альвенівських хвиль. При цьому зв'язок між хвилями визначається доданками в дисперсійному рівнянні для альвенівских хвиль, що враховують кінетичні (теплові) ефекти. Наявність зв'язку між хвилями приводить до розвитку параметричної нестійкості й перекачування енергії від великомасштабних альвенівських хвиль стиснення в дисипативну область, де МГД турбулентність існує у вигляді кінетичних альвенівських хвиль.

Розділ 4. Нелінійна взаємодія магнітогідродинамічних хвиль в сонячній короні. В розділі розглянуто нелінійну параметричну взаємодію альвенівських хвиль із магнітозвуковою та іонно-звуковою хвилями з врахуванням теплових ефектів. МГД хвилі відіграють важливу роль в атмосфері Сонця, оскільки вони є джерелом енергії для нагрівання сонячної корони [12,20]. Хвильової енергії альвенівських хвиль досить для нагрівання корональних петель [20]. Однак вони загасають слабко, і нездатні ефективно передавати енергію часткам плазми. Іонно-звукові і магнітозвукові хвилі, навпаки, загасають швидше. Тому, якщо відбудеться розпад альвенівської хвилі на магнітозвукову й іонно-звукову хвилі, то останні в результаті дисипації швидко передадуть свою енергію часткам плазми. У роботі [33,34] було показано, що процес утворення іонно-звукових хвиль з альвенівських хвиль ефективний в областях, де плазмовий параметр . Дисипація хвильової енергії відбувається на відстанях, порівнянних із довжиною корональних петель. Нелінійна взаємодія альвенівських і іонно-звукових хвиль у роботах [33,34] розглядалася для випадку лінійних законів дисперсії альвенівських і іонно-звукових хвиль, тобто без врахування теплових ефектів (скінченності ларморівського радіуса протонів). Однак у магнітосферній і корональній плазмі істотну роль відіграють теплові ефекти.

На основі дворідинної магнітної гідродинаміки нами розглянуто нелінійну взаємодію магнітогідродинамічних хвиль у сонячній короні. Хвилею накачки є альвенівська хвиля зсуву, що розпадається на магнітозвукову й іонно-звукову хвилю. Знайдено дисперсійне рівняння, що описує трихвильову взаємодію, інкремент та час розвитку нестійкості. Показано, що врахування кінетичних ефектів істотно впливає на нелінійну параметричну взаємодію хвиль. Отримані оцінки для інкремента розвитку нестійкості показують, що розглянутий нелінійний процес є ефективним в сонячній короні, де плазмовий параметр <<1.

Розділ 5. Нелінійний механізм генерації електронно-звукових хвиль у магнітосфері Землі. В розділі розглянуто нелінійну взаємодію між вістлерами та електронно-звуковими хвилями в авроральній області нижньої магнітосфери. Численні супутникові спостереження, проведені в різних областях навколоземної плазми, указують на існування широкого спектру електростатичних і електромагнітних хвильових мод. При цьому, велика кількість зареєстрованих хвиль може бути однозначно ідентифікована тому, що їхні дисперсійні властивості добре вивчені. Усередині авроральної області магнітосфери генерується найбільша частина енергії геомагнітних збурень [13,23]. Електричні збурення уздовж магнітних силових ліній у цій області були зареєстровані з використанням супутників OV1-10 [24], “Hawkeye-1” і IMP-6 [26], а також “Dynamics Explorer-1” [27]. У результаті були виміряні фізичні параметри часток і полів у полярній області магнітосфери Землі, досліджене авроральне шипіння, виявлені так названі широкополосні електростатичні шуми (ШЕШ), що являють собою імпульсні емісії електростатичних хвиль. Після запуску в 1986 році шведського супутника “Viking”, з'явилася можливість досліджувати ШЕШ, із більш високим часовим розширенням, що дозволило більш повно представити їхню частотну й енергетичну характеристики. На більш низьких висотах дослідження плазмових параметрів авроральної області проводилися з використанням супутника FREJA. У роботі [28] присвяченій аналізу деяких експериментальних даних отриманих на цьому супутнику відзначено, що квазіперіодичні електромагнітні моди в ОНЧ діапазоні (інерційні альвенівські хвилі) часто спостерігаються разом з електронними утвореннями, що поширюються уздовж магнітних силових ліній. При цьому енергія цих утворень зафіксована в діапазоні від декількох десятків еВ до декількох КeВ. Проведення таких послідовних супутникових досліджень у цих областях магнітосфери дало можливість на підставі існування ШЕШ, інерційних альвенівських хвиль і інших плазмових мод пояснити прискорення часток, і, зокрема, електронне прискорення [35]. Тому, досить цікавим є питання і про самий механізм виникнення різного роду періодичних чи квазіперіодичних електромагнітних структур. Як показали експериментальні дані, генерація аврорального шипіння тісно зв'язана з поширенням і нестійкістю електронно-звукових (ЕЗ) [32] і вістлерівських [27] хвиль. Тобто, ЕЗ хвилі є важливою ланкою для виникнення різних нелінійних хвильових процесів в авроральній області магнітосфери Землі.

На основі дворідинної магнітної гідродинаміки розглянуто параметричну нестійкість, у результаті якої вістлер, хвиля накачки, що поширюється в однорідній замагніченій елеткрон-іонній плазмі, де виконується умова ( - температура іонів, - температура електронів), розпадається на високочастотну електронно-звукову хвилю і інерційну альвенівську хвилю. Знайдено нелінійне дисперсійне рівняння, що описує трихвильову взаємодію. Показано, що нелінійний процес може відбуватися тільки при врахуванні скінченності маси електронів у дисперсійному рівнянні для інерційних альвенівських хвиль. Отримані оцінки для інкременту та часу розвитку нестійкості показують, що розглянутий нелінійний процес є ефективним в космічній плазмі, де <<1 та . Такі умови можуть виконуватись в магнітосфері Землі та в атмосфері Сонця.

Розділ 6. Параметричне збудження нижньогібридних хвиль у магнітосферній плазмі. У розділі проведене дослідження зв`язку між вістлерами та нижньогібридними хвилями в магнітосферній плазмі. Нижньогібридні хвилі є одним з найбільш розповсюджених типів хвиль у космічній плазмі. Вони відіграють важливу роль у багатьох областях фізики космосу. Їх виникнення зв`язано з потоками заряджених часток. Нижньогібридні хвилі (НГХ) - це потенційні хвилі і тому на поверхні Землі вони не реєструються. Вони спостерігались під час польотів космічних апаратів “Алует-1” [19], “Алует-2” [21], ОГО-1 тa ОГО-2. Нижньогібридні хвилі спостерігались в різних областях магнітосфери: в магнітосферному хвості [29], на магнітопаузі [17], а також у нижніх областях магнітосфери Землі [31].

Важливою властивістю нижньогібридних хвиль є їхня здібність зв`язувати легкі, швидкі електрони з повільними, тяжкими іонами в резонансній взаємодії хвиля-частка. Електрони в цих хвилях сильно замагнічені і рухаються, головним чином, уздовж магнітних силових ліній. При цьому, якщо частота хвилі задовольняє умові резонансу Ландау:

, (5)

де і - паралельні складові (відносно зовнішнього магнітного полючи) хвильового вектора і швидкості електронів, то електрони будуть одержувати енергію від хвилі чи віддавати її хвилі. Але, оскільки частота ларморівського обертання іонів значно менше частоти НГХ, іони не відчують впливу на них зовнішнього магнітного поля. Хвильові вектора НГХ майже перпендикулярні магнітним силовим лініям ( ). У результаті, незамагнічені іони осцилюють поперек магнітних силових ліній під впливом середньої поперечної компоненти електричного поля (). Тому для іонів умова резонансу має вид:

. (6)

З умов резонансу для електронів (5) та іонів (6) легко бачити, що НГХ можуть одночасно знаходитися в резонансі як із швидкими замагніченими електронами, так і з повільними незамагніченими іонами. При цьому енергія може переходити від однієї плазмової компоненти до іншої.

Аналіз супутникових спостережень показує, що існує тісний зв'язок між вістлерами й нижньогібридними хвилями. Оскільки нижньогібридні хвилі фіксуються, як правило, після вістлерів, то можна припустити, що має місце трансформація енергії вістлерів і генерація нижньогібридних хвиль. В зв`язку з цим виникає питання, яким чином відбувається трансформація вістлерів у нижньогібридні хвилі. Одним із можливих механізмів є нелінійна параметрична взаємодія хвиль. Найбільш ефективним є трихвильова параметрична взаємодія.

Нами досліджена нелінійна параметрична взаємодія вістлерів із нижньогібридними та іонно-звуковими хвилями. На основі дворідинної магнітної гідродинаміки отримано нелінійне дисперсійне рівняння, що описує нелінійну взаємодію хвиль, інкремент та час розвитку нестійкості. Отримані оцінки для інкреметну та часу розвитку нестійкості показують, що розглянутий нелінійний процес може розвиватися в магнітосферній плазмі. Результати теорії узгоджуються з даними супутникових спостережень. Слід зауважити, що подібні нелінійні явища можуть спостерігатись на Сонці, Юпітері та інших космічних об`єктах.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі проведене теоретичне дослідження трансформації великомасштабних МГД хвиль в короткохвильову дисипативну область в атмосфері Сонця та магнітосфері Землі. В результаті проведених досліджень були отримані нові механізми передачі енергії від класичних МГД хвиль у кінетичні альвенівські хвилі. Розглянуто механізми генерації інерційних альвенівських хвиль, нижньогібридних та електронно-звукових хвиль в космічних умовах.

1. Запропоновані нові нелінійні механізми трансформації МГД альвенівських хвиль в кінетичні альвенівські хвилі. Як механізми трансформації розглянуто параметричну нестійкість, де хвилею накачки є магнітогідродинамічна альвенівська хвиля, що у першому випадку розпадається на дві кінетичні альвенівські хвилі, а в другому - на магнітозвукову і кінетичну альвенівську хвилі. Знайдені нелінійні рівняння, що описують нелінійну взаємодію хвиль і рішення цих рівнянь. При отриманні дисперсійних рівнянь були враховані теплові ефекти в динаміці альвенівських хвиль. Отримані коефіцієнти зв`язку пропорційні кінетичній добавці в дисперсійному рівнянні для альвенівських хвиль. Таким чином, розглянуті розпадні процеси можливі тільки при врахуванні скінченності ларморівського радіуса протонів у дисперсійному рівнянні для альвенівських хвиль. Розрахунки показують, що розглянуті нелінійні процеси є ефективними для сонячної корони та магнітосфери Землі, де плазмовий параметр менше одиниці.

2. Запропоновано новий механізм трансформації магнітозвукових хвиль у кінетичні альвенівські хвилі. На основі дворідинної магнітної гідродинаміки отримано нелінійне дисперсійне рівняння, що описує трихвильову взаємодію. Показано, що в замагніченій плазмі з малим плазмовим параметром можливий розпад магнітозвукової хвилі й збудження кінетичних альвенівських хвиль. При цьому зв'язок між хвилями визначається доданками в дисперсійному рівнянні для альвенівських хвиль, що враховують кінетичні ефекти. Наявність зв'язку між хвилями приводить до розвитку параметричної нестійкості й перекачування енергії від магнітозвукової хвилі до кінетичних альвенівських хвиль. Отримані оцінки для інкременту та часу розвитку нестійкості показують, що розглянутий нелінійний процес є ефективним для магнітосферної та корональної плазми, де <<1.

3. На основі дворідинної магнітної гідродинаміки розглянута нелінійна взаємодія магнітогідродинамічних хвиль у сонячній короні. Хвилею накачки є альвенівська хвиля зсуву, яка розпадається на магнітозвукову й іонно-звукову хвилю. Знайдено дисперсійне рівняння, що описує трихвильову взаємодію, інкремент і час розвитку нестійкості. Отримані оцінки для інкременту розвитку нестійкості показують, що розглянутий нелінійний процес може мати місце в сонячній короні, де плазмовий параметр <<1.

4. Запропоновано нелінійний механізм генерації інерційних альвенівських хвиль у магнітосфері Землі. Як механізм генерації розглянуто параметричну нестійкість, де хвилею накачки є вістлер (свистячий атмосферик). На основі дворідинної магнітної гідродинаміки отримано нелінійне дисперсійне рівняння, що описує нелінійну взаємодію хвиль. Знайдені коефіцієнти зв`язку виявилися пропорційними електронній інерційній довжині, що вказує на те, що розглянутий процес можливий тільки при врахуванні скінченності маси електронів в динаміці альвенівських хвиль. Отримані оцінки для інкременту та часу розвитку нестійкості показують, що даний процес є ефективним для магнітосферної плазми. Теоретичні результати узгоджуються з даними спостережень супутника FREJA.

5. Вивчено зв`язок вістлерів із нижньогібридними хвилями. На основі дворідинної магнітної гідродинаміки отримані нелінійно дисперсійне рівняння, яке описує трансформацію вістлера в нижньогібридні та іонно-звукові хвилі. Як додаток до отриманих теоретичних результатів розглянуто магнітосферу Землі. Отримані оцінки для інкременту та часу розвитку нестійкості показують, що розглянутий нелінійний процес може розвинутися в магнітосферній плазмі. Результати теорії узгоджуються з даними супутникових спостережень, які вказують на існування такого зв`язку.

Таким чином, завдяки врахуванню теплових ефектів та інерції електронів в динаміці альвенівських хвиль нами отримані нові механізми трансформації великомасштабних альвенівських хвиль у дисипативну короткохвильову область, де МГД турбулентність існує як кінетичні альвенівські хвилі.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

Yukhimuk A.K., Fedun V.M., Sirenko E.K., Voitenko Yu. M., Voytsekhovskaya A.D. Nonlinear interaction of MHD waves and solar corona heating // Кинематика и физика небесных тел (приложение). - 2000. - N3. - C. 477-480.

Федун В.Н., Юхимук А.К, Войтенко Ю.М., Войцеховская А.Д., Черемных О.К. Параметрическое возбуждение нижнегибридных волн в магнитосферной плазме // Кинематика и физика небесных тел. - 2001. - T.17, N5. - C. 437-445.

Voitenko Yu. M., Goosses M., Yukhimuk A.K., Voytsekhovskaya A.D. Alfven waves in space plasmas: dispersive and kinetic effects // Космическая наука и технология (приложение). - 2001. - T.7, N2. - C. 67-73.

Федун В.Н., Юхимук А.К, Войцеховская А.Д., Черемных О.К. О генерации высокочастотных электронно-звуковых волн в магнитосфере Земли // Кинематика и физика небесных тел. - 2002. - T.18, N3. - C. 273-271.

Федун В.Н., Юхимук А.К., Войцеховская А.Д., Черемных О.К. Трансформация альвеновских МГД-волн в космической плазме // Кинематика и физика небесных тел. - 2002. - T.18, N5. - C. 441-449.

Федун В.Н., Юхимук А.К., Войцеховская А.Д., Черемных О.К. Нелинейное взаимодействие вистлеров и инерционных альвеновских волн в магнитосфере Земли // Космическая наука и технология. - 2002. - T.8, N5/6. - C. 96-101.

Юхимук А.К, Федун В.Н., Войцеховская А.Д., Черемных О.К. О генерации кинетических альвеновских волн в космической плазме // Космическая наука и технология (приложение). - 2003. - T.9, N2. - C. 228-236.

Voitsekhovskaia A.D., Yukhimuk A.K., Fedun V.N. Nonlinear mechanism of the generation of KAW in plasma with low plasma parameter // Procced. 30th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Phys., St. Petersburg. - 2003. - 27A. - P. - 2.204 - 2.207.http://eps2003.ioffe.ru/PDFS/P2_204.PDF.

Войцеховская А.Д., Федун В.Н., Черемных О.К., Юхимук А.К. Трансформация магнитозвуковых волн в космической плазме // Кинематика и физика небесных тел. - 2003. - T.19, N4. - C. 328-333.

АНОТАЦІЇ

Войцеховська А.Д. Трансформація та нелінійна взаємодія хвиль в сонячній атмосфері та в космічній плазмі. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.03 - Геліофізика і фізика Сонячної системи. - Головна астрономічна обсерваторія НАН України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена дослідженню трансформації та нелінійної взаємодії хвиль в сонячній атмосфері та в магнітосфері Землі. З врахуванням кінетичних ефектів в динаміці альвенівських хвиль отримано ряд нових нелінійних механізмів трансформації великомасштабних МГД хвиль в дисипативну короткохвильову область, де МГД турбулентність існує в якості кінетичних альвенівських хвиль. Виявлено, що врахування кінетичних ефектів в альвенівських хвилях суттєво впливає на процеси трансформації та нелінійної взаємодії МГД хвиль як між собою, так і з іншими типами хвиль.

На основі дворідинної магнітної гідродинаміки розглянуто нелінійні механізми генерації кінетичних альвенівських хвиль, інерційних альвенівських хвиль, альвенівських хвиль стиснення, електронно-звукових та нижньогібридних хвиль.Як додаток до отриманих теоретичних результатів розглянуто атмосферу Сонця та магнітосферу Землі. Отримані оцінки показують, що розглянуті нелінійні процеси є ефективними як на Сонці, так і в магнітосфері Землі, де плазмовий параметр менше одиниці.

Ключові слова: Сонце, сонячна корона, магнітна гідродинаміка, МГД хвилі, нелінійна взаємодія хвиль, трансформація хвиль.

Voitsekhovskaia A.D. Transformation and nonlinear interaction of waves in the solar atmosphere and space plasma.- Manuscript. Candidate degree thesis. Speciality 01.03.03. - Heliophysics and physics of Solar system. - Main Astronomical Observatory of National Academy of Science of Ukraine, Kyiv,2003.

The thesis is dedicated to study of transformation and nonlinear interaction of waves in the solar atmosphere and Earth's magnetosphere. A set of new transformation mechanism for the widescale MHD waves is obtained, taking into account the kinetic effects in the Alfven waves dynamics. The MHD waves dissipated into a short-wavelengths region where the MHD turbulence exists in a form of kinetic Alfven waves. It is shown that the account for the kinetic effects in the Alfven waves essentially influences the processes of transformation and nonlinear interaction of the MHD waves both between itself, and with other types of waves.

On the basis of the two-fluid MHD the nonlinear mechanism of generation of the kinetic Alfven waves, inertial Alfven waves, compressible Alfven waves, electron-sound and low-hybrid waves are considered.

Additionally, we apply our theoretical results to the case of the solar atmosphere and Earth's magnetosphere. The estimations obtained show that the considered nonlinear processes are effective both in the Sun, and in the Earth's magnetosphere, where the plasma parameter is lower than one.

Key words: Sun, solar corona, magnetohydrodynamics, MHD waves, nonlinear interaction of waves, waves transformation.

Войцеховская А.Д. Трансформация и нелинейное взаимодействие волн в солнечной атмосфере и в космической плазме. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.03.03 - Гелиофизика и физика Солнечной системы. - Главная астрономическая обсерватория НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертация посвящена изучению трансформации и нелинейного взаимодействия магнитогидродинамических волн в солнечной атмосфере и в магнитосфере Земли, с учетом влияния кинетических эффектов. Показано, что учет конечности ларморовского радиуса протонов и массы электронов в дисперсионном уравнении для альвеновских волн существенно влияет на процессы нелинейного взаимодействия волн как между собой, так и с другими типами волн.

Предложены новые механизмы трансформации МГД альвеновских волн в кинетические альвеновские волны. В качестве механизмов трансформации рассмотрена параметрическая неустойчивость, где волной накачки является магнитогидродинамическая альвеновская волна, которая в первом случае распадается на две кинетические альвеновские волны, а во втором - на магнитозвуковую и кинетическую альвеновскую волны. Показано, что рассмотренные нелинейные процессы являются эффективными только при учете конечности ларморовского радиуса протонов в дисперсионном уравнении для альвеновских волн. Расчеты показывают, что рассмотренные нелинейные процессы эффективны для солнечной короны и магнитосферы Земли, где плазменный параметр меньше единицы.

Предложен новый механизм трансформации магнитозвуковых волн в кинетические альвеновские волны в солнечной короне и в магнитосфере Земли. Показано, что связь между волнами определяется слагаемыми в дисперсионном уравнении для альвеновских волн, которые учитывают тепловые эффекты. Полученные оценки для инкремента развития неустойчивости показывают, что рассмотренный нелинейный процесс эффективен для магнитосферной и солнечной корональной плазмы, где плазменный параметр <<1.

Рассмотрено нелинейное взаимодействие магнитогидродинамических волн в солнечной короне. Волной накачки является альвеновская волна сдвига, которая распадается на магнитозвуковую волну и ионно-звуковую волну. Полученные оценки для инкремента развития неустойчивости показывают, что рассмотренный нелинейный процесс может иметь место в солнечной короне, где плазменный параметр <<1.

Предложен нелинейный механизм генерации инерциальных альвеновских волн в магнитосфере Земли. В качестве механизма генерации рассмотрена параметрическая неустойчивость, где волной накачки является вистлер. Показано, что рассмотренный нелинейный процесс возможен только при учете конечности массы электронов в дисперсионном уравнении для альвеновских волн. Полученные оценки для инкремента развития неустойчивости показывают, что данный процесс эффективен для магнитосферной плазмы. Данные, полученные с помощью спутника FREJA, показывают, что в магнитосфере Земли существуют альвеновские волны с поперечной длиной волны порядка электронной инерционной длины. Результаты теории согласуются с данными наблюдений спутника FREJA.

Рассмотрено параметрическое распадное взаимодействие вистлеров с нижнегибридными и ионно-звуковыми волнами. Показано, что вистлер может распадаться на нижнегибридные и ионно-звуковые волны. Выводы теории согласуются с данными спутниковых наблюдений.

Таким образом, благодаря учету тепловых эффектов и инерции электронов в динамике альвеновских волн, нами получены новые механизмы трансформации крупномасштабных альвеносвких волн в диссипативную коротковолновую область, где МГД турбулентность существует в качестве кинетических альвеновских волн.

Ключевые слова: Солнце, солнечная корона, магнитная гидродинамика, МГД волны, нелинейное взаимодействие волн, трансформация волн.

Размещено на Allbest.ru