НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ

Івченко Василь Миколайович

УДК 551.510

ПЛАЗМОВІ ЗБУРЕННЯ ПРИРОДНОГО ТА ШТУЧНОГО ПОХОДЖЕННЯ В НАВКОЛОЗЕМНОМУ КОСМІЧНОМУ ПРОСТОРІ

01.03.03. геліофізика і фізика Сонячної системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Київ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Черногор Леонід Феоктистович,

Харківський національний університет імені В.Н.Каразіна; професор кафедри

космічної радіофізики;

доктор фізико-математичних наук, професор Левитський Сергій Михайлович,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка; професор кафедри напівпровідникової електроніки;

доктор фізико-математичних наук, професор Таран Віталій Іванович,

Інститут фізики іоносфери НАНУ і Міносвіти України; директор.

Провідна установа: Радіоастрономічний інститут НАН України, м. Харків

відділ іоносферного поширення радіохвиль

Захист відбудеться " 14 " грудня 2000 р. на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д26.208.01 при Головній астрономічній обсерваторії НАН України за адресою: ГАО НАНУ, Голосіїв, Київ-127, 03680.

Початок засідань о 10 годині.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ГАО НАНУ за адресою: ГАО НАНУ, Голосіїв, Київ-127, 03680.

Автореферат розісланий " 11 " листопада 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат фізико-математичних наук Гусєва Н.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертація присвячена експериментальним дослідженням штучних та природних плазмових неоднорідностей в іоносфері та магнітосфері планети Земля. Штучні плазмові неоднорідності генерувались шляхом інжекції з космічних апаратів електронних пучків та парів барію.

Вступ. Картина будови іоносфери й магнітосфери Землі та їх взаємодії із сонячним вітром і короткохвильовим випромінюванням Сонця стала зрозумілою в загальних рисах на початку 70-х років. Але детальне вивчення динаміки процесів у навколоземному космічному просторі (НЗКП) і розробка моделей для прогнозу варіацій іоносферних та магнітосферних параметрів далекі від завершення.

З точки зору фундаментальних наук фізика процесів в НЗКП є дуже цікавою. Земля зі своїм найближчим оточенням - іоносферою та магнітосферою - рухається в геліосфері, яка є нестаціонарною завдяки проявам сонячної активності. Динамічна взаємодія магнітосфери з геліосферою породжує цілу низку нестаціонарних процесів, які, у свою чергу, впливають на стан іоносфери, викликають локальні та глобальні збурення магнітного поля Землі, породжують доволі складні процеси в авроральній зоні. В результаті відбуваються регулярні та спорадичні варіації іоносферних і магнітосферних параметрів, які реєструються методами наземних оптичних, радіофізичних та магнітометричних вимірювань, а також у прямих супутникових спостереженнях.

У 90-х роках значна увага стала приділятися комплексним підходам в дослідженні цих процесів. Проблема сонячно-земних зв'язків виявилась надзвичайно складною та багатовимірною. Все більше прихильників завойовує міжнародна програма досліджень "космічної погоди" ("Space Weather"), яка ставить своєю метою моніторинг НЗКП і вивчення впливу факторів сонячної активності для точного прогнозу стану навколоземного космосу та впливів на біосферу і діяльність цивілізації. Незважаючи на величезний обсяг даних вимірювань параметрів НЗКП, фізика багатьох процесів до кінця не встановлена.

Найбільш складними для кількісного пояснення залишаються динамічні процеси взаємодії сонячного вітру з магнітосферою Землі, процеси прискорення частинок у магнітосфері, пов`язані із суббурями динамічні процеси в магнітосфері, взаємодія магнітосфери з іоносферою та іоносфери з нейтральною атмосферою. Магнітосфера Землі ще недавно була єдиною планетною магнітосферою, доступною для тривалого та детального експериментального вивчення.

До останнього часу при вивченні динаміки іоносфери вважалось, що стан іоносфери повністю залежить від електромагнітного й корпускулярного випромінювання Сонця та від висипання частинок із магнітосфери. З іншого боку, накопичено немало експериментальних фактів, які свідчать, що на стан іоносфери також впливають потоки енергії, які проникають в іоносферу знизу - з нижньої атмосфери, поверхні Землі та літосфери. Особливо яскраво ці ефекти помітні в періоди з низькою сонячною та геомагнітною активністю. Так, в останні роки активно розвивається науковий напрямок, пов'язаний з вивченням електричних розрядів вгору ("red sprites", "elves" and "blue jets"), які виникають між верхньою частиною потужних грозових фронтів та іоносферою.

Великий інтерес викликає вивчення впливу сейсмічних явищ на іоносферні процеси, особливо, іоносферних провісників землетрусів. З фундаментальної точки зору, не менш важливим є аналіз зв`язку стану іоносфери з потужними проявами погодних процесів - циклонами, тайфунами, тропічними грозовими фронтами та ін.

Особливу увагу привертають відгуки іоносфери на техногенні впливи контрольованого характеру: різні види керованих експериментів, які мають за мету саме вивчення таких впливів, та процеси, для яких вплив на іоносферу є побічним результатом, часто непередбачуваним і неконтрольованим: запуски потужних ракет та спуск космічних апаратів, робота потужних передавачів і радіолокаторів, функціонування потужних енергомереж (з промисловою частотою 50 - 60 Гц); випробування ядерної зброї, в т.ч. підземні; катастрофічні аварії з великим виділенням енергії.

Перспективним, хоча і коштовним, методом дослідження НЗКП є активні експерименти в космосі. Метод активних експериментів полягає в дослідженні реакції середовища на контрольовані збудження, а також моделюванні природних процесів. Певною стадією активних експериментів є вивчення самих інструментів, за допомогою яких вноситься контрольоване збурення. Оптичні методи діагностики процесів, які відбуваються в ході керованих експериментів, є одними з найбільш інформативних та наочних.

Актуальність теми. Дослідження динаміки штучних та природних плазмових неоднорідностей в іоносфері та магнітосфері Землі дозволяє встановити суть фізичних процесів, які відбуваються в навколоземному космосі. Плазмові неоднорідності є своєрідним зондом при вимірюванні вітрів, дрейфів, електричних та магнітних полів в іоносфері та магнітосфері. Вивчення НЗКП має за мету не лише розвиток фундаментальних наук. По-перше, на навколоземних орбітах працює декілька сот КА, досить часто виконуються пілотовані польоти, а через 2-3 роки буде працювати в пілотованому режимі міжнародна космічна станція. Вплив активних процесів в НЗКП на автоматичні КА та екіпажі може бути досить суттєвим, тому необхідно не тільки вивчати такі процеси, а й навчитися їх прогнозувати. По-друге, НКЗП є активним фільтром, через який різноманітні прояви сонячної активності впливають на нижню атмосферу та біосферу, а отже, і на діяльність людства. Побудова фізичних моделей сонячно-земних зв`язків дозволить вийти за межі чисто статистичних досліджень впливу сонячної активності на біосферу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках програм фундаментальних досліджень, які проводилися в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка: а) Бюджетні теми КУ №632 "АПЕКС"; №455 "Дослідження нестаціонарних процесів в іоносфері та магнітосфері Землі" (1992-95 рр., № держ. реєстр. 0193U044513); №111 "Природні та штучні збурення в іоносфері" (1994-96 рр., № держ. реєстр. 0194U018147); б) Проект 6.3/117 "Шлейф" ДКНТ України (1993-95 рр., № держ. реєстр. 0193U044487).; в) Державна космічна програма, затверджена Постановою КМУ №371 від 7.06.1994 р., ДКР "Прогноз М2" ("Релікт-2", "Інтербол"); "Дослідження сонячної активності, реліктового випромінювання, навколоземного простору", тема: "Вивчення електромагнітних процесів в іоносфері та магнітосфері Землі"; г) Загальнодержавна (національна) космічна програма України на 1998-2002 рр.: розділ 3.3. "Програма наукових досліджень", параграф 3.3.1. "Дослідження навколоземного простору та Землі з космосу"; д) Программа сотрудничества Российской Федерации и Украины в области исследования и использования космического пространства в мирных целях на 1998-2007 гг. (проекты "Интербол" и "Попередження"); е) Комплексна наукова програма з астрономії Київського університету "Фізичні та метричні властивості Всесвіту, його походження та еволюція" (1997-2001 рр., № держ. реєстр. 0197U003061).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є експериментальне визначення фізичних умов та кількісних характеристик процесів, що впливають на динаміку штучних і природних плазмових неоднорідностей в іоносфері та магнітосфері. Об`єкт досліджень - штучні та природні плазмові неоднорідності в іоносфері і магнітосфері Землі. Предмет досліджень - динаміка плазмових утворень в навколоземному космічному просторі в експериментах з інжекцією електронних та іонних пучків і під час магнітосферних збурень.

Методи досліджень - дистанційна оптична діагностика процесів утворення, розвитку та розпаду плазмових неоднорідностей за допомогою високочутливих систем відтворення зображень - телевізійних та електронно-оптичних, а також, контактна діагностика плазми за допомогою приладів, встановлених на космічних апаратах проекту "Інтербол" з метою дослідження динаміки природних плазмових неоднорідностей в магнітосфері Землі.

Задачі досліджень - розробка принципів, методів, програм та високочутливих систем відтворення зображень для проведення оптичних спостережень плазмових неоднорідностей;

·

· дослідження процесів, які супроводжують інжекцію електронних пучків з борту космічного апарата, порівняння характеристик штучних полярних сяйв з природними;

· експериментальна перевірка гіпотези критичної альвенівської іонізації нейтрального газу, що рухається крізь замагнічену плазму;

· вивчення локальних збурень магнітосфери в активних експериментах CRRES та методами пасивних вимірювань в проекті "Інтербол";

· розробка принципів і методів пошуку та вивчення іоносферних збурень, викликаних потоками енергії знизу (завдяки сейсмічним, техногенним та погодним чинникам).

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті виконання роботи вперше:

1) одержано фотометричні докази сильної колективної взаємодії електронних пучків з іоносферою як у штучних, так і в природних полярних сяйвах;

2) зареєстровано неперервний спектр світіння плазми під час інжекції електронних пучків на висотах ~110-120 км та запропоновано пояснення цього факту утворенням значної кількості NO;

3) запропоновано метод та виконано вимірювання вектора орієнтації геомагнітного поля на іоносферних висотах за спостереженнями променів штучних полярних сяйв поблизу магнітного зеніту;

4) за дефектом сферичної оболонки штучної хмари нейтрального Ba визначено ефективність критичної альвенівської іонізації h ~ 30% (експеримент CRRES G-11b);

5) виконано вимірювання електричного поля конвекції методом "мічених" іонів Ba+ в опівнічній (антисонячній) частині плазмосфери для відстаней ~6 RE і спокійних геомагнітних умов;

6) отримані енергетичні спектри іонів над полярною шапкою, які свідчать про багатокомпонентний склад потоку іонів з іоносфери на висотах ~4 RE, (за даними приладу Альфа-3 в проекті "Інтербол-2") на стадії відновлення плазмосфери;

7) вказано на іоносферні емісії NO в інфрачервоному діапазоні спектра, як можливий індикатор потоків енергії знизу.

Практичне значення одержаних результатів. Більшість одержаних в роботі результатів стали основою для розробки і уточнення моделей фізичних процесів, які є відповідальними за динаміку плазмових неоднорідностей в ближньому космосі. Ці результати необхідні для побудови комплексної моделі НЗКП та прогнозу варіацій іоносферних та магнітосферних параметрів ("космічної погоди").

Експериментальне моделювання природних полярних сяйв дозволило визначити коефіцієнт трансформації енергії електронів в оптичне випромінювання, в т.ч. окремо для основних авроральних емісій; співвідношення інтенсивностей для основних емісій і висотні профілі випромінювання при відомих інжектованих енергіях електронів. Ці дані важливі для розв`язування оберненої задачі у фізиці авроральних явищ.

Отримано експериментальні докази розвитку колективних процесів в слабкоіонізованій іоносферній плазмі при інжекції електронних пучків.

Експериментально підтверджено гіпотезу критичної альвенівської іонізації в умовах великомасштабного космічного експерименту CRRES G-11b та визначено ефективність такого процесу h ” 30% .

Дано обґрунтування принципів спостереження іоносферних провісників землетрусів з борту супутника (проект "Попередження") з метою пошуку нових можливостей короткотермінового прогнозу землетрусів, контролю за впливом техногенної діяльності на НЗКП, розробки динамічних моделей іоносфери.

Розроблені в рамках даної роботи методи і апаратура дистанційної оптичної діагностики з успіхом використовуються у вивченні метеорних явищ та природних полярних сяйв, а також в програмі активних експериментів прикладної тематики.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, викладені в дисертації, одержані автором або самостійно, або при його безпосередній участі. За участю автора здійснювалось планування, підготовка та проведення керованих експериментів по лінії АН СРСР (1972-91 рр.). Автором розроблені високочутливі телевізійні системи для спостережень у перших радянських експериментах "Фейерверк", "Зарница - 1, 2", "Сполох - 1, 2", а також одержано високоякісні спостережні дані. З 1975 р. автор очолив колектив оптичних спостережень Київського університету в керованих космічних експериментах. В міжнародних проектах "АРАКС" (1974-75 рр.) та CRRES (1990-91 рр.) автор особисто брав участь в наземних оптичних спостереженнях та в спостереженнях з літаків.

У роботах [1, 3-11, 14-16, 35], присвячених аналізу результатів експериментів з інжекцією електронних пучків, автор отримав спостережні результати, виконав їх обробку, провів оцінку їх точності та достовірності, а також брав участь у постановці задач, комплексному аналізі інформації з різних приладів та в інтерпретації кінцевих результатів. У роботах [2, 12, 17, 18, 20, 21, 25, 40], присвячених розробці, дослідженню та використанню нової техніки для оптичних спостережень, автору належить постановка задачі, участь у виборі методу її розв`язання, практичній розробці приладів, обговоренні та інтерпретації результатів. У роботах, присвячених науковим результатам серії експериментів CRRES [26, 38, 41], внесок співавторів однаковий. У роботах, опублікованих за результатами проекту "Інтербол" [27, 28, 29-33, 36, 43, 44] автор брав участь у постановці задачі, обробці даних вимірювань та інтерпретації одержаних результатів. В роботах із сейсмо-іоносферних зв`язків за проектом "Попередження" [22-24, 38] вклад кожного із співавторів однаковий.

Аналіз та інтерпретація результатів космічних експериментів виконувалися в тісному контакті зі співробітниками ІЗМІР РАН та ІКД РАН, які й були співавторами відповідних публікацій. При цьому публікації базувалися на результатах вимірювань та спостережень, одержаних автором разом із колективом Київського університету; автором виконувались обробка матеріалів спостережень, необхідні оцінки точності результатів, їх узгодження з даними, одержаними іншими методами, визначались їх надійность та достовірность.

Експериментальні роботи в галузі космічних досліджень потребують залучення багатьох колективів та десятків і сотень дослідників. Тому наукові результати, як правило, друкувалися колективом співавторів, однак внесок кожного зі співавторів цілком визначений і конкретний.

Апробація результатів дисертації.

Наукові результати роботи доповідались на міжнародних конференціях:

23-а сесія КОСПАР, 2-14 червня 1980 р., Будапешт, Угорщина; Всесоюзний семінар з космічної плазми, 11-15 травня 1981 р., Київ; Всесоюзна нарада з досліджень динамічних процесів у верхній атмосфері Землі, 1985 р., Обнінськ, ІЕМ; Другий міжнародний симпозіум "Глобмет", 11-16 липня 1988 р., Казань, 7-а Всесоюзна конференція "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", жовтень 1988 р., Москва; Міжнародний симпозіум "Оптичні емісії середньої і верхньої атмосфери", 16-21 жовтня 1989 р., Стара Загора, Болгарія; Міжнародна конференція за програмою "Інтеркосмос", проект "АПЕКС", 12-16 листопада 1989 р., Липецьк; Міжнародний семінар "Фізика космічної плазми", 6-10 червня 1993 р., Київ, Україна; Міжнародний семінар "Спутниковые исследования ионосферных и магнитосферных процессов", 11-13 грудня 1995 р., Москва, ІЗМІР РАН; Європейські щорічні конференції з досліджень верхньої атмосфери оптичними методами: 19-а (Кіруна, Швеція, 10-14 серпня 1992 р.), 20-а (Апатити, Росія, 14-18 вересня 1993 р.), 23-я (Київ, Україна, 2-6 вересня 1996 р.), 24-а (Андени, Норвегія, 18-22 серпня 1997 р.); 25-а Генеральна Асамблея Міжнародного радіофізичного союзу (URSI), 28 серпня - 5 вересня 1996 р., Лілль, Франція; 31-а Наукова сесія КОСПАР, 14-21 липня 1996, Бірмінгем, Англія; Колоквіум КОСПАР: Магнітосферні дослідження за допомогою сучасної техніки, 15-19 квітня 1996 р., Пекін, Китай; Міжнародний симпозіум "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики", 1996 р., Томськ,; 23-я конференція Європейського фізичного товариства з керованого термоядерного синтезу та фізики плазми, 24-28 червня 1996 р., Київ; Міжнародна конференція з фізики плазми, 9-13 вересня 1996 р., Нагоя, Японія; ХХ ежегодный Апатитский семинар "Физика авроральных явлений", 25-28 лютого 1997 р., Апатити, Росія; Міжнародний семінар з сейсмоелектромагнітних явищ, 3-5 березня 1997 р., Токіо, Японія; ХХІІ Генеральна Асамблея Європейського геофізичного товариства, 21-25 квітня 1997 р, Відень, Австрія; ХХІІІ Генеральна Асамблея Європейського геофізичного товариства, 24-29 квітня 1998 р., Ніцца, Франція; Міжнародний симпозіум "Вивчення космічної плазми методами прямих та дистанційних вимірювань", 1-5 червня 1998 р., Москва; Конференція НАТО "Дослідження за проектом "Інтербол", 7-11 вересня 1998 р., Кошице, Словаччина; Міжнародний симпозіум "Від сонячної корони крізь міжпланетний простір до магнітосфери та іоносфери Землі: "Інтербол", ISTP супутники та наземні спостереження", 1-4 лютого 2000 р., Київ. Крім того, основні наукові результати доповідались на семінарах та щорічних конференціях ІЗМІР АН (1980-95 рр.); міському семінарі з фізики плазми, м. Харків (травень 1994 р.); наукових сесіях професорсько-викладацького складу Київського університету, міжнародних нарадах за проектом "АПЕКС" (Москва, 1990-94 рр.) та "Попередження" (Будапешт, 1996 р.; Варшава, 1997 р.; Київ, 1994-95, 1998 рр.) та ін.

Публікації. Результати, викладені в дисертації, опубліковані впродовж 1980 - 2000 років: статті в наукових журналах та збірниках наукових праць - 36, матеріали та тези конференцій - 45, авторські свідоцтва - 1 (СРСР).

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів та висновків. Дисертація містить 332 сторінки тексту, з них 266 сторінок основного тексту, 65 рисунків, 15 таблиць, 4 сторінок додатків, список цитованої літератури складає 408 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі обгрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовані мета та задачі роботи, наукова новизна отриманих результатів, викладено основні положення, що виносяться на захист, практична значимість роботи, коротко описано зміст кожного з розділів дисертації.

Перший розділ носить оглядовий характер, розглядаються методи досліджень фізичних процесів в навколоземному космосі. Основна увага приділяється методам керованих експериментів, за допомогою яких одержана більша частина результатів, викладених в дисертації. Обговорюються можливості цих експериментів у вивченні іоносфери та магнітосфери, наводяться їх переваги та недоліки. Експерименти з інжекцією електронних пучків із ракет та супутників, а також експерименти з інжекціями парів металів, найчастіше - барію, були найпопулярнішими впродовж останніх двох десятиліть.

Розглядаються оптичні методи досліджень у таких експериментах. При спостереженнях із поверхні землі та літаків у більшості випадків перевага надається високочутливим електронним системам відтворення зображень. Насамперед, це телевізійні системи та фотографічні реєстратори з електронними підсилювачами зображень. Одержані в ході експериментів зображення плазмових утворень дозволяють отримати як фотометричні, так і координатні (просторові) характеристики досліджуваних об`єктів. Крім того, самі зображення є наочним та зручним для сприйняття і подальшої інтерпретації засобом подання наукових результатів. Обговорюються розроблені методи врахування похибок та обмежень, притаманних телевізійним та електронно-оптичним системам відтворення зображень. Автор використав досвід астрофізичних досліджень телевізійними методами, набутий та поширюваний співробітниками Кримської астрофізичної обсерваторії [1*,16*].

В другому розділі розглядаються методи та прилади для оптичних спостережень штучних плазмових неоднорідностей, які створюються в керованих експериментах при інжекції електронних та іонних пучків, а також плазми. Детально викладено постановку задачі та реалізацію фотометра УФ-3К для досліджень ефектів інжекції електронних пучків та плазми в супутниковому експерименті "АПЕКС". Описується простий ракетний фотометр, розроблений для використання в денних та сутінкових експериментах з інжекцією плазми. Подано опис методів та приладів для калібрування засобів спостережень, в т.ч. розроблених світлодіодних калібраторів, призначених для перевірки та калібрувань приладів для оптичних спостережень в експедиційних умовах. Наведено результати калібрувань та випробувань приладів в умовах реальних експериментів з використанням зірок - спектрофотометричних стандартів.

Подано також характеристики бортових приладів для контактних вимірювань параметрів плазми. Розглядається будова, режими роботи та калібровочні криві датчиків з затримуючим потенціалом спектрометра іонів холодної плазми Альфа-3, який працює в складі бортових наукових комплексів КА "Інтербол-1" та "Інтербол-2".

Описана апаратура для наземних оптичних спостережень - високочутливі телевізійні системи та її характеристики для умов використання в керованих космічних експериментів.

У третьому розділі викладено результати досліджень іоносферних неоднорідностей, які супроводжують інжекцію електронних пучків в іоносферну плазму. Спостерігалися (рис.1) промені штучного полярного сяйва (ШПС) довжиною до 55 км та світіння в навколоракетній області (НРО), а також "хвіст" газів з відпрацьованого твердопаливного ракетного двигуна, періодично підсвічуваний оптичним випромінюванням НРО та ШПС. Проведено опрацювання і аналіз серій телевізійних знімків штучних полярних сяйв, одержаних в ході керованих експериментів "Зарница-1,2". З метеорологічної ракети МР-12 (максимальна висота ~160 км) інжектувалися в імпульсному режимі пучки електронів з енергією до 9,2 кеВ, струм до 500 мА. Найбільший інтерес викликають динамічні процеси в навколоракетній області.

Частина результатів, отриманих за допомогою оптичних спостережень, дає підстави стверджувати, що особливості випромінювання із НРО та ШПС можуть бути пояснені лише з використанням механізмів колективної взаємодії інжектованих електронних пучків із слабкоіонізованою (ne/N0Ј10-6) іоносферною плазмою. Перерахуємо ці результати: слабка залежність інтенсивності інтегрального випромінювання ШПС та НРО від густини оточуючої атмосфери (висоти інжектора); світіння НРО та модуляція його інтенсивності, пов'язана зі змінами пітч-кутів інжекції; двогорба функція залежності яскравості променів ШПС від висоти.

Дослідження високочастотного радіовипромінювання (f~45 МГц), яке генерувалось під час інжекції електронних пучків та даними з просвічувань НРО сигналом телеметричного передавача (fTM~137 MГц) [2*], дослідження плазмових утворень за допомогою двочастотного когерентного метеорного локатора [3*], свідчать про наявність сильного збурення плазми в навколоракетній області - електронна концентрація зростає до значень ne ~ 106 - 108 см-3, причому густина плазми періодично змінюється в залежності від діапазону пітч-кутів інжекції. Результати бортових вимірюваннь потенціалу ракети з інжектором дають значення jr < 100 В, що свідчить про високу ефективність компенсації позитивного потенціалу інжектора і вказує на наявність додаткового джерела іонізації нейтральної складової іоносфери.

Рис. 1. Телевізійний знімок НРО (1) та променя ШПС (2) в експерименті "Зарница-1" на фоні зоряного неба. Нижче НРО вирізняється "хвіст" (3).

Всі ці дані в сукупності стимулювали розробку теоретичних механізмів плазмово-пучкового розряду [4*]. "Запалювання" плазмово-пучкового розряду дозволяє без додаткових припущень пояснити більшість несподіваних результатів експериментів з інжекціями електронних пучків "Зарница-1,2". Детальні експерименти у великій вакуумній камері NASA підтвердили наші висновки [5*].

Більше того, аналіз спостережень природних полярних сяйв дозволяє стверджувати, що в деяких випадках колективна взаємодія може спостерігатися і в процесі вторгнення пучків авроральних електронів (рис.2). Результати вимірювань висотного профілю світіння I(h) у променях штучних (ШПС) і природних полярних сяйв (ПС), отриманих за допомогою високочутливих телевізійних установок, іноді демонструють два максимуми hImax” 115 км та hIImax” 125км, які розділені характерним мінімумом на висоті hmin ~ 120 км. В експерименті "Зарница-2" серед десятків телевізійних зображень було виділено 7 знімків променів ШПС, які показали двогорбий розподіл яскравості. Мікрофотометричне дослідження почорніння на знімках вздовж променів з урахуванням умов ракурсного кута спостережень та фотометричних калібровок дозволило отримати профілі I(h) (рис. 2а); для порівняння наведено також розрахунковий висотний профіль світіння з врахуванням дисипації енергії пучка електронів при зіткненнях [6*].

Рис. 2. Висотний профіль інтенсивності випромінювання в залежності від висоти для "двогорбих" променів ШПС (а) в експерименті "Зарница-2"(кружечки). Приведено також розрахунок кривої дисипації енергії електронного пучка (хрестики) без врахування колективних процесів [6*]. Справа (б) наведені висотні профілі яскравості для вибраних променів природних полярних сяйв.

Наведені фотометричні профілі I(h) для природних авроральних променів, знімки яких було отримано в бухті Тіксі. Раніше подібні профілі світіння ПС, які практично співпадають із рис. 2б, були відзначені в літературі і розглядалися як "екзотичні", хоча на стрибки яскравості вздовж променя ПС вказувалось неодноразово [7*]. Дані про фотометричну структуру променів ШПС отримані вперше.

Другий максимум світіння легко пояснюється в рамках теорії колективної взаємодії пучка електронів з слабкоіонізованою плазмою - параметри фонової іоносферної плазми в діапазоні висот 125-130 км є оптимальними для ініціювання плазмово-пучкового розряду [8*] .

Показано, що спостереження променів штучних полярних сяйв дозволяє вимірювати орієнтацію геомагнітного поля для висот нижньої іоносфери. Виміряні положення радіанта променів ШПС (астрономічний азимут та кутова висота) для пункту спостережень Ельтон: "Зарница-1" - ВR=6°57,1ў ± 0,9ў; hR=65°40,5ў ± 0,3ў та "Зарница-2" ВR=7°00,5ў ± 2,0ўў; hR=65°42,8ў ± 0,5ў. Одержані результати відповідають модельним значенням.

Рис. 3. Положення радіантів, обчислених за різними парами променів ШПС за спостереженнями в експериментах "Зарница-1" (вгорі) та "Зарница-2" (внизу). Значення кутової висоти і азимута вказано в градусах та мінутах.

Водночас, базисні спостереження променів ШПС дозволили провести визначення висот нижнього краю за методикою, яка використовується в метеорній астрономії. Знайдені значення висот для енергії електронів Ee@ 9.2 кеВ і 7.2 кеВ - 105км та 107км, відповідно, більші за висоти, розраховані методом Монте-Карло для зіткнень (без колективної взаємодії) [6*]. Цей результат свідчить, що середні втрати енергії електронного пучка на колективну взаємодію та подолання можливого позитивного потенціалу інжектора не перевищують 10% від початкової енергії.

За даними спектральних спостережень одержано коефіцієнт трансформації енергії інжектованого електронного пучка в оптичне випромінювання (в межах спектральної чутливості телевізійної камери): hНРО є PНРО/Pb @ 0.8Ч10-2 та hШПС є PШПС/Pb @ 1.2Ч10-2; де Pb = Ibeb/e = IbVb - потужність інжектора (h - коефіцієнт трансформації, PНРО, PШПС -потужність випромінювання в оптичному діапазоні НРО та ШПС, Pb - потужність інжектрора електронів, Ib та Vb струм та анодна напруга інжектора, eb - початкова енергія електронів). Ці значення добре узгоджуються з отриманими раніше результатами і можуть бути використані як калібровочні дані при спостереженнях природних полярних сяйв.

В четвертому розділі розглядаються результати дослідження плазмових неоднорідностей, які спостерігалися в експериментах з інжекціями Ba та Li із супутника CRRES. Інжекції відбувалися на різних висотах над районом Карибського моря. Спостереження виконувались автором з території республіки Куба, в т.ч. із спеціального літака ЯК-40.

Експерименти G-06 з інжекцією Li та G-08 з інжекцією Ba в нічній плазмосфері поблизу антисонячного меридіану на відстанях ~30 тис.км (~ 6 RE) були експериментами із внесенням "мічених" атомів. Внаслідок повільної іонізації атомів Li сонячним ультрафіолетовим випромінюванням (t ~ 2000 с) в експеримені CRRES G-06 спостерігалось квазісферичне розширення інжектованої речовини практично в пустоту. Навпаки, після швидкої (t ~ 20 с) фотоіонізації барію в експерименті CRRES G-08, іони Ba+ були захоплені геомагнітним полем і рухались в схрещених полях, що дало змогу за напрямком та швидкістю дрейфу визначити величину та напрям електричного поля в екваторіальній екзоплазмосфері в спокійних геофізичних умовах.

Дрейф, зумовлений електричним полем в екваторіальному перерізі магнітосфери, яке є результатом суми потенціалів конвекції і коротації: j = -1,44Ч10-2R0-1 +ER0 siny, де R0 - відстань від центру Землі в RE; y - геомагнітна довгота, яка відраховується на схід від опівнічного (антисонячного) магнітного меридіана. Для оцінки величини електричного поля за спостережуваною швидкістю руху V^ іонів Ba+ використано співвідношення: E^ = (1/c)[BґV^]. При цьому необхідно впевнитися у виконанні умови малого збурення провідності вздовж магнітного поля для області з внесеними іонами Ba+, порівняно із сусідніми незбуреними частинами іоносфери: << . В перші хвилини експерименту, коли інжектовані іони барію знаходились поблизу антисонячного меридіана, напрямок і швидкість дрейфу Ba+ згустка повністю збігаються із середніми модельними значеннями E ” 5·10-4 В/м. Однак, у процесі розвитку, швидкість дрейфу зростала, що свідчить про наростання величини електричного поля до E ” 1,4·10-3 В/м. Це, можливо, пов'язано з розвитком суббурі, яка могла бути викликана саме інжекцією Ba.

Експеримент CRRES G-11b був одним із серії експериментів по перевірці гіпотези критичної альвенівської іонізації. У гіпотезі постулюється іонізація нейтрального газу, який рухається впоперек магнітного поля в слабоіонізованій плазмі з такими швидкостями, що кінетична енергія атомів (молекул) нейтрального газу перевищує енергію іонізації даної речовини (1/2)MV2 > I. На сьогодні є лабораторні експерименти, які демонструють справедливість гіпотези при певних умовах, є підходи до побудови теорії критичної іонізації з урахуванням колективних процесів [8*]. Однак, попередні космічні експерименти дали неоднозначні результати - від високої ефективності (~30%) процесу альвенівської іонізації до практично нульової.

В експерименті CRRES G-11b здійснювалась інжекція на висоті ~500 км нейтральної барієвої хмари, яка рухалась з орбітальною швидкістю Vo впоперек геомагнітного поля, розширюючись при цьому із швидкістю Vr (рис. 4). Умова критичної іонізації виконувалась для всієї сферичної оболонки, однак іонізація відбувалась переважно на її передній частині, для якої кінетична енергія була вдвічі вища ніж для задньої частини. Утворені іони Ba+ захоплювалися магнітним полем, тоді як атоми Ba продовжували рухатися практично без зіткнень. Оцінка ефективності критичної іонізації була виконана за дефектом сферичної оболонки - не менше третини сфери на передній частині зникло за ~20 с після інжекції. Розгляд можливих конкурентних механізмів іонізації приводить до висновку, що лише альвенівський механізм іонізації в умовах експерименту міг бути досить ефективним.

Спостереження конуса іонів Ba+ (рис. 4), який утворився в неосвітленій сонцем іоносфері (за відсутності процесу фотоіонізації), є незаперечним доказом того, що критична іонізація в експерименті G-11b відбувалась. На жаль, спостереження виконувались на межі чутливості апаратури і фотометричні оцінки є дуже ненадійними, вони дають відносно невеликий вихід іонів (~1%). Альтернативний підхід, оснований на врахуванні нестачі нейтральних атомів барію, вказує на ефективність іонізації на рівні ~30%. Ми вважаємо таку оцінку більш надійною в порівнянні з фотометричною.

Рис. 4. Схема розвитку барієвої хмари в експерименті CRRES G-11b.

У п'ятому розділі розглянуто результати опрацювання даних, отриманих у міжнародному проекті "Інтербол". Однією з проблем, пов'язаних з опрацюванням великих масивів експериментальних даних із супутників, є проблема визначення положення КА відносно частин магнітосфери. Проблема полягає в тому, що магнітосфера є динамічним утворенням, морфологічні границі якого весь час змінюють своє місцеположення. Внаслідок цього знання тільки орбітальних параметрів КА та використання усереднених напівемпіричних моделей магнітосфери виявляється недостатнім для однозначного визначення плазмового оточення.

Зіставлення параметрів, виміряних різними приладами (електричні та магнітні поля, потоки заряджених частинок, теплові параметри плазми), дає змогу безпомилково визначити область магнітосфери, де виконано вимірювання. Однак, при опрацюванні великих обсягів даних з окремого приладу дуже корисно мати принципи ідентифікації областей магнітосфери (плазмових режимів) за вимірюваннями тільки цього приладу, наприклад, магнітометра. Можливість реалізації такого підходу дозволяє значно скоротити затрати на обробку даних, скоротивши час пошуку цікавих (з точки зору конкретної задачі) подій в конкретних областях магнітосфери. З цією метою була розроблена та перевірена методика ідентифікації плазмових режимів за даними бортового магнітометра MIF. Аналіз даних магнітометра дозволяє виділити ділянки орбіти КА із т.з. хвилями стиснення та ідентифікувати вихороподібні структури в зовнішніх областях магнітосфери.

Дані з приладу вимірювань параметрів холодної плазми Альфа-3 дозволяють спостерігати процес заповнення плазмосфери після суббурі (14.09.1997 р.). Отримані спектри іонів у плазмосфері поблизу плазмопаузи показують значну відмінність від максвеллівського розподілу за енергіями, більше того, така особливість спостерігається при різних рівнях геомагнітної активності.

Зареєстровано потоки іоносферних іонів над полярною зоною на відстанях ~4 RE, причому енергетичні спектри іонів із чотирма максимумами ототожнюються з основними іоносферними складовими: H+, He+, O++N+ тa O2+ + N2+ + NO+. Ці потоки ототожнюються із т.з. "полярним вітром" [9*,10*]. Однак, модель, побудована за даними супутників DE-1 [11*], вказує на гравітаційне розділення (сепарацію) легких іонів. Наші дані не підтверджують модель "геомагнітного мас-спектрометра", демонструючи присутність багатокомпонентних іонів (принаймні, для вказаних періодів спостережень) на відстанях до 4 RE над полярною шапкою.

Дослідження плазмопаузи у вечірньому секторі на відстанях L ~ 2ё3 при високих значеннях Kp вказують на високу температуру, близьку до значень у внутрішній плазмосфері. Цей результат не збігається з висновком [12*] про зниження температури плазмосфери при геомагнітних збуреннях. В той же час, підтверджуються дані вимірювань 70-х років [13*], які свідчать про зростання температури у зовнішній плазмосфері в спокійних геомагнітних умовах.

На границі плазмосфери у вечірньому секторі часто реєструються дуже неправильні ("клочкуваті" чи "пасмовидні") структури, відділені від плазмопаузи провалами густини плазми, про які повідомлялось раніше [14*].

Для декількох прольотів КА "Інтербол-1" через вечірній сектор плазмопаузи у збурених умовах отримано залежність температури іонів та їх густини від відстані L. Апроксимуюча крива дає залежність N ~ L-4,2, що добре узгоджується з виведеним раніше співвідношенням [15*] N ~ L-4 для плазми без зіткнень.

В шостому розділі розглянуті проблеми впливу на стан іоносфери потоків енергії знизу від природних та техногенних джерел. Детально викладено сучасний стан проблеми існування та досліджень так званих іоносферних провісників землетрусів. Дано критичний огляд експериментальних супутникових досліджень, виконаних в рамках вказаної проблеми. Побудовано синтетичний "портрет" іоносферного провісника землетрусів при спостереженнях із супутників. Особливу увагу приділено можливим проявам іоносферних збурень в емісіях верхньої атмосфери та іоносфери у видимій та інфрачервоній ділянках спектру. З аналізу опублікованих матеріалів зроблено висновок про високу чутливість до збурень різної природи молекулярної емісії NO в інфрачервоній ділянці спектра (l = 5,3 мкм). Вказано також на можливість посилення емісії Na при зростанні температури в певній обмеженій області нижньої іоносфери внаслідок сейсмічних та інших процесів. Вказано іоносферні параметри та їх варіації, які необхідно вимірювати за допомогою бортового наукового комплексу проекта "Попередження". Запропоновано можливий склад наукової апаратури вказаного комплексу та вимоги по забезпеченню його функціонування.

У висновках наведені основні результати роботи та оцінка їх наукової і практичної цінності.

В додатках наведені довідкові матеріали до розділу 6.

ВИСНОВКИ

В даній роботі проведені дослідження штучних та природних плазмових збурень в іоносфері та магнітосфері Землі. Розроблені методи та апаратура дистанційних оптичних досліджень плазмових неоднорідностей, які генеруються в активних експериментах та в природних процесах. Метод зображень є надзвичайно потужним та інформативним для дослідження різноманітних процесів, оскільки відразу дає наочну картину, за якою можна відтворити (з певними обмеженнями) фотометричні та просторові характеристики досліджуваного об`єкта. Матеріали оптичних спостережень суттєво доповнюють дані бортових вимірювань і дистанційних радіофізичних досліджень та дозволяють глибше зрозуміти фізику процесів, які відбуваються.

1. Дані активних космічних експериментів "Зарница-1,2" незаперечно свідчать про збудження колективних процесів при взаємодії інжектованих електронів із плазмою іоносфери. Базуючись на результатах оптичних спостережень (динаміка НРО і променів ШПС) і радіофізичних та радіолокаційних вимірювань (власне випромінювання плазми пучка та НРО на радіочастотах, які в десятки разів перевищують власні частоти плазми), а також на даних бортових датчиків потенціалу носія з інжектором та просвічування плазми за допомогою телеметричного передавача, була побудована теорія плазмово-пучкового розряду. Справедливість висновків про існування пучково-плазмового розряду була підтверджена шляхом лабораторних експериментів у великій вакуумній камері NASA.

2. Експерименти з інжекцією електронів можна розглядати не тільки як великомасштабні плазмові експерименти в "космічній лабораторії", при відсутності стінок, високому вакуумі та величезних просторових масштабах, а й як експерименти з моделюванням природних космічних явищ. Експерименти зі створенням штучних полярних сяйв дали змогу визначити коефіцієнт трансформації енергії електронного пучка у світлову енергію, перевірити точність теоретичних розрахунків висот нижнього краю полярних сяйв при відомій початковій енергії електронного пучка та отримати співвідношення інтенсивностей для основних авроральних емісій. Крім того, було запропоновано метод визначення орієнтації геомагнітного поля за спостереженнями променів ШПС поблизу магнітного зеніту місця спостережень.

3. Перевірка гіпотези альвенівської критичної іонізації була здійснена у рамках супутникового проекту CRRES. Інжекція парів нейтрального барію з орбітальною швидкістю в тіньовій частині іоносфери впоперек ліній магнітного поля Землі добре задовольняє всім вимогам для перевірки гіпотези. Результати оптичних спостережень в експерименті CRRES G-11b свідчать, що критична іонізація відбувалась з ефективністю hi = NBa+/NBa ” 0.3. Значення ефективності іонізації при конкретних умовах експерименту є важливим параметром для побудови теоретичної моделі явища. Одержані нами результати дають підстави також стверджувати, що порогова швидкість потоку для ефективного здійснення процесу критичної іонізації може є в декілька разів вищою за величину, вказану Х.Альвеном (), цей висновок якісно підтверджує теоретичні результати [8*].

4. В експерименті CRRES G-08 з інжекцією Ba в плазмосферу поблизу антисонячного меридіану на відстанях ~6 RE методом "мічених" іонів Ba+ проведено вимірювання крупномасштабного електричного поля в екваторіальній екзоплазмосфері при спокійних геофізичних умовах. Наземними оптичними методами спостерігались напрямок і швидкість дрейфу Ba+ в полях ExB. Отримані результати свідчать про достатню точність сучасної моделі плазмосфери для незбурених умов - електричне поле, яке є результатом суми потенціалів конвекції і коротації становить величину ~5·10-4 В/м. Прискорення згустка через 20 хвилин після інжекції підтверджує дані інших спостережень про розвиток суббурі, яка могла бути стимульована інжекцією Ba.

5. Показано, що за даними магнітометричних вимірювань можна виконувати ідентифікацію плазмових режимів магнітосфери. Дослідження збурень магнітосферної плазми в експерименті "Інтербол" за допомогою бортових контактних вимірювань дозволили отримати нові дані про динаміку заповнення плазмосфери після її спустошення в процесі сильних геомагнітних збурень. Дані вимірювань спектрів іонів у зовнішній плазмосфері вказують на різко немаксвеллівський розподіл іонів за енергіями, що свідчить про присутність прискорених потоків іонів. Інший результат - потоки речовини з іоносфери в плазмосферу над полярними областями - так званий "полярний вітер", виявились багатокомпонентними за складом у процесі відновлення