Пульсации и диагностика магнитосферы



Волны, приходящие на Землю из космического пространства, на записи имеют самый различный вид. Для дневных часов характерен устойчивый режим сравнительно регулярных колебаний в низкочастотном диапазоне спектра (режим Рс), периоды которых меняются от 0,2 до 600 сек. Для ночных часов типичны всплески иррегулярных колебаний, получивших название цугов колебаний (режим Pi2). Их периоды могут изменяться в интервале значений от 1 до 260 сек. Низкочастотная часть спектра пульсаций связана с процессами, происходящими на границе магнитосферы и в ее отдельных полостях.
Из пульсаций высокочастотной части спектра наиболее интенсивно исследуются в настоящее время колебания типа «жемчужин» (Pс1). Они имеют вид волновых пакетов, которые возникают в результате взаимодействия заряженных частиц с электромагнитными волнами в плазме. Частота «жемчужин» меняется от долей герца до нескольких герц при амплитуде в среднем 10 — 100 миллигамм. Рис. представляет то же явление в виде сонограммы (изменение частоты во времени), которая показывает удивительно четкий характер ее Изменений во времени. Другой рисунок  дает представление об иррегулярных колебаниях малого периода (Pi1). В последнее время некоторые тины этих колебаний стали называть гидромагнитными шипениями — по аналогии с терминами, используемыми при изучении низкочастотных излучений в килогерцовом диапазоне. Как видно из рисунка, их спектр существенно отличен от спектра колебаний типа «жемчужин».
Пульсации типа «жемчужин» возникают. по установившимся представлениям, вследствие кинетической неустойчивости распределения энергичных протонов в магнитосфере (типичные энергии составляют десятки килоэлектрон-вольт — кэв). Подобная интерпретация возникала сразу же после получения сонограмм «жемчужин», на которых во всех сериях наблюдений были обнаружены четкий период повторения и различная скорость распространения колебаний, имеющих разную частоту в пределах одной «жемчужины». Измерения этих величин позволили оценить отношение частоты волны к частоте вращения протонов около силовой линии в вершине траектории (т. е. в точке, удаленной на наибольшее расстояние от Земли), энергию резонансных протонов, ответственных за развитие этих колебаний, а также расстояние, на котором находится область генерации колебаний от поверхности нашей планеты. Колебания Pel с успехом изучаются в магнитно-сопряженных точках, т. е. таких точках поверхности Земли, которые соединены одной и той же силовой линией магнитного поля. В сопряженных точках «жемчужины» появляются попеременно. Измеряя разность во времени их появления между сопряженными точками, можно оценить скорость перемещения волновых пакетов по силовой линии.
Всплески иррегулярных колебаний возникают при вторжении в ионосферу электронов. Характерный период повторения от всплеска к всплеску отражает, по-видимому, особенности процессов, происходящих в плазменном хвосте магнитосферы. Колебания такого типа обнаруживают примечательную корреляцию с изменениями интенсивности свечения полярных сияний и всплесками рентгеновских лучей в стратосфере, а также с флуктуациями ионосферного поглощения космических радиошумов. Общей причиной всех этих явлений служат флуктуирующие потоки электронов, ускоряемых, вероятно, в нейтральном слое хвоста магнитосферы до энергии порядка единиц и десятков килоэлектрон-вольт и «сыплющихся» в полярную ионосферу на ночной стороне Земли. Высыпающиеся электроны рождают рентгеновские лучи. Возбуждение атомов и молекул воздуха приводит к появлению сияний. Добавочная ионизация верхней атмосферы увеличивает поглощение радиоволн космического происхождения.
Изучение комплекса этих явлений в сопряженных точках показало, что иррегулярные колебания Pil могут быть использованы для оценки интенсивности, плотности и энергии частиц, вторгающихся в ионосферу. Частицы с энергией порядка 30 кэв вызывают возникновение спорадических (временно образующихся) слоев в ионосфере, а частицы с энергиями больше 50 — 100 кэв проникают до высот порядка 60 км и создают условия в ионосфере, приводящие к нарушению и прекращению радиосвязи. В микропульсациях переход от менее энергичных к более энергичным потокам сказывается на изменениях диапазона спектров наблюдаемых колебательных режимов (примерно от 4—6 сек до 1 — 7 сек). Одновременно растет, амплитуда пульсаций, достигая максимума во время полного поглощения радиоволн в ионосфере. Эти закономерности открывают новые возможности краткосрочного прогноза нарушений радиосвязи по характеру поведения быстрых вариаций.
Здесь основная практическая задача — установить коэффициенты связи между спектром пульсаций электронных потоков и спектром сопутствующих магнитных колебаний. Наблюдения Pi1, по-видимому, позволят дать затем качественные заключения о характеристиках электронных пучков, вторгающихся в верхнюю атмосферу.
Исследования иррегулярных колебаний Pi1, колебаний типа «жемчужин», а также целого ряда других быстрых вариаций магнитного поля и ОНЧ-излучений с успехом проводятся в сопряженных точках нашей планеты: Согра (Архангельская область) — Кергелен (остров в Индийском океане, принадлежащий Франции). Эти исследования ведутся совместно советскими и французскими учеными с 1964 года. В 1971 году впервые одновременные наблюдения были произведены в двух парах сопряженных точек. В дополнение к исследованиям в Согре и Кергелене были организованы наблюдения в двух более высокоширотных пунктах, находящихся примерно на том же геомагнитном меридиане — в районе Мезени (Архангельская область) и на острове Херд в Индийском океане.
Такие наблюдения в двух парах сопряженных точек открывают новые возможности одновременного слежения за развитием процессов, происходящих в магнитосфере на различных расстояниях от земной поверхности, тем самым позволяя определять последовательность их развития во времени и пространстве. В сочетании с данными спутников, которые в период наблюдений неоднократно пересекали силовые трубки, соединяющие эти пары сопряженных точек, полученные результаты помогают существенно продвинуть методы наземной диагностики, основанной на изучении свойств пульсаций и ОНЧ-излучений.
Успехи в применении свистящих атмосфериков для диагностики концентрации плазмы в магнитосфере хорошо известны. С тех пор как в 1953 году на заре исследования космического пространства анализ свойств свистящих атмосфериков позволил сделать первую правильную оценку электронной концентрации на больших высотах, свистящие атмосферики и другие ОНЧ-излучения прочно вошли в арсенал электромагнитных методов зондирования магнитосферы.
Применение микропульсаций для диагностики магнитосферы — естественное продолжение этого круга работ. Методы исследования магнитосферы по данным микропульсаций и ОНЧ-излучений во многом аналогичны друг другу. Вместе с тем наблюдения микропульсаций позволяют получать информацию о процессах в самых далеких областях магнитосферы и даже за ее пределами. Так, например, была обнаружена возможность диагностики такого важного параметра, как положение границы магнитосферы. Каких-либо других наземных методов определения этой границы не существует.
Сейчас наметились следующие основные направления диагностики параметров околоземного пространства по наблюдениям микропульсаций магнитного поля:
- оценка концентрации холодной плазмы в магнитосфере;
- оценка продольной проводимости вдоль силовых линий;
- оценка положения границы магнитосферы;
- оценка положения границы плазмосферы**;
- слежение за нестационарными процессами в радиационных поясах, определение положения их внешней границы, изменения интенсивности частиц во внешнем поясе оценка интенсивности электрических полей в магнитосфере;
- оценка   энергии   и   плотности    ПОТОР энергичных частиц в магнитосфере, ответственных   за   возбуждение   колебаний  типа «жемчужин», и локализация области их генерации;
- оценка параметров солнечного ветра: скорости, направления и величины межпланетного поля в солнечном ветре, размеров неоднородностей солнечного ветра.