Исследования магнитосферы наземными методами

В связи с быстрым расширением работ по исследованию и освоению космического пространства в число первостепенных задач современной геофизики выдвигается проблема разработки непрерывных наблюдений за состоянием магнитосферы или, по аналогии с метеорологией, организация службы космической погоды. В этих исследованиях основная часть ключевых, существенных для понимания физики магнитосферы экспериментальных данных будет получена, безусловно, с помощью искусственных спутников Земли.
Можно, однако, предвидеть, что по мере накопления сведений о физической природе и основных закономерностях развития магнитосферных процессов в практике службы космической погоды все более и более будет возрастать роль наземных наблюдений.
В самом деле, каждый отдельно взятый спутник дает слишком локальные данные, отражающие особенности среды непосредственно в точке наблюдения, и их нельзя обобщить для сколько-нибудь обширной области магнитосферы.
В связи с этим, учитывая ее гигантские размеры, требуется большое число одновременно действующих спутников, что в настоящее время практически неосуществимо.
Поэтому чрезвычайно существенным является то обстоятельство, что вся магнитосфера пронизана силовыми линиями геомагнитного поля, вдоль которых информация о протекающих в ней процессах может передаваться на Землю.
Таким образом, Земля представляет собой естественный пульт, «подключенный» высокопроводящими силовыми линиями к самым различным, в том числе и чрезвычайно удаленным, участкам магнитосферы, так что анализ данных наземных обсерваторий в принципе позволяет непрерывно следить за состоянием всей магнитосферы. Наша задача состоит в том, чтобы научиться расшифровывать поступающую на Землю информацию. Накопленные за последние годы данные показывают, что эта задача вполне выполнима.
Весьма перспективным для наблюдения или диагностики состояния магнитосферы является использование так называемых пульсаций или быстрых вариаций магнитного поля.
По разнообразию и полноте доставляемой информации о магнитосфере пульсации занимают особое место. Наблюдения пульсаций позволяют контролировать большое число структурных и динамических параметров окружающей Землю плазмы. Следует также учесть простоту организации регулярной службы наблюдения пульсаций и большую оперативность извлечения необходимой информации.
Основа научной диагностики параметров и состояния магнитосферы по наземным наблюдениям быстрых вариаций магнитного поля была сформулирована и развита советскими учеными во второй половине 60-х годов. Ей предшествовали детальные морфологические исследования быстрых вариаций и первые попытки развития теоретических представлений о механизме генерации различных колебаний и области расположения их источника.
Эти исследования убедительно показали, что различные типы быстрых вариаций соответствуют разным специфическим изменениям состояния магнитосферы: изменениям ее размеров и формы, изменениям интенсивности заселяющих ее частиц и др. Более того, свойства быстрых вариаций содержат также информацию и о свойствах солнечного ветра*, непрерывно «обдувающего» Землю и формирующего ее магнитосферу. Следует обратить также серьезное внимание и на то обстоятельство, что целый ряд сложных и тонких колебательных процессов, возникающих в околоземной плазме, как это ни парадоксально, легче будет, по-видимому, обнаруживать и прослеживать именно по наземным данным, так как вероятность для спутника «поймать» такую информацию бесконечно мала.
В магнитосфере Земли существует широкий спектр волн, часть из которых, проникая сквозь ионосферу, регистрируется на земной поверхности. В диапазоне частот от миллигерц до нескольких герц наблюдаются пульсации — уникальный объект для изучения распространения и возбуждения так называемых гидромагнитных волн в плазме. Нижняя граница их спектра совпадает с наименьшей частотой собственных колебаний магнитосферы, верхняя граница — с гирочастотой протонов (т. е. с частотой вращения протонов вокруг силовой линии) в нижних слоях полярной ионосферы. На частоте около 5 гц, однако, спектр колебаний резко обрывается, что обусловлено тем, что идущие сверху волны сильно поглощаются в ионосфере и на поверхности Земли практически не наблюдаются. Поэтому установилось представление, что верхней границей диапазона пульсаций являются частоты в несколько герц.
Причиной почти всех наблюдаемых на Земле геомагнитных пульсаций является неустойчивость окружающей  Землю  плазмы,
Плазма магнитосферы состоит из низкотемпературной (или холодной) компоненты и небольшой примеси высокоэнергичных частиц. Наиболее короткопериодные колебания (секунды и доли секунд) обычно связывают с неустойчивостями распределения последних в магнитосфере Земли.
Механизм генерации пульсаций больших периодов — собственных колебаний магнитосферы и ее различных резонансных полостей (десятки и сотни секунд) связывают обычно с неустойчивостями, возникающими при обтекании магнитосферы солнечным ветром. В последнее время, однако, развиваются представления о возможности существования внутримагнитосферных источников этих колебаний.