Исследования по магнитосфере, ионосфере и варициям геомагнитного поля

На главную | Контакты | Карта сайта

| Система Грант-Экспресс

| Новости РФФИ
| Объявления
| Подписка на новости

| Общие сведения о РФФИ
| Кто есть кто в РФФИ
| Состав совета Фонда
| Адрес и телефон для справок

| Устав РФФИ
| Указы Президента
| Постановления и распоряжения Правительства

| Нормативные документы

| Решения совета Фонда

| Конкурсы РФФИ
| Региональные конкурсы
| Международные конкурсы
| Программы РФФИ
| Финансовое обеспечение проектов

| Вестник РФФИ
| Газета Поиск
| Публикации в СМИ
| Книги, изданные при поддержке РФФИ
| Информационный бюллетень РФФИ
| Издания РФФИ

| Использование результатов
| Контроль использования финансовых средств

| Международная деятельность
| Научные фонды
| Ведомства и академии
| Библиотеки и информационные центры
| Полезные ссылки

| Издательство Wiley
| Издательство «The American Mathematical Society»
| Издательство Elsevier
| Американское физическое общество (APS)
| Издательство IOP Publishing Limited
| Издательство The Royal Society of Chemistry
| Издательство Springer

| Введение
| 2009 год
| 2010 год
| 2011 год

| WIN-1251
| KOI8-R
| English

ИССЛЕДОВАНИЯ ПО МАГНИТОСФЕРЕ, ИОНОСФЕРЕ И ВАРИЦИЯМ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Доктор физ.-мат. наук, профессор Я.И. Фельдштейн,
Доктор физ.-мат. наук Г.А. Фонарев, ИЗМИРАН

Исследование вариаций геомагнитного поля, являющегося частью науки о магнитном поле, относится к области классических фундаментальных наук. Оно получило существенное развитие в спутниковую эру. Прямые измерения в космосе, поддержанные сетью наземных станций, позволили получить трехмерную картину токов и полей от расстояний в десятки радиусов Земли до ее поверхности. Одним из стимулов изучения геомагнитного поля и его вариаций послужила вполне возможная причинная связь возникновения органической жизни на Земле с существованием у Земли магнитного поля. Это поле экранирует поверхность Земли от проникновения вредных излучений, существующих в околосолнечном пространстве в виде энергичных заряженных частиц.

В результате взаимодействия геомагнитного поля с потоком плазмы, непрерывно движущейся от Солнца, вокруг Земли образуется полость, получившая название магнитосферы. Ее размер от десяти до сотен земных радиусов. Магнитное поле Земли сосредоточено в магнитосфере и является определяющим для протекания электромагнитного комплекса явлений в околоземном пространстве.

Под действием волнового излучения Солнца на высотах от нескольких десятков до нескольких сот километров происходит ионизация газов верхней атмосферы и образуется ионосфера. Ионосфера и магнитосфера - это внешние оболочки околоземного пространства, того безбрежного океана, на дне которого обитает человечество. Исследования процессов, протекающих в ионосфере и магнитосфере земли, помимо познавательного значения, имеют и прикладной аспект для диагностики и прогноза электромагнитного состояния околоземного пространства (космическая погода), предупреждения возможных техногенных катастроф и т.д. Для получения достоверных результатов необходимы как данные от широкой сети наземных станций, так и измерения на ракетах, спутниках и космических кораблях. В силу этих обстоятельств исследования магнитосферы ведутся в рамках международных исследовательских программ при широкой кооперации ученых из разных стран.

Кратко охарактеризуем исследования по магнитосфере и ионосфере, пользующиеся поддержкой РФФИ.

Исследования околоземного пространства осуществлялись по широкому кругу проблем от определения характеристик солнечного ветра, контролирующих процессы в магнитосфере и ионосфере Земли, до процессов в верхней атмосфере на высотах ~ 100 км над земной поверхностью. М.И.Пудовкин (СПбГУНИИФ, 97-05-64458) исследовал магнитное пересоединение в переносимом солнечным ветром токовом слое конечной толщины при наличии нормальной к слою компоненты магнитного поля и предложил модель межпланетного токового слоя. Оказывается, что на орбите Земли магнитное поле солнечного ветра можно наблюдать в виде петель, открытых как в направлении от Солнца, так и к Солнцу.

Известно, что магнитные возмущения на поверхности Земли обусловлены воздействием солнечных корпускулярных потоков, и ряд проектов направлен на изучение как характеристик солнечного ветра по наземным наблюдениям микропульсаций (Б.В.Довбня, ОИФЗ, Борок, 95-05-14445), так и геомагнитным возмущениям, вызываемым прохождением Земли через потоки межпланетной магнитоплазмы, и предвестникам геомагнитных возмущений (К.Г.Иванов, ИЗМИРАН, 96-05-64889).

О.А.Похотелов (ОИФЗ, 97-05-65404) в сотрудничестве с С.И.Соловьевым (ИКФИА, Якутск) и А.С.Потаповым (ИСЗФ, Иркутск) провели экспериментальное и теоретическое исследования взаимосвязи между макро- и микроструктурами авроральных процессов и параметрами солнечного ветра для использования геомагнитных возмущений в целях мониторинга околоземной среды. Существующие российские и международные меридиональные сети магнитометров были дополнены на территории России новыми среднеширотными станциями, данные которых через сеть Internet стали доступны мировому сообществу.

Ряд проектов посвящен разработке основополагающей проблемы взаимодействия плазмы солнечного ветра с геомагнитным полем и процессам на дневной магнитопаузе. В.С.Семенов (СПбГУ НИИФ 97-05-64063) проводит теоретическое и экспериментальное исследование импульсного пересоединения на магнитопаузе, С.Н.Кузнецов (НИИЯФ МГУ, 96-05-65075) - исследование динамики магнитопаузы и внешней магнитосферы с помощью спутников, а поведение электрических полей в области магнитного пересоединения на дневной магнитопаузе по данным о динамике полярных сияний в области проекции дневного каспа на ионосферу изучено в грантах М.И.Пудовкина и Г.В.Старкова (ПГИ КНЦ, 96-05-64273). Наблюдения динамики полярных сияний в области полярного каспа используются для определения закономерностей распределения во времени и пространстве крупномасштабных электрических полей на магнитопаузе и в полярной ионосфере. По скоростям движения сияний оценены временные вариации электрических полей в дневной части магнитосферы, которые сопоставлены с оценками таких полей, полученных по параметрам солнечного ветра.

В.И.Денисенко (Вычислительный центр СО РАН, 95-05-14192) построена математическая модель крупномасштабных магнитосферных процессов, описывающая обтекание магнитосферы солнечным ветром, проникновение электрического поля через магнитопаузу, генерацию электрического поля на магнитопаузе и в хвосте магнитосферы. Рассчитаны электрические и магнитные поля в окрестности магнитопаузы при различной ориентации ММП. Впервые рассчитано влияние ММП на обтекание неосесимметричных магнитосфер. Созданные модели являются оригинальными и в их рамках проинтерпретированы экспериментальные данные. Сравнение результатов численного моделирования магнитогазодинамического обтекания солнечным ветром магнитосферы Земли с экспериментальными данными, полученными на спутниках AMPTE и IRM, показало их хорошее согласие с модельными расчетами.

Измерения высыпающихся электронов и ионов на спутниках послужили О.А.Трошичеву (ААНИИ, 96-05-65823) материалом для изучения влияния параметров солнечного ветра на размер полярной шапки и распределения энергии корпускулярных вторжений в авроральном овале и в полярной шапке. Идентификация границ областей корпускулярных вторжений проводилась с использованием характеристик высыпающихся ионов. Получены корреляционные соотношения, описывающие влияние магнитной активности и компонент межпланетного магнитного поля на положение плазменных границ в различных секторах местного времени. Предложена прогностическая модель влияния параметров солнечного ветра и магнитной активности на размер полярной шапки.

Важнейшее значение для исследований по физике магнитосферы и смежных областей геофизики имеет создание модели магнитного поля, зависящей от геомагнитной активности и параметров солнечного ветра (Ю.П.Мальцев, ПГИ КНЦ, 96-05-64305; И.И.Алексеев, НИИЯФ МГУ, 95-05-14057). Это направление геофизической науки, в котором исследования в России не только не уступают зарубежным, но и в ряде существенных результатов опережают мировой уровень.

Ю.П.Мальцев на основе нескольких десятков тысяч спутниковых измерений компонент магнитного поля в пределах магнитосферы построил полуэмпирическую модель магнитного поля. Модель позволяет рассчитать компоненты магнитосферного магнитного поля для различных геофизических ситуаций и выяснить, каким образом различные факторы (Dst, Kp и AE - индексы, наклон диполя, давление и магнитное поле солнечного ветра) влияют на пространственную структуру магнитного поля, на положение магнитопаузы, на распределение магнитосферных электрических токов, на ионосферную проекцию различных областей магнитосферы. Построены карты проекций геомагнитных координат в экваториальную плоскость магнитосферы на расстояниях < 10 Re с использованием этой многофакторной модели магнитного поля.

Другой, концептуальный, подход для построения модели магнитного поля использовал И.И.Алексеев, проведший теоретическое и численное моделирование крупномасштабных процессов, происходящих в магнитосфере Земли в периоды магнитосферных возмущений.

И.И.Алексеевым создана новая версия параболоидной модели магнитного поля в магнитосфере. В магнитосфере Земли результирующее поле представляется в виде суммы дипольного поля, поля токов на магнитопаузе, экранирующих дипольное поле и зависящих от угла наклона геомагнитного диполя и геоцентрического расстояния до подсолнечной точки на магнитопаузе (R1), поля токовой системы хвоста магнитосферы, зависящего от R1 и расстояния до переднего края токового слоя в хвосте магнитосферы (R2), поля кольцевого тока и экранирующих это поле токов на магнитопаузе. Магнитное поле всех этих токов рассчитывалось из условия равенства нулю нормальной к магнитопаузе компоненты магнитного поля. Новая версия модели включает и модель магнитного поля продольных токов. Все входные параметры модели имеют ясный физический смысл и могут быть определены из спутниковых и наземных наблюдений: значения R1 определяются параметрами солнечного ветра; магнитный поток в долях хвоста магнитосферы и значение R2 определяются по расположению границ плазменных вторжений на космических аппаратах DMSP; магнитное поле кольцевого тока определяется по полной энергии ионов во внутренней магнитосфере по измерениям на спутнике AMPTE/CCE. В параболоидной модели вариации магнитного поля от каждого источника могут быть рассчитаны независимо друг от друга, что позволяет исследовать вклад каждой токовой системы в магнитосферные возмущения раздельно и, следовательно, анализировать процессы разных временных масштабов, протекающие одновременно.

Геофизические явления в высоких широтах и их связи с параметрами межпланетной среды и структурой авроральных высыпаний явились предметом исследований В.Г.Воробьева (ПГИ КНЦ, 96-05-64222). Изучались особенности пространственного распределения аврорального свечения в предполуденном секторе, связь его с параметрами межпланетной среды и структурой авроральных высыпаний, условия формирования и динамика конвективных вихрей в дневной высокоширотной ионосфере. Показано, что конвективные вихри в утренние часы с максимумом появления в 09 MLT проектируются магнитными силовыми линиями во внутреннюю магнитосферу и их появление является своеобразной реакцией внутренней магнитосферы на небольшие возмущения магнитопаузы.

Изучению движущихся вихрей конвекции по радарным измерениям скорости дрейфа посвящено исследование В.Б.Ляцкого (ПГИ КНЦ, 97-05-65894). Показано несоответствие вихрей в конвекции и в эквивалентных ионосферных токах: максимум возмущения в магнитном поле располагается экваториальнее максимума возмущения в конвекции. Рассмотрено несколько механизмов генерации движущихся к полюсу сияний в дневной высокоширотной ионосфере, изучены всплески высыпаний ускоренных электронов.

Разработанные в рамках проекта Я.И.Фельдштейна (ИЗМИРАН, 96-05-66279) физические обоснования для идентификации границ областей авроральных плазменных вторжений использованы для определения границ полярной шапки и плазменных структур. Детальная количественная схема идентификации границ между различными типами плазменных вторжений, различающихся как по структуре, так и по характеру энергетических спектров, доведена до алгоритмов автоматической, с помощью компьютера, количественной классификации границ плазменных вторжений. Полученная информация использовалась для изучения динамики границ плазменных образований в интервалы конкретных магнитных бурь и определения входных параметров параболоидной модели магнитного поля в магнитосфере. С использованием этой модели определен вклад в Dst вариацию магнитных полей токов на магнитопаузе, в радиационной зоне, в хвосте магнитосферы. По одновременным наземным наблюдениям за положением авроральных электроструй и спутниковым наблюдениям за вторжениями электронов и ионов авроральных энергий показано, что восточная авроральная электроструя располагается в районе диффузных электронных вторжений, а ее центр приходится на широту максимума потока энергии ионов; западная электроструя охватывает область как дискретных, так и диффузных вторжений. При проектировании электроструй в магнитосферу восточная электроструя попадает в область кольцевого тока, а западная электроструя - в плазменный слой хвоста магнитосферы. М.Г.Деминов (ИЗМИРАН, 95-05-14226) провел моделирование формирования ионосферных провалов, связанных с кольцевым током в магнитосфере.

Формирование плазменного слоя в хвосте магнитосферы из ионосферных частиц и динамика аврорального овала изучается Е.В.Вороновым (ИСЗФ, 96-05-64478). Проведено трехмерное численное моделирование движения ионов в хвосте магнитосферы в одночастичном приближении. Установлено, что скачкообразное усиление глобального электрического поля приводит к образованию во внешнем слое хвоста облака горячей плазмы. После отражения от магнитного зеркала плазма проникает в область околоземного хвоста.

А.В.Гульельми (ОИФЗ, 96-05-64445) заложил основы теории пондермоторного перераспределения ионов вдоль геомагнитных силовых линий под воздействием ионно-циклотронных волн и волн Альвена. Результаты теории сопоставлены с наблюдениями на спутниках Viking, Freja и Akebono во время магнитосферных суббурь. Показано, что бегущие ионно-циклотронные волны "сгребают" ионы по направлению к минимуму напряженности магнитного поля, что приводит к немонотонному распределению плотности плазмы вдоль силовых линий.

Ряд проектов предполагает изучение магнитосферных суббурь, составляющих краеугольный камень динамики процессов в возмущенной магнитосфере. В.М.Мишин (ИСЗФ, 96-05-64348) разрабатывает единый сценарий начала, протекания и затухания магнитосферных суббурь и солнечных вспышек. Выполнены исследования ряда суббурь, рекомендованных для изучения международным сообществом в интервалах CDAW6 с использованием общего для двух явлений параметра - открытого магнитного потока в хвосте геомагнитосферы или магнитосферы вспышечной области на Солнце. Пересоединение открытого магнитного потока начинается одновременно с началом фазы развития суббури. Предложен метод изучения взаимодействия вспышечной области на Солнце с поднимающимся магнитным потоком на основе измерений по H - фильтрограммам магнитных полей во вспышке. Как и суббури, солнечные вспышки развиваются как двухстадийный процесс, с двумя последовательными активными фазами. Проект предполагает завершиться созданием методов определения для магнитосфер Земли и вспышечной области на Солнце открытого магнитного потока, потока вектора Пойнтинга через границу магнитосферы, длины магнитосферного хвоста. М.Г.Гельберг (ИКФИА, 95-05-14329) сосредоточился на изучении предвестников и протекании предварительной фазы суббури.

А.Е.Левитин (ИЗМИРАН, 96-05-65067) на основе созданного по международной программе STEP банка одноминутных геомагнитных данных высокоширотных обсерваторий, провел исследование пространственно-временной структуры геомагнитных вариаций в период суббурь. Получена новая токовая система суббури DP1, описывающая распределение высокоширотных токов в момент максимума суббури.

Одной из важнейших прикладных проблем солнечно-земной физики является определение электромагнитной обстановки в космическом пространстве (космическая погода) в зависимости от параметров солнечного ветра. Такая задача была решена А.Е.Левитиным (ИЗМИРАН, 93-05-8722). Это то направление геофизической науки, где уровень российских исследований не уступает зарубежным. Были разработаны модели пространственно-временных распределений компонент электрических и магнитных полей, продольных и ионосферных токов, джоулевой диссипации (модель ИЗМЭМ). Конвекция магнитосферно-ионосферной плазмы при различных условиях в солнечном ветре, спутниковые исследования и аналитические модели изучаются Н.В.Исаевым (ИЗМИРАН, 97-05-64359), а методы определения и результаты расчетов пространственного распределения продольных токов по наземным магнитным данным А.Л.Котиковым (ААНИИ, 95-05-15327).

Существование земной ионосферы обусловлено ионизацией газов верхней атмосферы волновым излучением Солнца. Исследование свойств ионосферы как естественного индикатора переменности Солнца в крайней ультрафиолетовой и мягкой рентгеновской областях спектра выполнено А.А.Нусиновым (ПГИ, 95-05-15420), а в проекте В.А.Еременко (ИЗМИРАН, 96-05-65367) рассмотрена целенаправленная модификация ионосферной плазмы под воздействием мощного коротковолнового излучения.

В последние годы во всем мире активно ведутся исследования по радиотомографии ионосферы и магнитосферы для получения двумерных распределений электронной плотности на основе современных навигационных систем. В.Е.Куницыным (МГУ, 96-05-65875) в рамках разработки проекта радиотомографической системы на базе навигационных систем ГЛОНАСС (Россия) и НАВСТАР (США) проведено систематическое моделирование магнитосферно-ионосферной радиотомографии. Создан комплекс эффективных и оптимальных алгоритмов и программ предобработки, обработки и управления радиотомографическим экспериментом. Разработаны принципиально новый метод и алгоритмы пространственно-временной томографии. Проанализированы различные геометрии экспериментальных схем регистрации в комбинации с низко-, средне-, высокоорбитальными спутниками и наземными приемниками. Фазовые измерения и измерения групповых задержек радиосигналов навигационных систем позволяют определять линейные интегралы от электронной концентрации с учетом временных вариаций плотности околоземной плазмы за время радиотомографического сеанса ~ 30-60 мин. Разработанное в рамках проекта экспериментальной радиотомографической системы программное обеспечение, методы, алгоритмы и система управления радиотомографическим экспериментом не имеют зарубежных аналогов.

В результате проведенных в рамках проекта Е.Д.Терещенко (ПГИ КНЦ, 96-05-64274) работ создана теоретическая основа анализа амплитудных мерцаний радиосигналов спутников, дано теоретическое обоснование метода амплитудной томографии. На основе обработки экспериментальных данных по регистрации амплитудных мерцаний радиосигналов показана принципиальная возможность восстановления распределения дисперсии флуктуаций электронной плотности мелкомасштабных неоднородностей F-области ионосферы томографическим методом. Развитию аналитических методов решения прямых и обратных задач формирования профилей электронной концентрации среднеширотной ионосферы посвящено исследование Ю.К.Калинина (ИПГ, 95-05-14173).

Экспериментальное исследование вертикальных и турбулентных движений в нижней ионосфере с использованием искусственных периодических неоднородностей (ИПН) электронной концентрации проводится Е.А.Бенедиктовым (НИРФИ, 96-05-65130). Анализ экспериментальных данных по релаксации ИПН позволил определить турбулентные скорости плазмы, связь турбулентности со скоростями вертикальных движений и другими параметрами атмосферы. Получен временной ход "мгновенных" и усредненных значений времен релаксации. Во временном ходе релаксации обнаружены квазипериодические вариации, связанные с прохождением внутренних гравитационных волн. Впервые обнаружено наличие максимумов в высотном ходе релаксации ИПН, обусловленных присутствием спорадических слоев на высотах области E ионосферы. Высотные профили времен релаксации ИПН выше турбопаузы соответствуют диффузному характеру релаксации ИПН. Вблизи турбопаузы значения времен релаксации резко уменьшаются.

А.В.Павлов развил теорию диффузии атомарного кислорода в состоянии 1D и разработал механизм влияния такой диффузии на объемную скорость эмиссии в субавроральных красных дугах (SAR-дуги). Показано, что учет диффузии уменьшает интенсивность SAR-дуг на 6-13%, уменьшает высоту максимума эмиссии на 20-25 км. Для объяснения наблюдаемого в северном полушарии увеличения скорости эмиссии с ростом солнечной активности не требуется предполагать увеличение эффективности передачи энергии от кольцевого тока к плазмосфере. Эти изменения объяснены в рамках модели с использованием химических реакций в ионосфере с учетом распределения нейтральных и ионизованных компонент по колебательным уровням.

Магнитные вариации или переменное магнитное поле как фундаментальное направление в научных исследованиях во многом потеряло свою актуальность. Действительно, морфология и свойства магнитных вариаций изучены достаточно хорошо. Первичные источники вариаций в основном сосредоточены в магнитосфере и ионосфере Земли. Наблюдения магнитных вариаций служат индикатором процессов, происходящих в верхней атмосфере. В этом заключается основная ценность таких наблюдений. Магнитные вариации, кроме того, используются в магнитотеллурическом и магнитовариационном зондировании. В этом случае они являются источником информации о строении земной коры и верхней мантии. Как пример такого рода работы назовем грант 94-05-16346 "Использование спутниковых и наземных вариаций геомагнитного поля в проблеме внутреннего строения Земли" (Н.М.Ротанова). Геомагнитные вариации являются помехами при любых видах съемки постоянного магнитного поля (морской, воздушной, наземной, спутниковой). Проблемной задачей является учет магнитных вариаций. Только решение этой задачи позволит повысить точность магнитных измерений (гранты 97-05-64172 "Аномальные геомагнитные поля по спутниковым и наземным измерениям в проблеме внутреннего строения и процессов тектоносферы Земли, Н.М.Ротанова; 98-06-64227 "Изучение слабых магнитных аномалий на фоне вариаций с помощью морской градиентометрии", А.М.Филин).

Одним из новых направлений является изучение градиентов магнитных вариаций. В работе Г.А.Фонарева (грант 95-05-15455) сделаны оценки градиентов вариаций на поверхности океана применительно к учету вариаций при гидромагнитной съемке. Градиенты пульсаций служат объектом исследований гранта "Разработка нового наземного дифференциального метода для изучения динамики ионосферных источников геомагнитных пульсаций (Ю.А.Копытенко, 96-05-64 874). Градиенты вариаций зависят от вида первичного источника. Вторым источником вариаций являются индуцированные в Земле электрические токи. Здесь заложена информация о геоэлектрическом строении. Таким образом, магнитные вариации, регистрируемые на поверхности Земли, являются суперпозицией магнитных полей источников в верхней атмосфере и индуцированных в твердой Земле токов. Компоненты магнитных вариаций при этом ведут себя по разному. В пределе горизонтальные компоненты удваиваются, а вертикальные стремятся к нулю. Известно, что на поверхности океана вертикальные компоненты магнитных пульсаций отсутствуют (эффект Жигалова), а на поверхности твердой Земли они малы. Градиенты вариаций в однородно-слоистой Земле ведут себя аналогичным образом. Еще более сложная картина будет при наличии электрических неоднородностей. Количественные построения, в основе которых лежат наблюдения магнитных вариаций и их градиентов, нужно делать с учетом импедансов (волновое сопротивление Земли).

Таким образом, проекты по изучению магнитосферы, ионосферы и вариациям магнитного поля охватывают практически все аспекты геофизики околоземного пространства и частично твердой Земли. Они носят, как правило, фундаментальный характер с одновременным выходом в практику. В исследованиях используются материалы глобальных сетей магнитных обсерваторий, а сами работы являются составными частями международных программ и проектов. Многие результаты работ, выполненных в рамках проектов РФФИ, находятся на уровне мировой науки и получили признание мировой общественности.

Copyright © 1997-2007 РФФИ | Дизайн и программирование: Intra-Center