Исследование в геосферных оболочках динамических процессов, инициированных солнечным и литосферным воздействиями

Богданов Вадим Васильевич

    Актуальность темы

    Исследования динамических процессов в средней, верхней атмосфере и в различных областях магнитосферы Земли, а также изучение влияния солнечной активности на формирование геофизических процессов занимают в настоящее время одно из важных мест в науке о Земле и постоянно находятся в центре внимания научной общественности. Сформировавшееся понимание, что Земля и околоземное пространство представляет собой открытую физическую систему, дало возможность по-новому взглянуть как на уже полученную, так и на непрерывно поступающую информацию с наземных и космических средств наблюдения. Так как реальная физическая система непрерывно обменивается с внешней средой энергией, веществом, импульсом, энтропией и т.д., то процессы, развивающиеся в атмосфере и магнитосфере, естественно рассматривать с позиций существования непрерывного физического воздействия, имеющего, по отношению к ним, внешнее происхождение. К таким внешним воздействиям, проявление которых на разных уровнях атмосферы рассматриваются в данной работе, относятся явления, инициированные солнечными и литосферными процессами. Научный интерес к проблемам исследования механизмов взаимодействия атмосферы, околоземного космического пространства и литосферы определяется тем, что результаты таких исследований крайне важны для решения целого ряда фундаментальных и прикладных научных задач физики атмосферы, ионосферы, магнитосферы, распространения радиоволн и практических задач обеспечения, в конечном счете, безопасной жизнедеятельности на Земле.

    Запуски КА с научной аппаратурой в околоземное и межпланетное пространство привели к серьезным открытиям, позволившим иначе взглянуть на геофизические явления и выделить роль Солнца в их формировании. Активные процессы на Солнце сопровождаются электромагнитным излучением в широком диапазоне частот, генерацией солнечных космических лучей (СКЛ) и выбросом в межпланетное пространство огромных потоков плазмы с вмороженным в нее магнитным полем, названных солнечным ветром. Солнечный ветер достигает орбиты Земли и, взаимодействуя с ее магнитным полем, образует магнитосферу, полярные каспы, нейтральный токовый слой в хвосте и т.д. и является источником многих явлений, которые от внешней границы магнитосферы, определяемой положением ударной волны, через различные геосферные оболочки, трансформируясь и преобразуясь, распространяются к поверхности нашей планеты. Эти явления задают направление развитию многих интересных и важных процессов, в той или иной мере влияющих на эко- и биосистемы Земли. В связи с этим, в 1988 г. была разработана международная программа STEP (Solar-Terrestrial Energy Program), призванная изучить всю цепочку преобразования и трансформации энергии от Солнца к Земле. Центральное место в этой программе занимала тема: «Общие механизмы в солнечно-земной системе». В результате проведенных исследований пришло понимание, что, несмотря на разницу в масштабах формирующихся событий, процессы в фотосфере и хромосфере Солнца во многом аналогичны процессам, которые развиваются в магнитосфере Земли и наблюдаются в экспериментальных лабораторных установках. Была осознана важность и необходимость дальнейших исследований по изучению влияния Солнца на околоземное пространство и взаимодействие гео-сферных оболочек. Это послужило причиной разработки программы «Солнечная активность и физические процессы в системе Солнце-Земля» (координатор академик Жеребцов Г.А.) в рамках Программы фундаментальных исследований Президиума РАН.

    Многие явления, связанные с макроскопическими перемещениями плазмы, развитием различных плазменных неустоичивостеи, возникающих на магнитопаузе, в нейтральном слое и в районе каспа, так или иначе, проявляются в различных геосферных оболочках. Следовательно, нейтральный слой и высокоширотные каспы в магнитосфере Земли, нейтральные области в районе солнечных пятен, нейтральные токовые слои, образующиеся при 9-разрядах, - т. е. все нестационарные области магнитных полей, в которых реализуются нейтральные линии и нейтральные точки, являются источником многих интересных процессов в астрофизике, геофизике и, по-видимому, в установках лабораторного масштаба. Эти явления представляют собой важнейшую проблему в физике плазмы - проблему пересоединения магнитных силовых линий. В этих случаях реализуется универсальный механизм, приводящий к развитию неравновесных процессов и к преобразованию магнитной энергии в энергию плазмы. Этот механизм имеет и общефизическое значение, так как открывает путь к исследованию и развитию новых плазменных методов ускорения заряженных частиц. Такие теоретические исследования важны и с точки зрения обоснования новых механизмов разогрева в термоядерных исследованиях. Кроме того, экспериментально было установлено, что перестройка магнитного поля и эффект появления энергичных электронов (собственно сам вспышечный процесс) наблюдались только при выполнении некоторых условий, одним из которых является высокая степень вмороженности поля в плазму. При макроскопических движениях плазмы эта вмороженность должна проявляться на магнитных поверхностях, охватывающих нулевые точки и линии. В аксиально-симметричных полях указанное условие отождествляется с сохранением третьего адиабатического инварианта, который был введен Нортропом и Теллером как магнитный поток, охватываемый дрейфовой поверхностью. В таком виде он не совпадает с канонической формой адиабатических инвариантов движения.

    Наряду с фундаментальными открытиями, осуществленными с помощью КА, появилась серьезная проблема, связанная с надежностью и ресурсом их работы при эксплуатации в натурных условиях. Как показал опыт, двигаясь по орбите, КА пересекают различные геосферные оболочки и непрерывно подвергаются воздействию волновой и корпускулярной радиации в виде высокоэнергичных заряженных частиц, солнечных и галактических космических лучей. Такое взаимодействие не проходит для аппаратов бесследно и приводит к дифференциальному и объемному заряжению (электризации) и, как следствие, к эрозии диэлектрических и защитных элементов конструкции КА. Эксплуатация КА показала, что электризация ответственна за целый ряд сбоев и катастрофических отказов в работе не только научной, но и штатной, отвечающей за нормальную работу всего спутника, аппаратуры. Статистическая обработка данных выявила, что ~ 85% сбоев и отказов происходили в период магнитосферных возмущений. Однако оставшаяся часть зарегистрированного аномального поведения аппаратуры (-15%) происходила в условиях спокойной магнитосферы. Более того, были зарегистрированы не единичные случаи сбоев, возникавших в спокойной магнитосфере накануне сейсмических событий, когда подспутниковая точка ИСЗ проходила через район готовящегося землетрясения. Поэтому эксплуатация КА поставила не только перед конструкторами задачу по разработке методов и рекомендаций по их защите от нежелательного действия активной внешней среды, , но и перед учеными была сформулирована серьезная проблема, связанная с необходимостью объяснить причины и механизмы проникновения на ионосферные (сотни км) и в магнитосферные высоты (тысячи км) возмущений, которые формируются в сейсмоопасных областях литосферы.

    Структура ионосферы, распределение ее параметров по высоте и по составу определяется плотностью атмосферы и ее химическим составом, спектральными характеристиками солнечного излучения. Одновременно с регулярными изменениями параметров ионосферы, соответствующих суточному и сезонному ходу, а также определяемых активностью Солнца в сейсмоактивных регионах Земли может наблюдаться также и аномальное поведение распределения таких характеристик ионосферы, как f0F2, f0Es и f0E, соответствующих им действующих высот h', в эффектах проявления турбулизации слоев F2 и Es (F-spread и Es-spread) и т.д., наблюдаемых накануне землетрясения и задаваемых литосферно-ионосферными взаимодействиями. Современными исследованиями установлено, что литосфера активно влияет на физические процессы, протекающие в верхних геосферных оболочках. Установлено, что период, предшествующий землетрясению (ЗТ), сопровождается развитием целого ряда явлений, имеющих механическую, гидрохимическую, электромагнитную природу и регистрируемых как на поверхности Земли, так и на ионосферных и магнитосферных высотах. Каждое из этих явлений сопровождается формированием ряда определенных признаков, которые часто маскируются процессами, связанными с проявлением активности Солнца.

    Эффективная ионизация ионосферы волновым излучением происходит на высотах выше 80км. Ниже, в области D, ионизация в основном обеспечивается солнечными и галактическими космическими лучами. Вторгаясь в нижнюю атмосферу, космические лучи ионизируют нейтральный газ и создают дополнительные носители электрического тока, что ответственно за изменение проводимости и за перераспределение атмосферного электричества. Вспышки на Солнце приводят к дополнительной ионизации и, как следствие, к изменению скоростей протекания физико-химических процессов, созданию дополнительных центров конденсации и усилению процесса образования аэрозолей.

    Основные научные положения, выносимые на защиту:

    1. Доказательство эквивалентности канонической и потоковой форм представления третьего адиабатического инварианта движения заряженной частицы в аксиальных магнитных полях в дрейфовом приближении и в приближении среднего дрейфа; полученные дополнитель­ ные инвариантные формы, необходимые для построения системы координат (кинетической модели переноса), справедливой в переменных магнитных полях (см. п.3).  
    2. Обоснованный механизм нарушения третьего адиабатического инварианта в дрейфо­вом приближении и приближении среднего дрейфа для аксиальных и слабо отличных от акси­альных магнитных полей, обусловленный ускорением радиального дрейфа R& & . Произведена оценка точности сохранения третьего инварианта, связанная с возможностью пренебречь куму­лятивными эффектами этого ускорения в переменном поле.  
    3. Проведенный анализ характера деформаций инвариантных оболочек в геомагнитной ловушке во время глобальных магнитосферных возмущений, и полученный на основе этого анализа с привлечением дополнительных инвариантных форм (см.п.1) возможный механизм появления в плазмосфере холодных и горячих протонов соответственно на главной и восстано­вительных фазах магнитной бури.  
    4. Обобщенная система координат, которая при условии сохранения трех адиабатиче­ских инвариантов переводит функцию распределения частиц в реальном деформированном поле в соответствующую функцию невозмущенного (опорного) поля путем адиабатической вариации магнитного поля, что позволяет судить не только о степени вмороженности потоков в магнитное поле, но и о проникновении новых частиц в ловушку.  
    5. Самосогласованная модель электризации диэлектриков потоком заряженных частиц, позволяющая рассчитывать профили распределения потенциалов и напряженности электриче­ского поля уже на стадии проектирования, оценивать степень опасности заряжения КА на дан­ной орбите и разрабатывать соответствующие меры защиты. Модель позволяет рассмотреть возможный механизм, объясняющий возникновение реально зарегистрированных фактов ано­мального поведения КА накануне сейсмических событий, тем самым косвенно подтвердить наличие литосферно-магнитосферных связей.  
    6. Впервые выполненные исследования динамики изменений критической частоты foF2 методами дискретного и непрерывного вейвлет-преобразования совмещенными с моделями авторегрессии - проинтегрированного скользящего среднего, дающие возможность определить аномальное поведение ионосферных параметров, обусловленное литосферными процессами перед сильными сейсмическими событиям.  
    7. Впервые проведенный статистический анализ параметров спорадических слоев Еs и F2 ионосферы, подверженных диффузионному расширению, так называемые Еs-spread, F-spread.  
    8. Впервые предложенная статистическая модель сейсмичности п-ова Камчатка, выде­ленный на ее основе методами вейвлет-анализа прогностический признак Кроноцкого земле­трясения, который сформировался в последний год перед событием, инвариантная форма зако­на повторяемости сейсмических событий в вероятностной интерпретации, ее связь с законом Гутенберга-Рихтера. 

    Исследование в геосферных оболочках динамических процессов, инициированных солнечным и литосферным воздействиями : диссертация ... доктора физико-математических наук : 25.00.29 / Богданов Вадим Васильевич; [Место защиты: Ин-т солнечно-земной физики СО РАН].- с. Паратунка, 2008.- 265 с.: ил. РГБ ОД, 71 09-1/274