Диссертация (Распространение волн в токовом слое хвоста магнитосферы земли)
Описание файла
Файл "Диссертация" внутри архива находится в папке "Распространение волн в токовом слое хвоста магнитосферы земли". PDF-файл из архива "Распространение волн в токовом слое хвоста магнитосферы земли", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "физико-математические науки" из Аспирантура и докторантура, которые можно найти в файловом архиве СПбГУ. Не смотря на прямую связь этого архива с СПбГУ, его также можно найти и в других разделах. , а ещё этот архив представляет собой кандидатскую диссертацию, поэтому ещё представлен в разделе всех диссертаций на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук.
Просмотр PDF-файла онлайн
Текст из PDF
ÑÀÍÊÒ-ÏÅÒÅÐÁÓÐÃÑÊÈÉ ÃÎÑÓÄÀÐÑÒÂÅÍÍÛÉ ÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒÍà ïðàâàõ ðóêîïèñèÊÓÁÛØÊÈÍÀ ÄÀÐÜß ÈÃÎÐÅÂÍÀÐÀÑÏÐÎÑÒÐÀÍÅÍÈÅ ÂÎËÍ Â ÒÎÊÎÂÎÌ ÑËÎÅ ÕÂÎÑÒÀÌÀÃÍÈÒÎÑÔÅÐÛ ÇÅÌËÈñïåöèàëüíîñòü 01.03.03 ôèçèêà ÑîëíöàÄèññåðòàöèÿ íà ñîèñêàíèå ó÷¼íîé ñòåïåíè êàíäèäàòà ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõíàóêÍàó÷íûé ðóêîâîäèòåëü:äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð Â.Ñ. ÑåìåíîâÑàíêò-Ïåòåðáóðã2015ÑîäåðæàíèåÂâåäåíèå41Ôîðìóëèðîâêà àêòóàëüíîé ïðîáëåìû è îáçîð äèññåðòàöèè91.1Ôîðìóëèðîâêà ïðîáëåìû . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91.2Îáçîð ðàáîòû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1223Ôëýïïèíã êîëåáàíèÿ òîêîâîãî ñëîÿ õâîñòà ìàãíèòîñôåðû162.1Íàáëþäåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162.2Ñóùåñòâóþùèå ìîäåëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .172.3Ìîäåëü äâîéíîãî ãðàäèåíòà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182.3.1Îïèñàíèå ìîäåëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182.3.2Ðàçäåëåíèå ìîä ôëýïïèíã êîëåáàíèé . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .242.3.3Íàáëþäåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .262.4Ñìåøàííûå ìîäû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .312.5Ðàçäåëåíèå ìîä â ïðèñóòñòâèè øóìà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.332.6Ìåõàíèçì ãåíåðàöèè ôëýïïèíã âîëí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37Ñèììåòðè÷íûå è íåñèììåòðè÷íûå êîíôèãóðàöèè ÒÑ: ðåçóëüòàòû ñòàòèñòè÷åñêîãî èññëåäîâàíèÿ433.1Ðîëü àñèììåòðèè â äèíàìèêå òîêîâîãî ñëîÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .433.2Ñòàòèñòè÷åñêîå èññëåäîâàíèå ÷èñëà ñóááóðü â çàâèñèìîñòè îò óãëà íàêëîíàäèïîëÿ è ïàðàìåòðîâ ñîëíå÷íîãî âåòðà. . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .463.3Çàâèñèìîñòü ÷èñëà ñóááóðü îò ñêà÷êîâ íàïðàâëåíèÿ ñîëíå÷íîãî âåòðà . . . . .513.4Ñèììåòðèÿ ñëîÿ è èíòåíñèâíîñòü ñóááóðü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .543.5Ñèììåòðèÿ ñëîÿ è âåëè÷èíà ïîëÿ â äîëÿõ: ðåçóëüòàòû ýìïèðè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .455Àñèììåòðè÷íûå òîêîâûå ñëîè604.1Ñóùåñòâóþùèå ìîäåëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .604.2Óðàâíåíèå Âëàñîâà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .624.3Ðåøåíèÿ óðàâíåíèÿ Ãðýäà-Øàôðàíîâà . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .654.3.1Ðåøåíèå Õàððèñà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .654.3.2Ðåøåíèå Ôàäååâà. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .664.3.3Ðåøåíèå Êàíà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6724.3.4Ðåøåíèå Ìàíàíêîâîé . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .684.4Àñèììåòðè÷íûå ðåøåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .694.5Îáú¼ì ñèëîâûõ òðóáîê â àñèììåòðè÷íûõ êîíôèãóðàöèÿõ. Ñîïîñòàâëåíèå àíàëèòè÷åñêèõ ðåøåíèé ñ ðåçóëüòàòàìè ýìïèðè÷åñêèõ ìîäåëåé.5. . . .
. . . . . .75Ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì íîâûõ àñèììåòðè÷íûõ ðåøåíèé815.1Êîëåáàíèÿ òîíêîé ïëàçìåííîé òðóáêè â èçîãíóòîì òîêîâîì ñëîå . . . . . . . .815.2Èíäóöèðîâàííîå ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå â èçãèáíîì òîêîâîì ñëîå . . . . . . . . .86Çàêëþ÷åíèå92Ñïèñîê ëèòåðàòóðû953ÂâåäåíèåÄàííàÿ ðàáîòà ïîñâÿùåíà èçó÷åíèþ äèíàìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â õâîñòå ìàãíèòîñôåðû Çåìëè,à òàêæå îïðåäåëåíèþ ðîëè íàðóøåíèé ñèììåòðèè â ìàãíèòîñôåðíîé äèíàìèêå è ïîñòðîåíèþîñíîâû (ìîäåëè èçîãíóòîãî òîêîâîãî ñëîÿ), ïîçâîëÿþùåé èññëåäîâàòü ïðîöåññû â àñèììåòðè÷íûõ êîíôèãóðàöèÿõ.Àêòóàëüíîñòü òåìû.Âïåðâûå âîïðîñ î âëèÿíèè àñèììåòðèè áûë ïîäíÿò åù¼ â ñòàòüå(Kivelson and Hughes, 1990). Àâòîðû âûñêàçàëè ïðåäïîëîæåíèå, ÷òî àñèììåòðèÿ ìàãíèòîñôåðíîé êîíôèãóðàöèè ìîæåò âëèÿòü íà ïîðîã ñðûâà ñóááóðè, òî åñòü èçîãíóòûé òîêîâûéñëîé â õâîñòå ìàãíèòîñôåðû è áîëüøàÿ êðèâèçíà ìàãíèòíûõ ñèëîâûõ ëèíèé îáëåã÷àþò âîçíèêíîâåíèå íîâîé íåéòðàëüíîé ëèíèè âáëèçè Çåìëè, à çíà÷èò ñóááóðÿ ìîæåò íà÷àòüñÿ ïðèìåíüøåé ìàãíèòíîé ýíåðãèè, íàêîïëåííîé â õâîñòå.
Òàêèì îáðàçîì, áoëüøàÿ àñèììåòðèÿäîëæíà ïðèâîäèòü ê áoëüøåìó êîëè÷åñòâó ñëàáûõ ñóááóðü, ïðîèñõîäÿùèõ ñ ìåíüøèì íàêîïëåííûì ìàãíèòíûì ïîòîêîì â õâîñòå. Äîëãîå âðåìÿ ýòî ïðåäïîëîæåíèå îñòàâàëîñü áåçâíèìàíèÿ è íå íàõîäèëî ïîäòâåðæäåíèÿ, òàê êàê äàííûé ýôôåêò ÿâëÿåòñÿ äîñòàòî÷íî òîíêèì, è âûäåëèòü åãî îêàçûâàåòñÿ íåïðîñòî. Ïåðèîäû æå íàèáîëüøåé ãåîìàãíèòíîé àêòèâíîñòè, òî åñòü èíòåðâàëû ñ íàèáîëüøèìè çíà÷åíèÿìè Dst è Kp èíäåêñîâ, ïðèõîäÿòñÿ íà ïåðèîäû ðàâíîäåíñòâèé, êîãäà êîíôèãóðàöèÿ ìàãíèòîñôåðû íàèáîëåå ñèììåòðè÷íà (ýôôåêòÐàññåëà-Ìàê Ôåððîíà, îáóñëîâëåííûé íàêëîíîì îñè âðàùåíèÿ Çåìëè ïî îòíîøåíèþ ê ïëîñêîñòè ýêëèïòèêè, ñì. [Russel and McPherron, 1973, Zhao and Zong, 2012]). ðàáîòå Partamies et al. (2013) áûëà èññëåäîâàíà çàâèñèìîñòü ÷èñëà ñóááóðü îò âðåìåíè ãîäà. Îáíàðóæèëîñü, ÷òî áîëüøåå ÷èñëî ñîáûòèé ïðîèñõîäèò â ñåðåäèíå çèìû (ÿíâàðüôåâðàëü) è â àâãóñòå, êîãäà ìàãíèòîñôåðíàÿ êîíôèãóðàöèÿ çà ñ÷åò ãîäîâûõ âàðèàöèé óãëàíàêëîíà äèïîëÿ ñòàíîâèòñÿ ñèëüíî àñèììåòðè÷íîé.
Êðîìå òîãî, â ñòàòèñòè÷åñêîì èññëåäîâàíèè Nowada et al. (2009) áûëî ïîêàçàíî, ÷òî èíäåêñû àâðîðàëüíîãî ýëåêòðîäæåòà (AL, AU)äîñòèãàþò áoëüøèõ çíà÷åíèé â ïåðèîäû ìàëûõ äèïîëüíûõ óãëîâ, ÷òî ïîäòâåðæäàåò èäåþ(Kivelson and Hughes, 1990) î òîì, ÷òî ñèììåòðè÷íûé òîêîâûé ñëîé ñïîñîáåí íàêàïëèâàòüáoëüøèé ìàãíèòíûé ïîòîê ïî ñðàâíåíèþ ñ íåñèììåòðè÷íûì. Òàêæå â ðÿäå èññëåäîâàíèéêîíêðåòíûõ ñîáûòèé (íàïðèìåð, Kubyshkina et al., 2011; Sergeev et al., 2011; Panov et al.,2012; Ganushkina et al., 2013) áûëî îïèñàíî íà÷àëî ñóááóðü ïðè ñèëüíî èçîãíóòîì òîêîâîìñëîå õâîñòà ìàãíèòîñôåðû.Òàêèì îáðàçîì, ñòàíîâèòñÿ î÷åâèäíîé íåîáõîäèìîñòü èññëåäîâàíèÿ âëèÿíèÿ àñèììåòðèè íà äèíàìè÷åñêèå ïðîöåññû, ïðîòåêàþùèå â ìàãíèòîñôåðå Çåìëè. Îäíàêî, ýòè ïðîöåññûêðàéíå ðàçíîîáðàçíû, è äàæå åñëè ó÷èòûâàòü òîëüêî ïðîèñõîäÿùèå â òîêîâîì ñëîå õâîñòà4 çàäà÷à ñòàíîâèòñÿ ñëèøêîì îáøèðíîé äëÿ âûïîëíåíèÿ â ðàìêàõ îäíîé ðàáîòû.
Ïîýòîìó â äàííîé äèññåðòàöèè ìû îãðàíè÷èìñÿ ðåøåíèåì ðÿäà çàäà÷, ïðåäñòàâëÿþùèõ, êàê íàìêàæåòñÿ, íàèáîëüøèé èíòåðåñ.Öåëüþäàííîé äèññåðòàöèîííîé ðàáîòû ÿâëÿåòñÿ èçó÷åíèå äëèííîâîëíîâûõ êîëåáàíèéâ òîêîâîì ñëîå õâîñòà ìàãíèòîñôåðû è îïðåäåëåíèå ðîëè àñèììåòðèè ìàãíèòîñôåðíîé êîíôèãóðàöèè â äèíàìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ. Äëÿ äîñòèæåíèÿ ïîñòàâëåííîé öåëè, áûëè ðåøåíûñëåäóþùèåçàäà÷è:• Ïîñòðîåíèå ìîäåëè ôëýïïèíã êîëåáàíèé òîêîâîãî ñëîÿ íà îñíîâå ÌÃÄ ìîäåëè äâîéíîãî ãðàäèåíòà. Ðàçðàáîòêà è àïðîáàöèÿ íà ðåàëüíûõ ñïóòíèêîâûõ äàííûõ àëãîðèòìàðàçäåëåíèÿ ìîä ôëýïïèíã êîëåáàíèé ïî äàííûì îäèíî÷íîãî ñïóòíèêà. Èññëåäîâàíèåìåòîäà íà óñòîé÷èâîñòü ê øóìó, ñóùåñòâîâàíèþ ñìåøàííûõ ìîä è âòîðè÷íûõ èñòî÷íèêîâ âîçìóùåíèÿ.• Ñòàòèñòè÷åñêîå èññëåäîâàíèå ñóááóðåâîé àêòèâíîñòè ñ öåëüþ îïðåäåëåíèÿ ñòåïåíè âëèÿíèÿ ñèììåòðè÷íûõ è íåñèììåòðè÷íûõ ôàêòîðîâ, òàêèõ êàê óãîë íàêëîíà çåìíîãî äèïîëÿ è ñêà÷êè íàïðàâëåíèÿ ñîëíå÷íîãî âåòðà.• Ïîëó÷åíèå íîâîãî ñåìåéñòâà ðåøåíèé óðàâíåíèÿ Ãðýäà-Øàôðàíîâà äëÿ ñëó÷àÿ èçîãíóòîãî òîêîâîãî ñëîÿ, èõ èññëåäîâàíèå è ïðèìåíåíèå ñ öåëüþ îáúÿñíåíèÿ ðîëè àñèììåòðè÷íûõ ôàêòîðîâ.Íàó÷íàÿ íîâèçíà ðàáîòû:• Âïåðâûå ïðåäëîæåí è îïðîáîâàí íà ðåàëüíûõ äàííûõ ìåòîä ðàçäåëåíèÿ ìîä ôëýïïèíãêîëåáàíèé ïî äàííûì îäèíî÷íîãî ñïóòíèêà.• Ïîêàçàíî ïðåèìóùåñòâåííîå âëèÿíèå íà ñóááóðåâóþ àêòèâíîñòü àñèììåòðè÷íîãî ôàêòîðà (ñêà÷êîâ íàïðàâëåíèÿ ñîëíå÷íîãî âåòðà) ïî ñðàâíåíèþ ñ ñèììåòðè÷íûì (ñêà÷êàìèïëîòíîñòè ñîëíå÷íîãî âåòðà).• Ïîëó÷åíî íîâîå ñåìåéñòâî ðåøåíèé óðàâíåíèÿ Âëàñîâà äëÿ èçîãíóòûõ òîêîâûõ ñëî¼â.Òåîðåòè÷åñêàÿ è ïðàêòè÷åñêàÿ çíà÷èìîñòü ðàáîòûçàêëþ÷àåòñÿ â ñîçäàíèè áàçûäëÿ ðåøåíèÿ øèðîêîãî ñïåêòðà çàäà÷, ñâÿçàííûõ ñ âëèÿíèåì àñèììåòðèè ìàãíèòîñôåðíîéêîíôèãóðàöèè.
Ïîëó÷åííûå àñèììåòðè÷íûå ðåøåíèÿ óðàâíåíèÿ Âëàñîâà ïîçâîëÿþò ìîäåëèðîâàòü òîêîâûå ñëîè ðàçëè÷íîé êîíôèãóðàöèè, ñîîòâåòñòâóþùèå ñ äîñòàòî÷íîé òî÷íîñòüþðåàëüíûì ñëîÿì (ðåçóëüòàòàì ýìïèðè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ), è ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû5äëÿ ÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ äèíàìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ íå òîëüêî â õâîñòå ìàãíèòîñôåðû,íî è â ìíîãî÷èñëåííûõ àñòðîôèçè÷åñêèõ ïðèëîæåíèÿõ.
Êðîìå òîãî, áûë ïðåäëîæåí àëãîðèòì ðàçäåëåíèÿ ìîä ôëýïïèíã êîëåáàíèé ïî äàííûì îäèíî÷íîãî ñïóòíèêà.Äîñòîâåðíîñòü ðåçóëüòàòîâ:Ïàðàìåòðû ôëýïïèíã êîëåáàíèé, ïîëó÷åííûå ñ ïîìîùüþìîäåëè, âïîëíå ñîîòâåòñòâóþò íàáëþäàåìûì. Ìåòîä ðàçäåëåíèÿ ìîä ïî äàííûì îäèíî÷íîãî ñïóòíèêà óäà¼òñÿ ïðèìåíèòü äëÿ äàííûõ ðàçíûõ ñïóòíèêîâ, íàáëþäàþùèõ îäíî è òîæå ñîáûòèå, è îí äà¼ò ðåçóëüòàò, ñîâïàäàþùèé ñ àïðèîðíûì ïðåäïîëîæåíèåì î òèïå ìîäû,ïîëó÷åííûì ïîñðåäñòâîì ñîïîñòàâëåíèÿ äàííûõ íåñêîëüêèõ ñïóòíèêîâ.
Ðåçóëüòàòû ñòàòèñòè÷åñêîãî èññëåäîâàíèÿ áûëè ïîëó÷åíû ñ èñïîëüçîâàíèåì áîëüøèõ ìàññèâîâ äàííûõ, ïîêðûâàþùèõ çíà÷èòåëüíûé âðåìåííîé èíòåðâàë, ÷òî ïîçâîëÿåò îöåíèòü èõ äîñòîâåðíîñòü êàêâûñîêóþ. Êðîìå òîãî, ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû íå ïðîòèâîðå÷àò ðåçóëüòàòàì, ïîëó÷åííûì âðàáîòàõ äðóãèõ àâòîðîâ. Ðåøåíèÿ äëÿ àñèììåòðè÷íûõ ñëîåâ ïîçâîëÿþò ïóò¼ì âàðüèðîâàíèÿïàðàìåòðîâ ïîëó÷èòü òîêîâûå ñëîè, ñõîæèå ñ ðåàëüíûìè: îöåíêà ïðîâîäèëàñü â ñðàâíåíèèñ ðåçóëüòàòàìè ïîâñåìåñòíî èñïîëüçóåìûõ ýìïèðè÷åñêèõ ìîäåëåé Öûãàíåíêî ([Tsyganenko,1995, 1996]), è èìåííî òàêèå íàáîðû ïàðàìåòðîâ èñïîëüçîâàëèñü â äàëüíåéøåì àíàëèçå.Îñíîâíûå ïîëîæåíèÿ, âûíîñèìûå íà çàùèòó:•  ñòàòèñòè÷åñêîì èññëåäîâàíèè âûÿâëåíî âëèÿíèå ôàêòîðîâ ñ àñèììåòðè÷íûì õàðàêòåðîì âîçäåéñòâèÿ íà ñóááóðåâóþ àêòèâíîñòü (èçìåíåíèÿ ïîðÿäêà 10 − 20%) è èõ ïðåèìóùåñòâî ïåðåä ôàêòîðàìè ñ ñèììåòðè÷íûì õàðàêòåðîì âëèÿíèÿ.• Äàíî òåîðåòè÷åñêîå îáúÿñíåíèå ýôôåêòà âëèÿíèÿ ñêà÷êîâ íàïðàâëåíèÿ ñîëíå÷íîãî âåòðà íà ÷àñòîòó âîçíèêíîâåíèÿ ñóááóðü.
