Динамика плазменных потоков, генерирующих продольные токи в магнитосферно-ионосферной системе

Воздействие солнечных потоков энергии и вещества на геосферы Земли является одной из фундаментальных проблем геофизики Согласно оценкам из ~104 ГВт потока энергии солнечного ветра до 800 ГВт диссипируется в магнитосфере и ионосфере Земли [Kamide, 1993] Поток энергии передается в кольцевой ток, хвост магнитосферы и непосредственно в авроральную ионосферу При развитии магнитных суббурь энергия, запасенная в хвосте магнитосферы, высвобождается, при этом значительная часть (~1015Дж) также диссипируется в авроральной ионосфере Изучение механизмов передачи энергии к Земле является одним из ключевых направлений в исследовании влияния электродинамических процессов в системе солнечный ветер — магнитосфера — ионосфера на среду обитания человека.

Системы продольных токов рассматриваются как один из важнейших каналов передачи энергии, импульса и вещества из магнитосферы в нижние слои ионосферы [Kamide, 1993] Продольные токи замыкаются в авроральных областях ионосферы токами Холла и Педерсена [Iifima, 1976] В слоях продольного тока генерируются продольные электрические поля, которые ускоряют заряженные частицы, вызывая авроральные свечения Процессы ускорения наряду с джоулевым нагревом ионосферы с помощью токов Педерсена приводят к диссипации энергии (j-E>0) Следовательно, эту токовую систему должен поддерживать генератор (j-E<0) в магнитосфере [I.y.sak, 1985].

Магнитосфера Земли является активной динамической системой, находящейся под воздействием непрерывно меняющихся параметров солнечного ветра Энергия и импульс плазмы солнечного ветра передаются в магнитосферу, приводя к возникновению потоков магнитосферной плазмы Магнитосферные плазменные потоки могут служить источником продольных токов [А./ьвен, 1983] При движении поперек геомагнитного поля в этих потоках возникает поляризационное электрическое поле E=-VxB/c, и возбуждаются альфвеновские волны, переносящие продольные токи вдоль магнитных силовых линий в нижние слои ионосферы Импульс плазменного потока передается ионосферной плазме, при этом возникает торможение плазменного потока силой Ампера j> В/с.

Современные средства космических и наземных наблюдений не в состоянии проследить одновременно все элементы магнитосферно-ионосферной токовой цепи По этой причине многие параметры взаимодействия магнитосферных потоков с фоновой плазмой и геомагнитным полем остаются не известными Если схема замыкания продольных токов в ионосфере и параметры ионосферных токов изучены достаточно хорошо, то воздействие цепи продольных токов на состояние и динамику магнитосферных плазменных потоков (так называемая обратная связь в магнитосферно-ионосферной системе) практически не исследовано. В частности нет достоверных данных по взаимосвязи параметров токовых систем, поляризационных электрических полей и динамике магнитосферных потоков.

Рассмотрим характерные примеры магнитосферно-ионосферных токовых систем, для которых известны отдельные параметры магнитосферного генератора по данным спутниковых наблюдений.

При обтекании магнитосферы происходит вязкое взаимодействие солнечного ветра с магнитосферной плазмой с передачей импульса от солнечного ветра к магнитосфере В результате образуется пограничный слой, в котором наблюдается движение плазмы плотностью п,= 1+20 см" 3 в направлении от Солнца со скоростью 50+600 км/с [Eastman, 1979] Характерная толщина слоя достигает 0 5+1 RF в утреннем и вечернем секторе магнитосферы Предполагается, что в низкоширотном пограничном слое вектор скорости практически перпендикулярен геомагнитному полю [Sonnerup, 1980] В результате, движущийся поток индуцирует электрическое поле E=-VxB/c, что приводит к генерации продольных токов, замыкающихся в ионосфере на утренней и вечерней стороне.

На рис В1 представлена возможная конфигурация токовой цепи на утренней стороне магнитосферы [Sonnerup, 1980] Начало системы координат соответствует магнитопаузе В пограничном слое плазменный поток движется со скоростью v4<0 в сторону хвоста магнитосферы Ближе к Земле расположен слой обратного течения (v4>0), обусловленный глобальной конвекцией магнитосферной плазмы Поляризационные электрические поля Е=-VxB/c, индуцируемые в этих потоках, имеют противоположные направления Схема замыкания продольных токов в ионосфере соответствует зоне 1 и зоне 2 распределения продольных токов по данным спутниковых измерений [lijima, 1976] При этом продольный ток, текущий к ионосфере от низкоширотного пограничного слоя утреннего сектора магнитосферы, замыкается педерсеновским током, текущим через полярную шапку Педерсеновский ток в полярной шапке переходит в продольный гок, текущий к пограничному слою вечернего сектора магнитосферы Обратный ток с вечерней стороны на утреннюю сторону магнитосферы, по-видимому, протекает по магнитопаузе Продольные токи слоя с обратным течением (ч>0) на утреннем секторе магнитосферы замыкаются педерсеновскими токами, текущими в аналогичном секторе ионосферы Холловские токи в этой модели не рассматриваются L.

V) х<

Рис. В1. Схема замыкания продольных токов, генерируемых плазменным потоком низкоширотного пограничного слоя, расположенного в утреннем секторе магнитосферы [Sonnerup, 1980].

Генерация продольных токов должна приводить к торможению магнитосферной плазмы в низкоширотном пограничном слое Согласно данным оценок [Sonnerup, 1980] характерное время диссипации кинетической энергии плазменного потока составляет ~300 с При этом плазма, распространяющаяся со скоростью 100 км/с, пройдет расстояние ~5 R (.

Заметим, что теория низкоширотного пограничного слоя магнитосферы [Sonnerup, 1980] до сих пор не имеет прямого подтверждения по данным спутниковых наблюдений, так как для этого требуется проведение одновременных измерений параметров плазменного потока и токовых систем в нескольких точках магнитосферы Современный уровень развития космических исследовательских систем не позволяет решить эти задачи.

Другим примером взаимодействия потоков плазмы с магнитосферой и ионосферой Земли являются спорадические всплески плазменных потоков, направленных из геомагнитного хвоста к Земле Они обычно наблюдаются в полуночном секторе при развитии магнитосферных суббурь (рис В2) Предполагается, что плазменные потоки возникают на расстоянии 15-ьЗО RE при пересоединении магнитных силовых линий в хвосте магнитосферы Данные статистических исследований показали, что спорадические плазменное струи L ответственны за перенос до 80% потока массы, энергии и магнитного поля из хвоста магнитосферы к Земле [Angelopoulos, 1992] Таким образом, цикл глобальной конвекции магнитосферной плазмы замыкается направленными к Земле спорадическими всплесками потоков плазмы.

Рис В2 Схема замыкания продольных токов, генерируемых спорадическими всплесками потоков плазмы, движущихся к Земле [Sergeev, 2000] и изображение аврорального стримера по данным спутника POLAR [Sergeev, 1999] Локальный сектор, где наблюдаются спорадические всплески плазменных потоков, отмечен черной полосой справа от полуночного меридиана.

Впервые спорадические всплески плазменных потоков зарегистрированы спутником ISEE-1 в плазменном слое в конце 70-х годов [Lui, 1983] В плазменных струях наблюдается увеличение температуры и уменьшение плотности частиц Средняя скорость плазмы составляет 200-.-2ООО км/с [Yermolaev, 1999] Характерный поперечный размер струи не превышает 1−4 Rj [, Angelopoulos, 1997, Sergeev, 2000] На основе данных измерений на спутниках Geotail и AMPTE/IRM показано, что в периферийных частях плазменного слоя потоки плазмы обычно направлены под углом ~20° к направлению магнитного поля В центральной части плазменного слоя плазменные потоки распространяются преимущественно поперек магнитных силовых линий (~45°) [Pelrukovich, 2001].

В работе [Sergeev, 2000] на основе дочных измерений со спутников Interball, Geotail, Polar, L80, L84 предложена возможная схема взаимодействия высокоскоростных спорадических плазменных потоков с ионосферой Земли (рис В2) Предполагается, что при движении к Земле плазменный поток поляризуется, возникает поперечное электрическое поле E=-VxB/c, и генерируются альфвеновские волны, переносящие продольные токи в нижние слои ионосферы.

Косвенным доказательством существования цепи продольных токов, связывающей магнитосферные импульсные плазменные потоки с ионосферой Земли, являются авроральные стримеры, вытянутые с севера на юг [Sergeev, 1999, Nakamura, 2001] Эти стримеры появляются в виде светлого пятна на приполюсной части аврорального овала и затем удлиняются в сторону экваториальной границы со скоростью ~1 км/с (рис В2) По-видимому, узкие авроральные стримеры возникают в области вытекающего из ионосферы продольного тока Распространение аврорального стримера в сторону экваториальной границы аврорального овала связано с движением плазмы к Земле Причиной образования стримера являются электроны, ускоренные в слоях продольного тока.

В тоже время многие параметры импульсных магнитосферных плазменных потоков до сих пор не исследованы Неизвестна структура и параметры системы продольных токов, связывающих плазменный поток с ионосферой Нет данных измерений поперечного поляризационного электрического поля в импульсных плазменных потоках Остается нерешенным вопрос о возможных механизмах торможения этих потоков [Shiokcma, 1997] Торможение может быть обусловлено генерацией продольных токов в магнитосфере.

Влияние систем продольных токов на динамику плазменных струй является также важнейшей задачей при исследовании явления альфвеновской ионизации (CIV) в активных геофизических экспериментах, таких как STAR OF LIMA [We.scoll, 1986], PORCUPINE [, Hausler, 1986], CRIT-I [Brennmg, 1991 a], CRIT-II [Bohn, 1996], CRRES [, Bernhardt, 1992], АПЕКС [Ораевский, 1999] В соответствии с гипотезой Альфвена нейтральный газ, движущийся поперек магнитного поля в присутствии фоновой плазмы, быстро ионизуется.

2 е (р при условии, что скорость потока превышает критическое значение I с = ', где ф, т.

Li потенциал ионизации нейтральной частицы, т&bdquo- - масса нейтральной частицы [Альвен, 1983] Альфвеновская ионизация является самограничивающимся процессом в облаках, имеющих конечные размеры [Haerendel, 1996] При движении поперек магнитного поля ионизующееся облако нейтралов генерирует поляризационное электрическое поле E=-V> В/с Это электрическое поле увлекает фоновую плазму в движение, приводя к уменьшению скорости нейтралов относительно фоновой плазмы В результате процесс ионизации может прекратиться Не исключено, что по этой причине эффективность альфвеновской ионизации во многих активных экспериментах была невысока [Haerendel, 1996].

Заметим, что динамика плазменных потоков в активных геофизических экспериментах изучена не достаточно хорошо Исследования проводятся, как правило, по схеме с одним измерительным модулем и отделяемым источником плазмы При этом бортовые средства измерений осуществляют регистрацию только части параметров, характеризующих взаимодействие инжектированной плазмы с ионосферой и магнитосферой Земли Полученные данные не позволяют детально проследить торможение плазменного потока и оценить эффективность увлечения фоновой плазмы в движение, исследовать структуру токовой цепи в фоновой плазме и рассмотреть влияние параметров ионосферы на динамику плазменного потока и плотность продольных токов.

Таким образом, не смотря на то, что процессы в магнитосферно-ионосферной системе активно изучаются в течение последних 40 лет с помощью космических спутников и в активных геофизических экспериментах, многие аспекты электродинамического взаимодействия плазменных потоков с магнитосферой и ионосферой Земли остаются не исследованными Современный уровень средств измерений космического базирования не позволяет детально исследовать динамику плазменных потоков, распределение электрических полей и структуру генерируемых ими систем продольных токов Вместе с тем, результаты исследований взаимодействия этих потоков с геомагнитным полем и фоновой плазмой необходимы при построении прогностических моделей воздействия потоков солнечной энергии и вещества на нижние слои ионосферы, среду обитания человека и промышленные объекты в рамках национальной программы КОСМИЧЕСКАЯ ПОГОДА Этим определяется актуальность темы диссертации.

Решение этой задачи также занимает одно из центральных мест в понимании механизмов альфвеновской ионизации, которая, как считают, является одним из механизмов формирования Солнечной системы.

Цель работы заключается в получении экспериментальных данных по электродинамическому взаимодействию импульсного плазменного потока с фоновой плазмой и магнитным полем в условиях генерации продольных токов и в применении полученных результатов для анализа динамики плазменного потока, инжектированного из хвоста магнитосферы к Земле при развитии магнитных суббурь В работе были поставлены и решены следующие задачи.

1 Разработка методов экспериментального исследования воздействия продольных токов на динамику плазменных потоков.

2 Исследование механизмов диссипации кинетической энергии доальфвеновской плазменной струи в условиях формирования диамагнитной каверны и диффузии магнитного поля.

3 Исследование влияния продольных токов на диссипацию кинетической энергии промагниченного плазменного потока Роль проводимости фоновой плазмы.

4 Исследование механизма деполяризации импульсного плазменного потока Влияние продольных токов на величину и распределение поляризационного электрического поля в плазменном потоке.

5 Исследование механизма отклонения плазменного потока, генерирующего продольные токи, от направления инжекции.

Решение поставленных в работе задач проводится с помощью лабораторного модельного эксперимента на стенде ФАКЕЛ с использованием результатов Российско-Американских активных геофизических экспериментов FLUXUS и NORTH STAR, в которых осуществлялась инжекция доальфвеновских плазменных струй в ночной ионосфере на средних широтах и в районе аврорального овала под разными углами к геомагнитному полю Основное внимание в работе уделяется динамике плазменного потока с Р<1, генерирующего продольные токи в ионосферной плазме Тем не менее, начальный этап большинства геофизических экспериментов с инжекцией плазмы в магнитосфере и ионосфере Земли характеризуется диамагнитной фазой распространения плазменного сгустка, когда плотная плазма (Р=8яп, кТ/В2>1) эффективно вытесняет геомагнитное поле В этой связи одной из задач работы является исследование механизмов диссипации энергии доальфвеновской плазменной струи с р>1, инжектированной под разными углами к магнитным силовым линиям.

Отметим, что лабораторный эксперимент позволяет проводить комплексные многоточечные исследования в контролируемых условиях с применением широкого спектра средств плазменной диагностики Привлечение данных активных ракетных экспериментов позволяет расширить диапазон концентраций плазмы и величин магнитного поля, в котором проводятся эксперименты, и провести сравнение результатов лабораторного моделирования с данными измерений в плазменных потоках, взаимодействующих с естественной геофизической средой. Данные лабораторного моделирования могут быть использованы при составлении численных моделей, прогнозирующих поведение магнитосферно-ионосферной системы.

На защиту выносится:

1. Результаты исследования динамики плазменного потока, распространяющегося в ионосфере, по данным ракетных геофизических экспериментов.

2. Экспериментально исследован эффект торможения плазменного потока, движущегося поперек геомагнитного поля и генерирующего продольные токи. Показано, что рост проводимости в цепи замыкания продольных токов приводит к усилению эффективности торможения.

3. Исследован эффект уменьшения поперечного поляризационного электрического поля в импульсном плазменном потоке, генерирующем продольные токи (эффект деполяризации) Показано, что в условиях деполяризации возникает компонента электрического поля, направленная противоположно вектору скорости, и формируется вторичная система продольных токов.

4. Показано, что в результате деполяризации происходит отклонение импульсного плазменного потока, генерирующего продольные токи, от направления инжекции.

5. Показано, что исследованные в экспериментах электродинамические эффекты, связанные с генерацией продольных токов, являются одной из причин торможения и отклонения в сторону утреннего сектора магнитосферы импульсного плазменного потока, инжектированного из хвоста магнитосферы к Земле при развитии магнитных бурь и суббурь.

Научная новизна работы состоит в следующем.

• В российско-американских ракетных геофизических экспериментах впервые проведены многоточечные измерения параметров плазменных потоков, инжектированных в ионосфере Земли.

• Получены экспериментальные данные по торможению плазменного потока, распространяющегося в ионосфере поперек геомагнитного поля, на стадии возникновения диамагнитной каверны и на стадии генерации продольных токов.

• Впервые в лабораторном модельном эксперименте, воспроизводящем условия электродинамического взаимодействия плазменного потока с магнитосферой и ионосферой Земли, исследован эффект торможения плазменного потока, генерирующего продольные токи. Показано, что рост проводимости в цепи замыкания продольных токов приводит к усилению эффективности торможения.

• Проведено исследование распределения поляризацьэнного электрического поля и электрического тока в импульсном плазменном сгустке в условиях генерации продольных токов и показано, что эффект деполяризации сопровождается генерацией электрического поля вдоль вектора скорости плазменного потока и формированием вторичной цепи продольных токов.

• Показано, что отклонение плазменного потока, генерирующего продольные токи, от направления инжекции связано с эффектом деполяризации.

Полученные в диссертации результаты могут способствовать более глубокому пониманию механизмов взаимодействия магнитосферных потоков природного и техногенного происхождения с ионосферой Земли Экспериментальные данные могут быть использованы для развития теории динамики плазменных потоков в промагниченной фоновой плазме, при построении моделей движения магнитосферных потоков в хвосте и низкоширотном пограничном слое магнитосферы, при разработке численных методов моделирования магнитосферно-ионосферных процессов, при развитии теории альфвеновской ионизации.

Материалы диссертации опубликованы в журналах «Известия академии нак», «Космические исследования», «Geophysical Research Letters», «Advances in Space Research» и др (всего 14 статей) и докладывались на семинарах и конференциях ИДГ РАН, ФИ АН РАН, ИНАСАН, МФТИ, ассамблеях COSPAR (Нагоя, 1998, Варшава, 2000, Хьюстон, 2002), на конференции по физике солнечно-земных связей (Иркутск, 2001) и на третьей Всероссийской научной конференции по физическим проблемам экологии (Москва, 2001) Результаты лабораторного эксперимента использовались при выборе основных параметров и разработке схемы проведения активных геофизических экспериментов NORTH STAR и FLUXUS.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Первая цифра нумерации рисунков и таблиц обозначает номер главы.

Выводы.

Активные космические эксперименты позволяют исследовать эффекты магнитосферно-ионосферного взаимодействия, используя калиброванные источники воздействия (плазменные струи, ионные и электронные пучки с известными параметрами) на геофизическую среду Они дают возможность исследовать динамик> плазменных потоков в естественных условиях, в диапазоне концентраций плазмы и магнитного поля, который не удается реализовать в лаборатории Однако эти эксперименты являются дорогостоящими и технически сложными научными проектами Большинство экспериментов проводится по схеме с одним измерительным модулем и отделяемым источником плазмы При этом бортовые средства измерений, как правило, обеспечивают регистрацию только части параметров, характеризующих взаимодействие инжектированной плазмы с ионосферой и магнитосферой Земли.

Уникальная схема эксперимента NORTH STAR, результаты которого обсуждаются в следующих главах, впервые позволила осуществить комплексные измерения параметров плазменной струи в трех точках траектории движения в ионосфере Земли и провести наиболее полную плазменную диагностику Это дало возможность получить новые данные по взаимодействию плазменного потока с ионосферой Земли Впервые с помощью средств бортовой диагностики плазмы показано торможение доальфвеновской плазменной струи с Р>1 и Р<1 в ионосфере Земли Получены данные по аномальной диффузии, структуре фронта диамагнитной каверны, магнитогидродинамическим возмущениям в фоновой плазме и поляризационным электрическим полям в плазменной струе, генерирующей продольные токи.

По сравнению с космическими экспериментами лабораторный модельный эксперимент обладает рядом преимуществ Он позволяет проводить большое количество экспериментов в контролируемых условиях, гибко менять задачи и параметры экспериментов и состав диагностического оборудования, проводить многоточечные измерения Таким образом, лабораторный эксперимент является важным источником новых данных и средством проверки существующих теоретических представлений.

Наши лабораторные эксперименты являются дальнейшим развитием работ [Baker, 1965, Демиденко, 1965, Wessel, 1988] При этом на стенде ФАКЕЛ впервые проведены модельные исследования электродинамических эффектов, возникающих при распространении плазменной струи в магнитосфере и ионосфере Земли в условиях генерации продольных токов. Параметры эксперимента подбирались на основе принципов ограниченного моделирования. В эксперименте впервые проведены прямые измерения цепи продольных токов, исследован эффект торможения плазменного потока, генерирующего продольные токи, показана генерация электрического поля вдоль вектора скорости струи в условиях утечки поляризационных зарядов вдоль магнитных силовых линий Обнаружено отклонение плазменного потока, генерирующего продольные токи, от направления инжекции в сторону ларморовского вращения ионов, и показано, что этот эффект связан с деполяризацией плазменной струи.

ГЛАВА 2.

МОДЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ.

Эта глава посвящена описанию схемы проведения лабораторных экспериментов на моделирующем стенде ФАКЕЛ [Гаврилов, 1996, Gavrilov, 1998, Sobyanm, 2002] и активных ракетных геофизических экспериментов NORTH STAR [Erlandson, 2002, Гаврилов, 2002] и FLUXUS [Гаврилов, 1998, Барышев, 1998, Gavrilov, 1999] с инжекцией плазменной струи в ионосфере Земли Проводится анализ методов плазменной диагностики, используемых в этих экспериментах, оцениваются ошибки измерений и рассматриваются параметры лабораторного моделирования.

2.1. ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.

Комплексное исследование взаимодействия плазменной струи с магнитосферой и ионосферой Земли в активных геофизических экспериментах представляет собой сложную экспериментальную задачу, так как требует размещения большого количества космических аппаратов и проведения синхронных измерений на различных высотах и участках траектории струи На современном уровне удается обеспечить не более трех точек измерений (эксперимент NORTH STAR) Этих недостатков лишен лабораторный модельный эксперимент, позволяющий проводить серии экспериментов в контролируемых условиях, гибко менять задачи исследований и состав диагностического оборудования, проводить многоточечные измерения.

Схема лабораторного эксперимента.

Лабораторный эксперимент ФАКЕЛ разработан для изучения динамики плазменной струи, распространяющейся поперек геомагнитного поля и генерирующей цепь продольных токов в ионосферной плазме Схема эксперимента представлена на рис 2 I Исследования проводятся в вакуумной камере (1), представляющей собой цилиндр диаметром 08 м и длиной 1 5 м, изготовленный из нержавеющей стали На стенках вакуумной камеры установлены иллюминаторы из кварцевого стекла Камера снабжена фланцами с герморазъемами для электрического соединения аппаратуры и датчиков, размещенных внутри камеры, с осциллографами и автоматикой управления экспериментами.

Рис 2 1 Схема лабораторного эксперимента ФАКЕЛ 1 — вакуумная камера, 2 -система вакуумной откачки, 3 — батарея конденсаторов, 4 — коммутирующий разрядник, 5 — высоковольтный разрядник, 6 — плазменная струя, 7 — магнитная система, 8 — токозамыкающие пластины, 9 — плазменные датчики, 10 -высокоскоростная сЬотокамера, 11 — блок осциллографов.

Эксперименты проводятся при давлении в камере 0 1⁰⁰¹ Па Разряжение в камере создается системой вакуумной откачки (2) Она включает в себя вакуумный пластинчато-роторный насос НВПР-40 (скорость откачки до 40 л/с), вакуумный пластинчато-роторный насос 2НВР-5Д (скорость откачки до 5 л/с) и турбомолекулярный насос ТМН-500 (скорость откачки до 500 л/с) Предварительная откачка до давления 10−20 Па проводится с помощью насоса НВПР-40, затем камера откачивается до рабочего давления насосом ТМН-500. Вспомогательный насос 2НВР-5Д служит для откачки воздуха с выхода насоса ТМН-500. Давление в вакуумной камере контролируется с помощью вакуумметров ВТ-6 с лампой ПМТ-2 и ВИТ-3 с лампами ПМТ-3 и ПМИ-2. Насосы и измерители давления подключаются к вакуумной камере через вакуумные вводы. Для напуска воздуха в камеру на торцевой стенке был установлен специальный вентиль.

В вакуумной камере расположен высоковольтный коаксиальный разрядник (5), служащий источником плазменной струи (6). В качестве накопителя энергии используется батарея конденсаторов емкостью 100+400 мкФ (3), соединенная с электродами разрядника (5) через коммутирующий разрядник (4) Напряжение зарядки изменялось в пределах 2+5 кВ.

В вакуумной камере также располагается источник квазипостоянного магнитного поля, состоящий из двух соленоидов, соединенных магнитопроводом (7). Вектор магнитного поля перпендикулярен направлению инжекции струи.

Сверху и снизу от плазменной струи установлены медные пластины (8), обеспечивающие замыкание продольных токов, возбуждаемых в плазме, поперек магнитного поля В экспериментах без замыкания продольных токов вместо медных пластин устанавливались пластины из стекла или фторопласта Эти пластины также обеспечивали изоляцию конструкций магнитной системы от плазменной струи.

В плазменном потоке устанавливаются различные датчики (9) на специальных изолирующих штангах. Сигналы с датчиков через герморазъемы выводятся из вакуумной камеры на цифровые запоминающие осциллографы С9−8 (11), а затем обрабатываются на компьютере. Запуск осциллографов осуществляется по сигналу пояса Роговского, регистрирующего ток в цепи высоковольтного разрядника Различие во времени запуска осциллографов не превышает 0 1 мкс.

Для исследования внешней картины распространения плазменной струи используется высокоскоростная фотокамера (10), разработанная специально для экспериментального стенда ФАКЕЛ. Эта камера позволяет получать до 16 кадров высокого разрешения с частотой 1 МГц и выдержкой каждого кадра не более 1 мкс. Запуск камеры осуществляется по команде системы автоматики стенда ФАКЕЛ.

Источник магнитного поля.

В лабораторных экспериментах плазменная струя распространяется поперек магнитного поля, создаваемого двумя соленоидами, соединенными магнитопроводом, который обеспечивает равномерность магнитного поля в зазоре. Расстояние между катушками магнитной системы составило 220 мм, а характерный размер магнитного поля в направлении распространения струи равен 150 мм. В качестве накопителя энергии для магнитной системы используется батарея конденсаторов, заряжаемая до напряжения 0.2-И кВ. По команде системы автоматики стенда ФАКЕЛ начинался апериодический разряд батареи конденсаторов. В момент достижения максимального тока в цепи соленоидов выдается команда на срабатывание источника плазменной струи. Время существования плчзмы в вакуумной камере (~400 мкс) существенно меньше характерного времени (~7 мс), за которое магнитное поле изменяется на 10%. С большой точностью можно считать, что струя распространяется в постоянном магнитном поле. Диапазон реализуемых магнитной системой полей составляет 0.02+0.2 Тл.

Для измерения квазипостоянного магнитного поля на установке ФАКЕЛ применялся датчик Холла. Специальная серия экспериментов показала, что соленоиды магнитной системы имеют очень близкие характеристики. Профиль магнитного поля можно с большой точностью считать радиально симметричным Продольная асимметрия магнитного поля не превышает 12%. Радиальное изменение магнитного поля не превышает 25% Угол между направлением инжекции плазменной струи и вектором магнитного поля составляет 85°+90°.

Источник плазменной струи.

Источником плазменной струи в лабораторном эксперименте служит коаксиальный разрядник эрозионного типа, состоящий из центрального электрода диаметром 10 мм и внешнего кольцевого электрода диаметром 50 мм (рис 2 2) Электроды изготовлены из латуни. Между ними расположена диэлектрическая вставка В качестве накопителя энергии используется батарея конденсаторов емкостью 100+400 мкФ, соединенная с электродами разрядника через коммутирующий разрядник. Напряжение зарядки изменялось в пределах 2+5 кВ. Энергия разряда составляла 0.5+5 кДж. Максимальный ток разряда равен 20+60 кА.

При срабатывании коммутирующего разрядника напряжение батареи конденсаторов передается на коаксиальные электроды. Происходит пробой между электродами по поверхности диэлектрика и образуется токопроводящая область в виде тонкого пристеночного слоя. Высокая плотность тока приводит к интенсивному нагреву и испарению диэлектрика. Происходит заполнение плазмой коаксиального ускорителя Ток разряда создает магнитное поле, при этом возникает сила Ампера, разгоняющая плазменный сгусток по направлению к открытому концу коаксиальной системы. В результате образуется плазменный поток со скоростями до 50 км/с. При движении плазменного потока происходит частичное сгребание фонового газа, и масса инжектируемой плазмы увеличивается [Гаврилов, 1994 б].

Рис. 2.2. Схема коаксиального инжектора плазменной струи в лабораторном эксперименте ФАКЕЛ. 1 — внешний кольцевой электрод, 2 — внутренний штыревой электрод, 3 — втулка из диэлектрика, 4 — насадка из диэлектрика, 5 — плазменный коаксиал, 6 — плазмэнный шнур.

Многочисленные экспериментальные исследования показали, что плазма, вылетающая из плазменного генератора, имеет сложную структуру [Скворцов, 1964]. Плазменный фронт соединяется с центральным штыревым электродом через плазменный шнур и замыкается на кольцевой электрод по внешнему плазменному коаксиалу (рис 2 2) В работе [Васильев, 1960] показано, что основная часть разрядного тока уходит от шнура к плазменному коаксиалу на расстоянии до 10 см, тогда как плазменный сгусток распространяется на расстояние до 1 м.

Электрическую цепь разряда в первом приближении можно рассматривать как простой R-L-C контур [Арцимович, 1957; Комельков, 1970]. В общем случае С — емкость батареи конденсаторов, L — индуктивность плазменной струи и подводящих проводов, R — омическое сопротивление разрядной цепи. В условиях нашего эксперимента индуктивность L=const определяется индуктивностью проводов, соединяющих батарею конденсаторов с разрядником, и индуктивностью самих конденсаторов Изменение тока разряда по времени описывается затухающей синусоидой [Гаврилов, 1994 б]. Каждый полупериод разрядного тока формирует новый сгусток плазмы, ускоряемый вдоль оси коаксиальных электродов. Экспоненциальное затухание тока приводит к уменьшению скорости и плотности последующих сгустков плазмы. Для дополнительного ускорения плазменной струи на системе коаксиальных электродов установлена насадка длиной 80 мм из диэлектрика пис 2 2) В этих условиях отсутствует боковое расширение, и вся энергия идет на продольное ускорение и рост плотности плазмы [Комельков, 1963] Высокоскоростная фотосъемка в предварительных экспериментах на стенде ФАКЕЛ показала, что насадка позволяет сформировать струю плазмы, имеющую малый угол расхождения, и увеличить скорость движения в 1 5^-2 раза Насадка также позволяет замкнуть большую часть разрядного тока внутри плазменного генератора.

Ионный состав эрозионной плазмы исследовался в ряде работ Массовый состав сгустка плазмы, инжектированного коаксиальным генератором с энергией заряда до 15 кДж, определялся в работе [Лукьянов, 1961] методом парабол Томпсона Данные масс-спектрометра показали, что в струе содержится ионы углерода (из-за эрозии диэлектрической втулки), частицы фонового газа (ионы азота и кислорода), и в небольшим количестве ионы меди (частичная эрозия материала электродов) Обнаружены также двукратные ионы азота, углерода и меди В работе [Макаров, 1965] оптические измерения также показали наличие ионов углерода и фонового газа на фронте плазменной струи Масс-спектрометрические измерения ионного состава струи при энергии разряда 400 Дж проводились в работе [Демиденко, 1964] Было показано, что в отсутствие внешнего магнитного поля доля однократных ионов углерода достигает 42% ионнопэ состава Доля ионов кислорода достигает 13%, а на ионы водорода приходится 11% Обнаружены ионы железа (11 5%), появляющиеся из-за эрозии электродов.

Оценки температуры плазмы для эрозионных генераторов плазмы проводились преимущественно по результатам оптических измерений и по времени проникновения плазмы в магнитное поле В работе [Аретов, 1964] для коаксиального инжектора с напуском рабочего газа получено значение электронной температуры ~6 эВ при энергии разряда 625 Дж В работе [Васильев, 1960] зарегстрированы ионные температуры -10 эВ для источника струи с энергией разряда до 200 кДж В спектроскопических исследованиях эрозионного источника плазмы с энергией разряда 16 кДж [Минько, 1970] получена оценка температуры плазмы ~4 эВ.

Энергия разряда в лабораторном эксперименте ФАКЕЛ составляет 0 5⁵ кДж Электронная температура, оцененная по вольт-амперной характеристике одиночного зонда Ленгмюра, не превышает 10 эВ Основным ионом плазменной струи является ион углерода.

Параметры лабораторного моделирования.

Экспериментальный стенд ФАКЕЛ разработан для исследования динамики плазменной струи, движущейся поперек магнитного поля и генерирующей продольные токи в фоновой плазме. Схема проведения эксперимента позволяет проводить многоточечные комплексные измерения параметров плазменного потока, а также исследовать влияние параметров цепи продольных токов на динамику струи. При переходе от масштабов активных ракетных экспериментов к масштабам лабораторных исследований согласно законам подобия для газовых разрядов требуется сохранение значений энергии частиц, скорости плазменной струи электрического тока [Альвен, 1967]. Линейные размеры и характерное время явлений уменьшаются в у раз. Плотность газа, магнитное и электрическое поле увеличиваются в у раз, а плотность тока — в у2 раз. Отметим, что не все явления подчиняются этим соотношениям. В частности, сила Ампера jxB/c, действующая на единицу объема, пропорциональна у" 3. Так как плотность пропорциональна у'1, то ускорение оказывается пропорциональным у" 2, а не у" ', как это следует из ее размерности L/T2 [Альвен, 1967]. Следовательно, эффекты торможения струи не подчиняются преобразованиям подобия. Необходимо также отметить, что точное выполнение соотношений подобия при моделировании различных явлений в околоземном пространстве, как правило, невозможно при современном уровне развития лабораторной техники [Подгорный, 1969].

В этом случае особую ценность имеет метод ограниченного моделирования, основные положения которого для различных явлений в космосе были сформулированы в работе [Подгорный, 1969]. Для воспроизведения какого-либо космического эффекта в лаборатории необходимо, чтобы безразмерные параметры, характеризующие протекание явления, равные по порядку величины единице, были по возможности одинаковы в космосе и лаборатории Если безразмерный параметр много больше или много меньше единицы, то он должен оставаться таким же и в лабораторном эксперименте Однако нет необходимости сохранять тот же порядок его величины.

В таблице 2.1 приведены основные параметры плазменных потоков в лабораторном эксперименте на стенде ФАКЕЛ, в геофизических ракетных экспериментах NORTH STAR и CRIT-I [Brenning, 1991], а также параметры импульсных плазменных потоков в хвосте магнитосферы [Yermolaev, 1999]. Здесь V — скорость потока, а — угол между вектором скорости и направлением магнитного поля, L — поперечный размер, п, — концентрация плазменного потока, Тс — электронная температура.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации проведен анализ результатов экспериментального исследования динамики плазменных потоков, генерирующих продольные токи в магнитосферно-ионосферной системе. Эксперименты были проведены в широком диапазоне концентраций плазмы, напряженности магнитного поля и проводимости в цепи замыкания продольных токов, характерных пространственных масштабах и времен взаимодействия и при разных углах инжекции к направлению магнитного поля. Использовались результаты лабораторного модельного эксперимента на стенде ФАКЕЛ с привлечением данных Российско-Американских геофизических ракетных экспериментов NORTH STAR и FLUXUS.

Ниже приведены основные результаты работы:

1. Проведен сравнительный анализ результатов лабораторных и ракетных геофизических экспериментов, и разработана физическая модель взаимодействия плазменного потока (|3<1) с магнитным полем и фоновой плазмой, связывающая эффекты генерации электрических полей и токов, торможения плазменного потока и его отклонения от направления инжекции.

2. На основе данных лабораторного модельного эксперимента и ракетного геофизического эксперимента показано, что при распространении поперек геомагнитного поля в условиях генерации системы продольных токов импульсный плазменный поток-эффективно тормозится под действием силы Ампера при условии, что время взаимодействия превышает ларморовский период фоновых ионов В случае импульсного плазменного потока протяженностью несколько R[, вдоль геомагнитного поля, инжектированного из хвоста магнитосферы к Земле при развитии магнитных бурь и суббурь, характерное время торможения составляет десятки секунд Увеличение проводимости в цепи замыкания продольных токов ведет к усилению эффективности торможения.

3. Показано, что уменьшение поперечного поляризационного поля в плазменном потоке приводит к возникновению компоненты электрического поля, направленной противоположно вектору скорости, и к генерации новой цепи продольных токов, замыкающихся на переднем и заднем фронтах плазменного сгустка. Уменьшение концентрации плазменного потока и его размера вдоль магнитных силовых линий и рост проводимости в цепи замыкана продольных токов приводит к усилению деполяризации.

4. Предложен механизм отклонения плазменного потока от направления инжекции в сторону ларморовского вращения ионов, связывающий этот эффект с уменьшением поперечного электрического поля в плазменной струе Показано, что деполяризация импульсного плазменного потока, направленного из хвоста магнитосферы к Земле, можег приводить к его отклонению в сторону утреннего сектора магнитосферы.

5. По данным измерений на различных расстояниях от источника плазмы в активном геофизическом эксперименте показано, что торможение доальфвеновской плазменной струи с (3>1, распространяющейся в ионосфере поперек магнитных силовых линий, обусловлено взаимодействием с геомагнитным полем.

6 Тип магнитогидродинамического возмущения, распространяющегося в фоновой плазме перед фронтом доальфвеновской плазменного потока с р>1, определяется направлением инжекции по отношению к вектору магнитного поля При инжекции под углом к магнитным силовым линиям регистрируется магнитозвуковая волна, в которой фоновая плазма увлекается в движение перед фронтом плазменного потока При инжекции вдоль геомагнитного поля перед фронтом доальфвеновского плазменного потока распространяется волна разряжения Усиление магнитного поля на заднем фронте диамагнитной каверны может быть обусловлено схлопыванием области пониженной плотности, образующейся в фоновой среде после прохождения плазменного сгустка.

В заключении отметим, что результаты проведенных исследований показывают, что при рассмотрении механизмов передачи энергии, импульса и вещества, возникающих при установлении цепи продольных токов, связывающей магнитосферный генератор (плазменные потоки) с ионосферной нагрузкой, необходимо учитывать обратные связивлияние токовой цепи на магнитосферный генератор Эффекты торможения деполяризации и отклонения магнитосферной плазменной струи могут влиять на параметры магнитосферно-ионосферного взаимодействия Проведенные оценки показывают, что импульсный плазменный поток, инжектированный при развитии магнитной суббури из хвоста магнитосферы к Земле, эффективно тормозится и смещается в сторону утреннего сектора магнитосферы при условии, что характерный размер плазменного потока не превышает несколько радиусов Земли При этом поперечное электрическое поле будет ниже расчетного значения E=VB/c.

Экспериментальные данные и выводы, полученные в данной работе, могут быть использованы при построении моделей динамики магнитосферных потоков в хвосте и низкоширотном пограничном слое магнитосферы, при изучении явления альфвеновской ионизации и при разработке физико-математических моделей воздействия магнитосферно-ионосферных процессов на среду обитания человека.