ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2008, № 10, с. 19-24
УДК 550.344.385 550.385.37
ИССЛЕДОВАНИЕ УНЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
© 2008 г. А. В. Гульельми
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: guglielmi@mail.ru Поступила в редакцию 14.05.2008 г.
Сделан краткий обзор проблем физики ультранизкочастотных электромагнитных волн, которые автор исследовал в период работы на Геофизической Обсерватории Борок ИФЗ РАН с 1964 по 1980 годы. Затронуты также отдельные вопросы, в решении которых автор принимал участие в последующие годы при тесном творческом взаимодействии с сотрудниками Обсерватории.
Ключевые слова: гидромагнитная диагностика, сейсмоэлектродинамика, пондеромоторные силы, резонаторы, волноводы.
PACS: 94.30.Tz
1. ВВЕДЕНИЕ
Ультранизкочастотными (УНЧ) называют электромагнитные волны естественного происхождения в диапазоне от миллигерц до нескольких герц. В нижней части диапазона волны впервые наблюдались в 1741 г. на обсерватории Упсала. Их обнаружил Цельсий, бывший в то время директором обсерватории. Интересным и, как выяснилось много позже, исключительно важным было обнаружение волн в верхней части диапазона. Их обнаружил Саксдорф на обсерватории Соданкюля. В 2006 г. на Генеральной Ассамблее ЕГС в Вене мною совместно с И. Кангасом (Обсерватория Соданкюля, Финляндия) и А.С. Потаповым (ИСЗФ СО РАН, Иркутск) была организована и проведена специальная сессия ST4.6: "Pel Pearl Waves", посвященная 70-летию открытия Саксдорфа.
УНЧ волны интересны во многих отношениях. С практической точки зрения они интересны тем, что могут быть использованы для поиска полезных ископаемых и для диагностики околоземной среды. Геофизиков они привлекают сложной структурой и динамикой, многообразием корреляционных связей, а также и красотой форм, о чем свидетельствует, например, поэтическое название "жемчужины" для обозначения колебаний геомагнитного поля в диапазоне одного герца. "Жемчужины" интересуют биологов и медиков как один из космических факторов, предположительно влияющих на жизнедеятельность организмов. Но для физика УНЧ волны интересны, помимо всего прочего, загадочностью происхождения. Их наблюдение служит богатым источником разнообразных и трудных проблем.
Вскоре после окончания радиофизического факультета Горьковского (ныне Нижегородского)
Государственного Университета я выбрал УНЧ волны для самостоятельного исследования. Мой учитель Борис Николаевич Гершман, зная о моем намерении, посоветовал обратиться к Валерии Алексеевне Троицкой. Она направила меня в Борок, где производилась непрерывная регистрация УНЧ волн. Здесь я работал над проблемами физики УНЧ волн в годы 1964-1980. Об этом кратко написано в разделах 2-4. В последующие годы сложились новые направления в изучении УНЧ волн. Соответствующая проблематика описана в разделах 5-7.
2. ГИДРОМАГНИТНАЯ ДИАГНОСТИКА
Диагностика магнитосферы по данным наблюдения УНЧ волн привлекала особое внимание сотрудников Обсерватории в 60-е годы прошлого века. Фактически было сформировано довольно мощное направление, которое заинтересовало многих исследователей околоземного космического пространства в стране и за рубежом. Проблемы диагностики подробно описаны в обзорах [Тго^кауа, в^Мт, 1967; Ои§Ие1т1, 1974; Гульельми, 1989] и в монографии [Гульельми, Троицкая, 1973]. Работы в этом направлении принесли несомненную пользу. Прежде всего, они принесли пользу физике УНЧ волн. Это и понятно, ведь попытка извлечь нетривиальную информацию о магнитосфере ставит исследователя перед необходимостью остро критически отнестись к своим представлениям о происхождении УНЧ волновых процессов. Метод тестов и критериев для решения альтернатив, введенный в обязательный обиход при постановке диагноза, дал интересные результаты. Именно на этом пути было сделано, например, открытие внемагни-тосферного происхождения так называемых Рс3
19
2*
(диапазон периодов 10-45 с), которые представляют собой в определенном смысле основной вид УНЧ волн. Тем самым было экспериментально доказано проникновение МГД волн из межпланетной среды в магнитосферу. Ранее такая возможность оспаривалась рядом исследователей.
3. ВОЛНОВОД
ПОД СВОДОМ ПЛАЗМОСФЕРЫ
В 70-е годы творческие усилия сотрудников Обсерватории были направлены на решение проблем происхождения УНЧ волн. Основные результаты изложены в монографии [Гульельми, 1979] (см. также [Гульельми, 1985а;б; 1989; 2006; 2007; ви§Ие1ш1, Ка^ав, 2007]). В данном и в следующем разделах речь пойдет о результате поиска волноводов и резонаторов в околоземной плазме. Естественные структуры такого рода играют большую роль в формировании УНЧ волновых полей.
Волновод под сводом плазмосферы был обнаружен путем анализа рефракции магнитозвуко-вых волн в экваториальной окрестности плазмо-паузы [Гульельми, 1970]. Это подготовило почву для открытия излучения с линейчатым спектром на высоких гармониках гирочастоты ионов. В работе [ви§Ие1ш1 е! а1., 1975] тщательно проанализированы описанные в литературе спутниковые наблюдения магнитозвуковых волн в окрестности плазмопаузы. Было обнаружено, что среднее расстояние между многочисленными пичками в спектре равно локальной гирочастоте ионов, и была предложена линейная теория неустойчивости плазмы, объясняющая происхождение и основные свойства пичков. (Ранее считалось, что эти странные пички возникают в результате сбоев в работе спутниковой аппаратуры.) При разработке нелинейной теории был использован механизм стабилизации амплитуды, известный ранее в теории ветровых волн на воде. Речь идет о модуляционной неустойчивости нарастающих волн, приводящей к уширению спектра и, тем самым, обеспечивающей перекачку энергии из области усиления волн в область поглощения (подробности см. в [Гульельми, 1980; Гульельми, Репин, 1981]).
4. РЕЗОНАТОР
В ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ЗОНЕ
Путь к гипотезе о существовании ионно-цик-лотронного резонатора в экваториальной зоне магнитосферы был довольно долгим. Все началось с поиска ответа на простой вопрос: существуют ли волны, групповая скорость которых одна и та же в неподвижной и в движущейся среде? Вопрос кажется некорректным, поскольку ответ на него (отрицательный) представляется вполне очевидным. Но это только на первый взгляд.
Пусть У^, - групповая скорость в сопутствующей системе отсчета, где среда неподвижна, а У^ -групповая скорость в лабораторной системе, движущейся со скоростью и в направлении распространения волны. При нерелятивистских скоростях, казалось бы, У^ = Уё - и. Эта формула, вполне справедливая для недиспергирующих волн, использовалась в литературе при описании распространения свистящих атмосфериков. Но свистящие атмосферики обладают специфической дисперсией. Выяснилось, что для них У^ = У8 [Гульельми, 1963]. Кроме свистящих атмосфериков парадоксальным свойством У' = У8 обладают волны Ленг-мюра, волны де Бройля и вообще все волны, для которых выполняется условие
йУ& _ УрН
й ю
ю
(1)
Здесь ю - частота, УрЬ - фазовая скорость, УрЬ < с, где с - скорость света.
Вопрос о групповой скорости возник в связи с одной из задач гидромагнитной диагностики. А именно, требовалось оценить скорость движения магнитосферной плазмы по измеренной разности времен пробега волн вдоль геомагнитных силовых линий между сопряженными точками из северного полушария в южное и обратно [Гульельми, 1967]. Предполагалось использовать наблюдения волн Рс1 (диапазон периодов 0.2-5 с), известных также как "жемчужины" и "гидромагнитные свисты". Для этих волн соотношение (1) не выполняется. Отсюда следует, что скорости пробега вдоль потока плазмы в прямом и обратном направлениях различны. При расчете разности времен пробега и было обнаружено явное указание на существование открытого резонатора, удерживающего ионно-циклотронные волны высоко над Землей в узкой зоне вблизи геомагнитного экватора. Позднее был вычислен спектр ионно-циклотронного резонатора [ви§Не1ш1 е! а1., 2000] и были приведены аргументы в пользу идеи о том, что волны Рс1 возбуждаются в этом резонаторе [ви§Ие1ш1 е! а1., 2001].
Итак, примерно до 1980 года работы велись главным образом по гидромагнитной диагностике, а также по изучению морфологии и по интерпретации УНЧ волн. Новые направления сложились в последующие годы при активном участии сотрудников Геофизической Обсерватории Борок. Сюда относится, в частности, физика ускорения маг-нитосферной плазмы под воздействием пондеро-моторных сил со стоны УНЧ волн [Гульельми, 1992; 1999; в^ИеШ, ЬипШп, 2001; ЬипШп, ви§Ие1ш1, 2006; ви§Ие1ш1 е! а1., 2006]. Сюда же относится и сейсмоэлектродинамика, в задачу которой входит решение проблем обнаружения и ин-
терпретации УНЧ электромагнитных сигналов, возбуждаемых в земной коре при землетрясениях [в^Це1ш1, 1992; 1999; О^Не1ш1 е! а1., 2004; Гу-льельми, 2007; 2008]. Следует отметить также цикл работ, направленных на решение фундаментальной проблемы антропогенной модификации колебательного режима магнитосферной плазмы [О^Не1ш1, 7ОЮУ, 2007].
5. ПОНДЕРОМОТОРНЫЙ РЕЗОНАНС
Теория пондеромоторных сил, действующих на вещество со стороны переменного электромагнитного поля, давно и хорошо известна (см., например, обзор [Еипёт, 2006] и ука-
занную в нем литературу). Но при использовании теории для описания ускорения магнитосферных ионов под воздействием УНЧ волн мы сталкиваемся со специфической проблемой. Сущность проблемы проще всего объяснить на примере ускорения тяжелого иона в водородной магнитоактивной плазме.
Пусть для конкретности это будет движение иона кислорода 0+ в поле волны Альвена. Введем пондеромоторный потенциал и такой, что
d v || dt
dU " д z 9
(2)
1 ГсЕ( 0 )! 2 ГР (0)1 1/2
2 L в ( 0 )J Lp(z)J
z, км 17000160001500014000
-200 y, км
200 ^—|— 200
100
0
x, км
-100
200
где = dzldt - скорость движения вдоль геомагнитных силовых линий, а черта означает усреднение по периоду волны 2п/ш. Допустим, что ш < О, где О = еВ/т0+с - гирочастота, е - элементарный
заряд, то + - масса иона, В - величина магнитного
поля. Тогда
(3)
Здесь Е - амплитуда колебаний электрического поля, р - плотность плазмы. Точка г = 0 выбрана более или менее произвольно, но так, что условие ш < О соблюд
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.