Механізми формування динамічних спектрів S-радіовипромінювання Юпітера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анотація

Щербініна Т.Є. Механізми формування динамічних спектрів S-радіовипромінювання Юпітера. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.02 - астрофізика, радіоастрономія. - Головна астрономічна обсерваторія НАН України, Київ, 1999.

На основі механізму “хвиля пучок” запропоновано пояснення часової тривалості і частотної ширини сплесків з лінійним дрейфом S-радіовипромінювання Юпітера. Проведено аналіз наявних експериментальних даних, оцінено параметри МГД хвиль і електронних пучків у трубці Іо Юпітер.

Запропоновано механізм утворення різних серій сплесків з лінійним дрейфом. Дано пояснення незмінності частотної ширини смуги, її періодичної за часом структури. Показано, що можливе число смуг залежить від співвідношення довжини релаксації пучків і довжини МГД хвиль.

Запропоновано механізм утворення складних S-радіосплесків, який використовує вплив флуктуацій параметрів трубки Іо Юпітер на частоту випромінювання. У єдиний спосіб пояснено клас експериментально спостережуваних динамічних спектрів, до якого належать сплески з лінійним додатним і від'ємним, нульовим, - подібним і - подібним дрейфом.

Ключові слова: трубка Іо Юпітер, S-радіовипромінювання, динамічний спектр, коефіцієнт частотного дрейфу, флуктуації, МГД хвиля, електронний пучок.

Аннотация

Щербинина Т. Е. Механизмы формирования динамических спектров S-радиоизлучения Юпитера. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия. - Главная астрономическая обсерватория НАН Украины, Киев, 1999.

Данная диссертационная работа посвящена разработке механизма, который мог бы с единой точки зрения объяснить формирование различных типов динамических спектров S-радиоизлучения Юпитера, их основные наблюдаемые частотные и временные характеристики.

В первой главе проведен анализ существующих теорий генерации декаметрового S-радиоизлучения Юпитера, основанных как на прямых, так и на непрямых механизмах генерации электромагнитных волн.

Отмечены преимущества черенковского механизма генерации S-радиоизлучения, в рамках которого в данной диссертационной работе проведена разработка механизмов формирования динамических спектров, анализ экспериментальных данных и построение теории.

В второй главе проведен сравнительный анализ предложенных ранее моделей образования различных типов динамических спектров, указаны недостатки существующих теорий формирования спектрограмм, в том числе один из главных сложность объяснения в рамках одной модели всех типов наблюдаемых всплесков.

В этой же главе рассмотрен вопрос формирования сложных структур S-всплесков с изменяющимся в течение времени значением частотного дрейфа.

Предложен и детализирован механизм влияния флуктуаций параметров трубки Ио на вид динамических спектров S-радиоизлучения Юпитера. Исследовано влияние скорости источника излучения, а также флуктуаций концентрации электронов и магнитного поля в трубке Ио Юпитер на вид спектров S-всплесков. Проведены оценки коэффициента частотного дрейфа в зависимости от величин флуктуаций, “среднего” распределения концентрации электронов, обеспечивающего отрицательный частотный дрейф, и дипольного магнитного поля Юпитера. Приведены характерные для этих случаев виды всплесков на динамическом спектре излучения.

В третьей главе предложен механизм формирования частотной и временной длительности S-всплесков с линейным дрейфом декаметрового радиоизлучения Юпитера, основанный на эффекте синхронизации движения источника излучения (электронного пучка) и магнитогидродинамических волн, распространяющихся в токовой трубке Ио Юпитер. Объяснены причины различий в длительности S-всплесков, получены выражения для частотной ширины и времени жизни всплесков в зависимости от соотношения фазовой скорости МГД волны и скорости пучка (с учетом времени квазилинейной релаксации пучка). Исследованы типы спектров, создаваемых быстрым и медленным источником.

Далее проведен анализ экспериментальных данных, оценены параметры МГД волн, возбуждающихся в трубке Ио; проведен расчет альфвеновской скорости в токовой трубке Ио Юпитер.

В этой же главе в рамках рассматриваемой модели формирования всплеска объясняются различные серии и полосы S-всплесков с линейным дрейфом, исходя из взаимосвязи (по времени и в пространстве) процесса образования пучков (источников излучения) с параметрами МГД волны. Отмечено, что определяющими величинами при формировании частотных полос и серий всплесков являются временной период генерации пучков и период низкочастотной МГД волны, возмущающей поверхность трубки Ио Юпитер, а также длины релаксации образующихся пучков. При этом показано, что наблюдаемые серии всплесков могут быть объяснены только при периодической работе источника электронных пучков в трубке Ио и сильной корреляции процесса генерации пучков с процессом образования МГД волн.

В четвертой главе предложен механизм образования S-всплесков, обладающих линейным положительным и более сложными типами частотного дрейфа, связанный с изменением частоты излучения плазменных волн аномальной дисперсии вследствие наличия флуктуаций параметров трубки Ио Юпитер в области генерации. Приведены оценки соотношений между локальными изменениями концентрации и магнитного поля, приводящие к появлению положительного частотного дрейфа.

Проанализированы возможные изменения частоты излучения (возникающие благодаря локальным флуктуациям магнитного поля и плотности электронов в трубке Ио Юпитер), и построены соответствующие им теоретические динамические спектры. При этом исследована зависимость вида всплеска на спектрограмме от соотношения масштаба локальной неоднородности параметров трубки Ио Юпитер и длины низкочастотной гидродинамической волны, возмущающей поверхность трубки. Отдельное внимание уделено всплескам с нулевым дрейфом.

Ключевые слова: трубка Ио Юпитер, S-радиоизлучение, динамический спектр, коэффициент частотного дрейфа, флуктуации, МГД волна, электронный пучок.

Abstract

Shcherbinina T.E. The formation mechanisms of dynamic spectra of Jovian S-radioemission. - Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of the candidate of physical and mathematical sciences on the speciality 01.03.02 - astrophysics and radioastronomy. - The Main Astronomical Observatory of National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 1999.

On the basis of mechanism “wave beam” the explanation of time and frequency scales for bursts with linear drift of Jovian S-radioemission is proposed. Analysis of experimental data is made, parameters of MHD waves and electron beams in the Io Jupiter tube are estimated.

The formation mechanism of different series of the bursts with linear drift is proposed. The explanation of the constant frequency width and periodical structure of the band is given. It is shown that possible amount of bands depends on the relation between the relaxation length of the beam and the length of MHD wave.

The formation mechanism of bursts with compound types of frequency drift is proposed. The explanation is based on influence of fluctuations of the Io Jupiter tube parameters on emission frequency. The experimentally observed dynamic spectra of S-bursts with linear negative and positive drift, compound frequency drift and without anyone are explained in the frames of general mechanism.

Key words: the Io Jupiter tube, S-radioemission, dynamic spectrum, the coefficient of frequency drift, fluctuations, MHD wave, electron beam.

сплеск спектр радіовипромінювання юпітер

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми.

Юпітер є найпотужнішим джерелом спорадичного радіовипромінювання серед планет Сонячної системи. Як радіоджерело він був відкритий у 1955 році, і з того часу проблема походження його випромінювання постійно привертає увагу вчених і є однією з актуальних проблем сучасної астрофізики та радіоастрономії.

Але, незважаючи на багатолітню працю багатьох авторів і колективів, теорія ДКМ S-радіовипромінювання Юпітера до цього часу не побудована.

Це пов'язано насамперед з тим, що хоча Юпітер відноситься до тих планет, які вивчались з достатньо близьких відстаней за допомогою космічних апаратів (Вояджер - 1,2, Піонер - 10,11, Галілео), але радіовипромінювання Юпітера і по цей час залишається основним джерелом інформації про властивості джерел випромінювання.

Тому для вирішення проблеми походження декаметрового S-радіовипромінювання Юпітера необхідно вирішувати зворотну задачу виходячи з спостережених властивостей радіовипромінювання визначити ті фізичні процеси, які привели до його генерації, та фізичні умови у відповідних шарах магнітосфери Юпітера.

У роботах Боєва А.Г. і Лук'янова М.Ю. (див. статтю Боєва А.Г., Лук'янова М.Ю. “К теории декаметрового S-радиоизлучения Юпитера" // Астрон. журн. - 1991. - Т. 68, № 4. - С. 853-862) була запропонована теорія механізму генерації декаметрового S-радіовипромінювання Юпітера, заснована на черенковському випромінюванні електронним пучком плазмових хвиль аномальної дисперсії з подальшим процесом трансформації їх у електромагнітні хвилі. Більш детально механізм трансформації був розглянутий цими ж авторами і Цвик Н.А. (Боев А.Г., Лукьянов М.Ю., Цвык Н.А. О динамических спектрах S-радиоизлучения Юпитера. I. Теория. Кинематика и физика небес. тел. - 1993. - Т. 9, № 6. - С. 27-36). В результаті була побудована теорія декаметрового S-радіовипромінювання Юпітера, що пояснює велику кількість експериментальних даних.

У межах цієї моделі були пояснені частотний від'ємний дрейф, пікові густини потоку енергії S-радіовипромінювання, конусна діаграма спрямованості, залежність частоти випромінювання від куту розхилу конусу.

Але, наряду з цим, залишився невирішеним ряд питань. Не було створено єдиного механізму утворення частотної і часової тривалості для вузькосмугових та для широкосмугових (з частотною шириною >3 МГц) сплесків з лінійним дрейфом S-радіовипромінювання Юпітера. Не було розглянуто можливість впливу флуктуацій параметрів трубки Іо Юпітер на частотні та часові характеристики S-сплесків. Не було пояснено існування складних S-сплесків декаметрового радіовипромінювання Юпітера з лінійним додатним частотним дрейфом, із змінною величиною дрейфу, а також з нульовим частотним дрейфом.

Більш того, останнім часом з'явилися нові експериментальні дані про динамічні спектри S-радіовипромінювання, які також потребують пояснення. Тому тема дисертації є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами.

Робота виконана у Радіоастрономічному інституті НАН України у межах наступних відомчих фундаментальних програм:

“Парсек - 96” (номер державної реєстрації 0198U003859);

“Уран - 1” (№ 0197U019099);

“Випромінювання” (№ 0198U003856).

Мета і задачі дослідження

Головною метою дисертаційної роботи є розробка механізму, який міг би пояснити з єдиної точки зору утворення різних типів динамічних спектрів S-радіовипромінювання Юпітера, їх основні спостережувані частотні та часові характеристики, що в майбутньому дозволило б побудувати картину фізичних явищ у струмовій трубці Іо Юпітер. Для досягнення поставленої мети було проведено:

розробка механізму впливу флуктуацій параметрів трубки Іо на вид динамічних спектрів S-радіовипромінювання Юпітера;

побудова механізму формування складних динамічних спектрів, оцінка величин і масштабів флуктуацій параметрів трубки Іо Юпітер, що приводять до експериментально спостережуваних складних S-сплесків;

розробка єдиного механізму утворення частотної і часової тривалості як для вузькосмугових сплесків з лінійним дрейфом S-радіовипромінювання Юпітера, так і для широкосмугових (з частотною шириною >3 МГц) сплесків;

побудова механізму утворення різних серій S-сплесків з лінійним дрейфом.

Наукова новизна одержаних результатів:

Дістала подальший розвиток теорія черенковського механізму генерації S-радіовипромінювання Юпітера.

Вперше запропоновано механізм утворення S-сплесків декаметрового радіовипромінювання Юпітера з лінійним додатним і більш складними типами частотного дрейфу, заснований на зміні частоти плазмових хвиль аномальної дисперсії, пов'язаній з локальними флуктуаціями густини електронів і магнітного поля в струмовій трубці Іо Юпітер, а також на врахуванні залежності величини дрейфу від швидкості пучків електронів (джерел випромінювання).

Вперше отримано вираз для коефіцієнту частотного дрейфу у випадку присутності флуктуацій параметрів трубки Іо та швидкості джерела випромінювання.

Вперше дано пояснення часової тривалості та частотної ширини як для вузькосмугових сплесків з лінійним дрейфом S-радіовипромінювання Юпітера, так і для широкосмугових (з частотною шириною >3 МГц) сплесків.

Вперше запропоновано механізм утворення різних типів серій сплесків з лінійним дрейфом. Дано пояснення постійності частотної ширини полоси, її періодичної часової структури. Показано, що кількість спостережуваних полос залежить від співвідношення довжини релаксації електронного пучка і довжини магнітогідродинамічних (МГД) хвиль, що розповсюджуються в струмовій трубці Іо Юпітер.

Практичне значення одержаних результатів.

Запропоновані механізми формування динамічних спектрів дозволяють пояснити достатньо велику кількість експериментальних даних.

Передбачені властивості джерела випромінювання та знайдені параметри МГД хвиль та електронних пучків можуть бути корисними для визначення тих фізичних процесів, які призвели до генерації S-радіовипромінювання Юпітера.

Передбачена можливість існування сплесків з додатним дрейфом в порівняно низьких шарах іоносфери Юпітера. Експериментальне дослідження існування таких сплесків було б цікавим з точки зору вивчення властивостей низьких шарів іоносфери Юпітера.

Запропоновані механізми можуть також бути використані при вивченні природи інших джерел космічного випромінювання, в яких спостерігаються подібні динамічні спектри (наприклад, спектри Сонячних сплесків ІІ і ІІІ b типів).

Особистий внесок здобувача:

Результати дисертаційних досліджень опубліковані в працях, виконаних разом з науковим керівником.

Особистий внесок здобувача полягає у наступному:

участь у постановці задач,

проведення аналітичних і чисельних розрахунків,

обробка експериментальних даних,

участь в аналізі та інтерпретації результатів досліджень, формулюванні висновків та написанні текстів статей.

Апробація роботи.

Результати, які увійшли до дисертацій, представлялись та доповідались на таких конференціях та семінарах:

23-й конференції Європейської фізичної спілки з керованого термоядерного синтезу і фізики плазми (23-rd EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics), Київ, 1996;

23-й Генеральній асамблеї Європейської геофізичної спілки (XXIII EGS General Assembly), Ніцца, Франція, 1998;

6-й Українській конференції - школі з фізики плазми та керованого термоядерного синтезу (VI Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion), Алушта, 1998;

Радіоастрономічних семінарах РІ НАН України під керівництвом академіка НАН України С. Я. Брауде.

Публікації.

Основні результати дисертації відображені в 7 публікаціях, у тому числі в 4 статтях у наукових журналах, а також в матеріалах і тезах 3 перелічених вище конференцій.

2. Зміст роботи

У вступі викладено загальну формалізовану характеристику дисертації, обгрунтована актуальність вибраної теми, сформульована мета і задачі досліджень, наукова новизна та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі проведено аналіз існуючих теорій генерації декаметрового S-радіовипромінювання Юпітера, які засновані як на прямих, так й на непрямих механізмах генерації електромагнітних хвиль. Щоб визначити критерії застосування зазначених теорій, спочатку зроблено огляд експериментально спостережуваних властивостей S-радіовипромінювання Юпітера.

Далі приведено теорію черенковського механізму генерації S-радіовипромінювання Юпітера та механізм трансформації “хвиля пучок”, у межах якої в даній дисертаційній роботі проведено розробку механізмів формування динамічних спектрів, аналіз експериментальних даних і побудова теорії. Відзначені переваги даного механізму генерації, перераховані пояснені у межах цієї теорії властивості S-радіовипромінювання Юпітера, зазначені питання, що потребують вирішення.

Наприкінці першого розділу сформульовані головні цілі дослідження.

У другому розділі обгрунтовано вибір предмету дослідження, відзначено важливість вивчення динамічних спектрів S-сплесків для одержання інформації про джерела S-радіовипромінювання та області його генерації. Приведено характеристики спектрограм S-сплесків різної роздільної здатності, а також опис параметрів радіотелескопів, за допомогою яких проводяться спостереження декаметрового радіовипромінювання Юпітера.

Далі зроблено порівняльний аналіз запропонованих раніше моделей формування різних типів динамічних спектрів, зазначені недоліки існуючих теорій формування спектрограм, серед яких головний складність пояснення у межах однієї моделі усіх типів спостережуваних сплесків.

У цьому ж розділі розглянуто питання утворення складних структур S-сплесків з змінним з часом значенням частотного дрейфу. Запропоновано механізм впливу флуктуацій параметрів трубки Іо на вид динамічних спектрів S-радіовипромінювання Юпітера. Досліджено вплив швидкості джерела випромінювання, а також флуктуацій густини електронів і магнітного поля у трубці Іо Юпітер на вид спектрів S-сплесків. Зроблено оцінки коефіцієнта частотного дрейфу в залежності від величин флуктуацій, “середнього” розподілу концентрації електронів, яке забезпечує від'ємний частотний дрейф, та дипольного магнітного поля Юпітера. Приведено характерні для цих випадків види сплесків на динамічному спектрі, показано, що утворення складних структур S-сплесків з змінним з часом значенням частотного дрейфу може бути викликано флуктуаціями параметрів трубки.

У третьому розділі запропоновано механізм утворення частотної й часової тривалості S-сплесків з лінійним дрейфом декаметрового випромінювання Юпітера, заснований на ефекті синхронізації руху джерела випромінювання (електронного пучка) і магнітогідродинамічних хвиль, які розповсюджуються у струмовій трубці Іо Юпітер. Дано пояснення різниці у тривалостях S-сплесків, одержані вирази для частотної ширини і часу життя сплесків в залежності від співвідношення фазової швидкості МГД хвилі та швидкості пучка (враховуючи час квазілінійної релаксації пучка). Досліджено типи спектрів, які створені швидким і повільним пучком.

Далі проведено аналіз експериментальних даних, оцінені параметри МГД хвиль, що збуджуються у трубці Іо; проведено розрахунок альфвенівській швидкості в струмовій трубці Іо Юпітер.

У цьому ж розділі у межах розглядаємої моделі утворення сплеску пояснюються різні серії й смуги S-сплесків з лінійним дрейфом, виходячи із взаємозв'язку (за часом й у просторі) процесу утворення пучків (джерел випромінювання) з параметрами МГД хвиль. Підкреслено, що визначеними величинами при утворенні частотних смуг і серій сплесків є часовий період генерації пучків і період низькочастотної МГД хвилі, збуджуючої поверхню трубки Іо Юпітер, а також довжини релаксації пучків. При цьому показано, що спостережувані серії сплесків можуть бути пояснені тільки при періодичній роботі джерела електронних пучків у трубці Іо і сильній кореляції процесу генерації пучків з процесом утворення МГД хвиль.

У четвертому розділі пропонується механізм утворення S-сплесків декаметрового радіовипромінювання Юпітера з лінійним додатним і більш складними типами частотного дрейфу, зв'язаний із зміною частоті випромінювання плазмових хвиль аномальної дисперсії внаслідок присутності флуктуації параметрів трубки Іо Юпітер у місці генерації. Наведені оцінки співвідношень між локальними змінами густини електронів і магнітного поля, які призводять до появлення додатного частотного дрейфу.

Далі аналізуються можливі зміни частоти випромінювання (які виникають завдяки локальним флуктуаціям магнітного поля і густини електронів у трубці Іо Юпітер), і наводяться відповідні їм теоретичні динамічні спектри. При цьому досліджується залежність виду сплеску на спектрограмі від співвідношення масштабу локальної неоднорідності параметрів трубки Іо та довжини низькочастотної гідродинамічної хвилі, збуджуючої поверхню трубки.

На основі запропонованого механізму зроблено аналіз експериментальних даних. Визначено параметри й масштаби флуктуацій густини електронів, які забезпечують експериментально спостережувані властивості S-сплесків з додатним частотним дрейфом у діапазоні 11-17 МГц. Оцінки показують, що знайдені масштаби неоднорідності корелюють з масштабами низькочастотних гідродинамічних хвиль, які забезпечують спостережувані періодичності динамічних спектрів S-радіовипромінювання Юпітера.

Далі розглянуто механізм формування S-сплесків із змінним частотним дрейфом. Пояснення базується на залежності коефіцієнту частотного дрейфу від величини флуктуацій концентрації електронів. Показані можливі типи сплесків для профілю електронної густини, що має точку, в якій виконується умова . Окрему увагу приділено сплескам з нульовим частотним дрейфом.

Наприкінці розділу передбачена можливість існування сплесків з додатним дрейфом в порівняно низьких шарах іоносфери Юпітера

У висновках відображено основні результати дисертаційної роботи.

Висновки

Знайдено залежність коефіцієнту частотного дрейфу від параметрів трубки Іо Юпітер при наявності локальних флуктуацій густини електронів, магнітного поля, швидкості джерела випромінювання (пучка електронів).

Запропоновано механізм утворення складних S-сплесків декаметрового радіовипромінювання Юпітера:

а) з лінійним додатним частотним дрейфом,

б) із змінною величиною дрейфу,

в) -подібних,

г) -подібних,

д) з нульовим частотним дрейфом.

Показано, що спостережувані складні спектри можуть бути пояснені існуванням у трубці Іо Юпітер флуктуацій електронної густини і магнітного поля з масштабами км і величинами та відповідно.

Дано пояснення часової тривалості та частотної ширини як для вузькосмугових сплесків з лінійним дрейфом S-радіовипромінювання Юпітера, так і для широкосмугових (з частотною шириною >3 МГц) сплесків. Одержано вирази для частотної ширини і часу життя сплесків в залежності від співвідношення фазової швидкості МГД хвилі та швидкості пучка (враховуючи час квазілінійної релаксації пучка).

Проведено оцінки параметрів МГД хвиль та електронних пучків. Показано, що електронні пучки мають швидкості , довжини км, час квазілінійної релаксації с; а МГД хвилі, що розповсюджуються у трубці Іо Юпітер, являють собою альфвенівські або швидкі магнітозвукові хвилі з довжинами км та фазовими швидкостями .

Запропоновано механізм формування серій S-сплесків. Показано, що утворення серій можливо тільки при виконанні умови кратності періоду генерації пучків й періоду МГД хвилі. При цьому інтервали між сплесками в одній частотній смузі відповідають періоду генерації пучків .

Показано, що спостережувані серії сплесків різних типів можуть бути пояснені тільки при періодичній роботі джерела електронних пучків у трубці Іо і сильній кореляції процесу генерації пучків з процесом утворення МГД хвиль.

Публікації за темою дисертації

Боев А.Г., Щербинина Т.Е. К теории всплесков с положительным частотным дрейфом декаметрового S - радиоизлучения Юпитера // Доповіді Національної академії наук України. - 1997. - № 7. - С. 107-111.

Боев А.Г., Щербинина Т.Е. О механизме образования S - всплесков декаметрового радиоизлучения Юпитера с положительным и более сложными типами частотного дрейфа // Кинематика и физика небесных тел. - 1997. - Т. 13, № 3. - С. 3-9.

Боев А.Г., Щербинина Т.Е. О частотных и временных характеристиках S-всплесков с линейным дрейфом ДКМ излучения Юпитера. I. Формирование всплеска // Радиофизика и радиоастрономия. - 1998. - Т. 3, № 2. - С. 166-172.

Боев А.Г., Щербинина Т.Е. О частотных и временных характеристиках S-всплесков с линейным дрейфом ДКМ излучения Юпитера. II. Серии всплесков // Радиофизика и радиоастрономия. - 1998. - Т. 3, № 3. - С. 273-276.

Boev A.G., Shcherbinina T.E. To the theory of decameter Jovian radioemission S - bursts with positive drift // 23-rd EPS Conf. on Control. Fusion and Plasma Phys. - Kiev, 1996. - V. 20C, part III. - P. 1317-1320.

Boev A.G., Shcherbinina T.E. On the formation mechanism of S - bursts with linear drift of the Jovian decameter radioemission. VI Ukrainian Conf. and School on Plasma Phys. and Contr. Fusion. Book of Abstracts, Kharkov, 1998. - P. 93.

Boev A.G., Shcherbinina T.E. To the formation mechanism of the decameter Jovian radioemission S - bursts with compound types of frequency drift // Annales Geophysicae. -1998. - Supplement of Volume 16. - P. C1015.

Размещено на Allbest.ru