авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Кинетическое моделирование распределения межзвездных атомов водорода в гелиосфере и анализ экспериментальных данных soho/swan по рассеянному солнечному лайман-альфа излучению

На правах рукописи

КАТУШКИНА ОЛЬГА АЛЕКСАНДРОВНА

КИНЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МЕЖЗВЕЗДНЫХ

АТОМОВ ВОДОРОДА В ГЕЛИОСФЕРЕ И АНАЛИЗ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ SOHO/SWAN ПО РАССЕЯННОМУ

СОЛНЕЧНОМУ ЛАЙМАН-АЛЬФА ИЗЛУЧЕНИЮ

Специальность - 01.03.03 – Физика Солнца

01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 2013

Работа выполнена на кафедре аэромеханики и газовой динамики механико математического факультета федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова".

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, Измоденов Владислав Валерьевич

Официальные оппоненты: Курт Владимир Гдалевич, д.ф.-м.н., заведующий отделом «Квантовой астрофизики»

Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН Угольников Олег Станиславович, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник ФГБУН Института космических исследований РАН

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН

Защита состоится 20 ноября 2013 года в часов на заседании диссертационного совета Д 003.113.03 при ИКИ РАН по адресу: 117997, г. Москва, ул. Профсоюзная 84/32, Институт Космических исследований РАН, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института космических исследований РАН.

Автореферат разослан «» _ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук Буринская Т.М

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В диссертации проводится теоретический анализ эволюции функции распределения межзвездных атомов водорода по скоростям внутри гелиосферы области космического пространства, занятой солнечным ветром. Разработана трехмерная нестационарная кинетическая модель распределения атомов водорода, в которой учитываются эффекты, связанные 1) с 11-летним циклом солнечной активности;

2) с зависимостью параметров солнечного ветра от гелиошироты;

3) с изменением функции распределения межзвездных атомов при их прохождении через область взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой. Построенная численная модель применяется для анализа экспериментальных данных по рассеянному солнечному Лайман-альфа излучению, полученных на космическом аппарате (КА) SOHO (прибором SWAN). Актуальность данной работы обусловлена, во-первых, интересом к исследованию границы гелиосферы, возросшим в последнее время благодаря появлению новых уникальных данных с КА Вояджер-1 и 2, а также IBEX - Interstellar Boundary Explorer, и, во-вторых, большим количеством экспериментальной информации о рассеянном солнечном Лайман-альфа излучении, накопленной за последние 25 лет.

Исторически, именно данные о рассеянном Лайман-альфа излучении привели к идее о существовании межзвездного ветра, а также к развитию теоретических моделей проникновения межзвездных нейтральных атомов внутрь гелиосферы. В самом начале космической эры (Shklovsky, 1959) при первых ракетных запусках было обнаружено излучение в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне, которое невозможно было объяснить излучением от ближайших к Солнцу звезд или рассеянием солнечного излучения на нейтральных атомах в атмосфере Земли. В работах Курта & Гермогеновой (1967) и Курта & Сюняева (1967) была высказана гипотеза о галактическом происхождении измеряемого излучения. В дальнейшем более детальные измерения на аппарате OGO-5 на основании обнаруженного параллакс-эффекта показали, что единственным возможным источником рассеянного Лайман-альфа излучения могут быть межзвездные атомы водорода, которые проникли внутрь Солнечной системы за счет относительного движения Солнца и окружающей его межзвездной среды. Такое явление получило название межзвездного ветра.

Таким образом, межзвездные атомы водорода проникают из Локальной Межзвездной Среды (ЛМС) внутрь гелиосферы, где они могут быть измерены с помощью прямых или косвенных методов. Внутри гелиосферы распределение атомов водорода является источником информации как о параметрах ЛМС, так и о свойствах переходной области между солнечным и межзвездным ветрами (в литературе эту область называют гелиосферным ударным слоем). Кроме того, солнечное Лайман-альфа излучение рассеивается на межзвездных атомах водорода.

Спектральные свойства рассеянного излучения определяются функцией распределения атомов водорода по скоростям. Следовательно, измерения рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения открывают возможности для удаленной диагностики распределения межзвездных атомов водорода в гелиосфере.

Начиная с 1980-х годов прошлого века основной теоретической моделью распределения атомов водорода в гелиосфере являлась, так называемая, классическая горячая модель (Fahr, 1971), которая использовалась в течение многих лет для анализа и интерпретации данных по рассеянному солнечному Лайман-альфа излучению (Lallement et al., 1984, 1985 и др.). Тем не менее, эта модель обладает рядом недостатков. А именно, в ней не учитываются нестационарные и трехмерные эффекты, связанные с 11-летнем циклом солнечной активности и с зависимостью параметров солнечного ветра от гелиошироты, а также не учитывается существование области гелиосферного ударного слоя.

В диссертационной работе разработана (глава 1) новая кинетическая модель распределения атомов водорода в гелиосфере, которая, с одной стороны, позволяет избавиться от перечисленных недостатков классической горячей модели, а с другой стороны, является достаточно простой и эффективной с вычислительной точки зрения.

Разработанная модель применяется для исследования спектральных характеристик рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения в гелиосфере (глава 2), а также для анализа и интерпретации экспериментальных данных, полученных на космическом аппарате SOHO (прибором SWAN) (глава 3).

Цели и задачи диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработать трехмерную нестационарную кинетическую модель распределения межзвездных атомов водорода в гелиосфере, учитывающую эффекты, связанные с изменением функции распределения атомов водорода в районе границы гелиосферы.

2. Исследовать, как немаксвелловские свойства функции распределения атомов водорода во внешней гелиосфере (на 90 а.е. от Солнца) влияют на распределение (по пространству и скоростям) атомов водорода вблизи Солнца.

Немаксвелловский характер функции распределения во внешней гелиосфере связан с процессом перезарядки в области гелиосферного ударного слоя.

3. Проанализировать спектральные характеристики рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения в гелиосфере. Определить, как немаксвелловские свойства в распределении атомов водорода во внешней гелиосфере влияют на спектральные характеристики рассеянного Лайман-альфа излучения.

4. Провести теоретическое моделирование интенсивности рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения и сравнить результаты теоретических расчетов с экспериментальными данными, полученными на КА SOHO (прибором SWAN).

5. Провести исследование зависимости потока массы солнечного ветра от гелиошироты на основании полных карт неба в интенсивности рассеянного излучения, полученных из данных SOHO/SWAN.

Научная новизна работы заключается в следующем. Впервые была разработана детальная кинетическая модель распределения атомов водорода в гелиосфере, которая учитывает одновременно локальные трехмерные и нестационарные эффекты, а также кинетические эффекты, связанные с перезарядкой на границе гелиосферы. На основе этой модели были проанализированы данные SOHO/SWAN.

Автором впервые получены и выносятся на защиту следующие основные положения:

1. Впервые классифицированы немаксвелловские свойства функции распределения атомов водорода на расстоянии 90 а.е. от Солнца, возникающие за счет процесса перезарядки межзвездных атомов на протонах ЛМС и солнечного ветра в области гелиосферного ударного слоя.

2. Разработана трехмерная нестационарная кинетическая модель распределения межзвездных атомов водорода внутри гелиосферы с учетом эффектов, связанных с изменением функции распределения атомов в области гелиосферного ударного слоя. Данная модель является эффективным инструментом для анализа многочисленных экспериментальных данных.

3. Исследовано влияние гелиосферного ударного слоя на моменты функции распределения атомов водорода вблизи Солнца, а также на характеристики рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения. Показано, что наиболее чувствительными к немаксвелловским свойствам функции распределения атомов во внешней гелиосфере являются кинетическая температура атомов и ширина линии рассеянного Лайман-альфа излучения.

4. Проведен детальный теоретический анализ зависимости ширины линии рассеянного Лайман-альфа излучения от направления луча зрения наблюдателя.

Показано, что немонотонное поведение ширины линии, которое ранее было обнаружено в данных SOHO/SWAN, может быть частично объяснено в рамках текущих моделей только с учетом многокомпонентного характера плазмы межзвездной среды.

5. На основании разработанной в настоящей диссертации трехмерной и нестационарной модели распределения атомов водорода в гелиосфере был проведен анализ полных карт неба в интенсивности рассеянного Лайман-альфа 6. Установлено, что для объяснения данных SOHO/SWAN по интенсивности рассеянного Лайман-альфа излучения в период максимума солнечной активности (с 2001 по 2005 гг.) необходимо предположить, что график зависимости потока массы солнечного ветра от гелиошироты имеет два максимума на средних широтах (± 50-60o). Информация о гелиоширотных вариациях потока массы солнечного ветра имеет принципиальное значение для глобального моделирования гелиосферного ударного слоя и исследования процессов, происходящих на границе гелиосферы.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, основана на следующем:

1. Для моделирования распределения атомов водорода использовался наиболее адекватный в данном случае, кинетический подход. Необходимость использования кинетического подхода связана с большой длиной свободного пробега атомов водорода, сравнимой с характерным размером гелиосферы.

Также для задания в модели граничного условия на расстоянии 90 а.е. от Солнца использовались результаты глобальных самосогласованных кинетико газодинамических моделей взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой (Baranov & Malama, 1993;

Izmodenov et al., 2009 и др.), которые отлично зарекомендовали себя ранее тем, что с их помощью удается объяснить множество экспериментальных фактов.

2. Разработанный численный алгоритм тестировался на классических аналитических решениях в стационарном осесимметричном случае. Также проводилось дополнительное тестирование программы в нестационарном трехмерном случае с целью выявления наиболее оптимальных параметров расчетных сеток.

3. Теоретические результаты, полученные на основании разработанной в диссертации модели, хорошо согласуются с экспериментальными данными SOHO/SWAN по рассеянному Лайман-альфа излучению.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанную в диссертации модель можно эффективно применять для анализа экспериментальных данных по измерениям потоков межзвездных нейтральных атомов (водорода, гелия и др.), а также параметров рассеянного на атомах солнечного излучения с уже существующих и будущих космических аппаратов. В частности, эта модель представляет собой удобный инструмент для анализа данных по потокам межзвездных атомов водорода и гелия, измеряемых с 2009 г. на КА IBEX прибором IBEX-Lo. Кроме того, модель можно использовать для определения научных задач будущих российских и зарубежных космических миссий. В частности, в настоящее время результаты, полученные в диссертации, используются для составления научной программы прибора “Лаймус”, разрабатываемого в ИКИ РАН. Задачей прибора является измерение интенсивности и спектра рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения. В случае успешного запуска прибора, разработанная в диссертации модель будет также использоваться и для анализа полученных на “Лаймусе” данных.

Апробация Работы, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на научно исследовательских семинарах по аэромеханике и газовой динамике механико математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (рук. – акад. Черный Г.Г.), семинарах Института космических исследований РАН (рук. – академик Зеленый Л.М.), семинарах лаборатории физической газовой динамики Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН (рук.- проф. Баранов В.Б.).

Основные положения и результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на российских и международных конференциях, в том числе:

• на V-IX конференциях молодых ученых «Фундаментальные и прикладные космические исследования» (ИКИ РАН, Москва, 2009-2012 гг.);

• на Международном научном форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (МГУ, Москва, 2009-2011 гг.);

• на конференции Ломоносовские чтения (МГУ, Москва, 2010 г.);

• на конференции «Физика плазмы в солнечной системе» (ИКИ РАН, Москва, 2009-2011 гг.);

• на Всероссийской школе-семинаре «Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем» (ИПМех РАН, Москва, 2010-2011 гг.);

• на X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, 2011 г.);

• на 18-й конференции молодых ученых по астрономии и космической физике (Национальный университет им. Тараса Шевченко, Киев, Украина, 2011 г.);

• на Всероссийской ежегодной конференции по физике Солнца “Солнечная и солнечно-земная физика - 2008” (Главная астрономическая обсерватория РАН, Санкт-Петербург, 2008 г.) • на ежегодных конференциях Европейского геофизического общества (EGU) (г. Вена, Австрия, 2010, 2012 гг.);

• на 12-й международной конференции “Солнечный ветер” (г. Сан-Мало, Франция, 2009);

• на 11-й Научной Ассамблее Ассоциации Геомагнетизма и Аэрономии (IAGA) (г. Сопрон, Венгрия, 2009 г.);

• на 37-й, 38-й и 39-й научных ассамблеях COSPAR (г. Монреаль, Канада, 2008;

г. Бремен, Германия, 2010;

г. Майсор, Индия, 2012);

• на XXVIII Генеральной Ассамблее Международного астрономического общества (IAU) (г. Пекин, Китай, 2012 г.).

Публикации и личный вклад автора Представленные в диссертации результаты опубликованы в четырех статьях в рецензируемых российских и международных журналах из перечня ВАК, в главе из коллективной монографии, напечатанной в издательстве Springer, а также в трех статьях из сборников трудов конференций.

Вклад автора во все работы по теме диссертации является основным. Все результаты, выносимые на защиту, были получены лично автором диссертации.

Автором осуществлялись: разработка и тестирование всех численных программ;

проведение всех расчетов;

анализ полученных результатов;

сравнение результатов с экспериментальными данными;

подготовка и написание текстов публикаций;

а также переписка с редакциями журналов и рецензентами.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 145 страниц. В диссертации содержится 32 иллюстрации.

Список используемой литературы состоит из 127 библиографических ссылок.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цели диссертационной работы и ее научная новизна, представлены положения, выносимые на защиту.

Глава 1 диссертации посвящена описанию кинетической модели распределения межзвездных атомов водорода в гелиосфере. Рассматриваются как упрощенная постановка задачи – осесимметричная стационарная, так и полная – трехмерная нестационарная.

В разделе 1.1 представлен исторический обзор работ, связанных с моделированием распределения межзвездных атомов водорода в гелиосфере.

Впервые задача о движении облака частиц в гравитационном поле звезды с учетом конечной температуры была решена аналитически в работе Danby & Camm (1957). В дальнейшем (в работах Meier, 1977 и Wu & Judge, 1979) это решение было обобщено и адаптировано для описания распределения межзвездных атомов водорода в гелиосфере. Такая модель стала называться классической горячей моделью. В подразделе 1.1.2 представлено аналитическое решение для функции распределения атомов водорода по скоростям в случае классической горячей модели.

В подразделе 1.1.3 описываются современные представления о структуре области взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой. В подразделе 1.1. приводится обзор работ, посвященных современному развитию классической горячей модели.

В разделе 1.2 представлена разработанная автором диссертации кинетическая модель распределения межзвездных атомов водорода в гелиосфере в осесимметричном стационарном случае. Эта модель совмещает в себе сравнительную простоту классической горячей модели с возможностью учитывать немаксвелловские свойства в функции распределения атомов водорода на границе гелиосферы, связанные с существованием области гелиосферного ударного слоя. В подразделе 1.2.1 приводятся основные уравнения для описания распределения атомов водорода. Кинетическое уравнение для функции распределения атомов по скоростям выглядит следующим образом:

f (r, w ) f (r, w ) = (r ) f (r, w ).

w + F (r ) r w Здесь f(r,w) - функция распределения атомов водорода по скоростям w в зависимости от пространственной координаты r. Результирующая сила F(r), действующая на атом вблизи Солнца, является суммой силы гравитационного притяжения к Солнцу (Fg) и силы радиационного отталкивания (Frad).

Результирующая сила определяется безразмерным параметром =| Frad | / | Fg |, который в общем случае зависит от радиальной компоненты скорости атома, времени и гелиошироты, но в рассматриваемом в разделе 1.2 стационарном осесимметричном случае полагалось, что =const. Параметр (r) представляет собой суммарную частоту ионизации, складывающуюся из частоты фотоионизации и частоты перезарядки. Общие выражения для вычисления частоты перезарядки и фотоионизации приведены в подразделе 1.2.2 диссертации.

В подразделе 1.2.3 обсуждаются немаксвелловские эффекты в функции распределения межзвездных атомов водорода на расстоянии 90 а.е. от Солнца, вызванные процессом перезарядки первичных межзвездных атомов водорода на протонах ЛМС и солнечного ветра в области гелиосферного ударного слоя. В результате перезарядки в этой области образуются, так называемые, вторичные межзвездные атомы, функция распределения которых зависит от локальных свойств плазмы в области их рождения.

В подразделе 1.2.4 рассматриваются четыре различных способа задания граничного условия для функции распределения атомов водорода по скоростям, которые в той или иной степени учитывают влияние гелиосферного ударного слоя.

Сравнение результатов моделей с различными граничными условиями позволяет выявить роль каждого эффекта в отдельности.

В подразделе 1.2.5 описан метод характеристик для решения шестимерного кинетического уравнения.

В подразделе 1.2.6 представлены результаты, полученные в рамках разработанной модели для различных способов задания граничного условия. Также проводится сравнение полученных результатов с результатами самосогласованной кинетико-газодинамической модели взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой (Baranov & Malama, 1993). В целом результаты проведенного сравнения свидетельствуют о том, что изменения функции распределения атомов водорода в гелиосферном ударном слое (которые вообще не учитываются в классической горячей модели) приводят к значительным изменениям в распределении (как в пространстве, так и по скоростям) атомов водорода внутри гелиосферы. Показано, что наиболее чувствительной характеристикой к эффектам границы гелиосферы является кинетическая температура атомов Tz ( r ) f ( r, w ) (Vz ( r ) wz ) 2 dw.

В разделе 1.3 диссертации описана трехмерная нестационарная кинетическая модель. В рамках этой модели решается нестационарное кинетическое уравнение, в котором учитывается зависимость частоты ионизации атомов E и параметра от времени t и гелиошироты. Кроме того, в модели учитывается зависимость параметра от радиальной компоненты скорости атома wr. В подразделе 1.3. представлена математическая постановка задачи (уравнения и граничные условия) в трехмерном нестационарном случае. В подразделе 1.3.2 описаны способы задания входных параметров задачи: балансового параметра (t,,wr), частот фотоионизации ph,E(t,) и перезарядки ex,E(t,) на 1 а.е. Для задания этих зависимостей используются различные экспериментальные данные о параметрах солнечного ветра и излучения. В частности, используются базы данных OMNI-2, SOLAR2000, LASP.

Гелиоширотная зависимость частоты ионизации атомов задается на основании результатов анализа данных SOHO/SWAN по рассеянному Лайман-альфа излучению (Quemerais et al. 2006a).

В подразделе 1.3.3 приводятся результаты численного моделирования распределения атомов водорода в гелиосфере в трехмерном нестационарном случае.

Показано, что на расстоянии 1 а.е. от Солнца нестационарные эффекты приводят к значительным (до 30%) колебаниям концентрации, средней скорости и средней температуры атомов в течение 11-летнего цикла солнечной активности, а на расстоянии 10 а.е. от Солнца параметры атомов остаются практически постоянными в течение цикла. На рис. 1 показаны концентрация, средняя скорость Vr и Tr ( r ) f ( r, w ) (Vr ( r ) wr ) 2 dw кинетическая температура первичных и вторичных межзвездных атомов водорода на расстоянии 1 а.е. от Солнца в зависимости от гелиошироты и гелиодолготы. Видно, что зависимость частоты перезарядки от гелиошироты приводит к раздвоению максимумов и минимумов в распределении концентрации и температуры атомов водорода.

В разделе 1.4 диссертации приводится заключение к первой главе.

Рис.1. Концентрация (A, D), радиальная скорость (B, E) и радиальная кинетическая температура Tr (C, F) вторичных (графики слева) и первичных (графики справа) межзвездных атомов на расстоянии 1 а.е. от Солнца в зависимости от направления луча зрения наблюдателя. По осям отложены гелиоширота и гелиодолгота в гелиографических координатах. Эти результаты получены в условиях солнечного минимума (1996-го года), когда гелиоширотная зависимость частоты перезарядки проявляется особенно сильно.

Глава 2 диссертации посвящена теоретическому исследованию спектральных характеристик рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения. Описана математическая модель переноса излучения, которая позволяет вычислять спектры рассеянного Лайман-альфа излучения в произвольном направлении луча зрения, если известно распределение атомов водорода вдоль луча зрения. Исследуется вопрос о том, как немаксвелловские эффекты (связанные с процессом перезарядки в гелиосферном ударном слое) в функции распределения атомов водорода проявляются в спектрах рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения на 1 а.е.

В разделе 2.1 приводится исторический обзор работ, связанных с измерением и исследованием рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения.

В разделе 2.2 описана модель переноса излучения. В подразделе 2.2. приводится способ получения формального аналитического решения уравнения переноса излучения. В данной работе рассматривается только излучение за счет однократно рассеянных фотонов, при этом учитывается поглощение рассеянного излучения между точкой рассеяния и наблюдателем. В этом случае решение уравнения переноса записывается аналитически в виде интеграла вдоль луча зрения.

В разделе 2.3 представлены результаты расчетов спектральных характеристик рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения на основании распределений межзвездных атомов водорода. Указанные распределения были получены в рамках различных кинетических моделей из первой главы диссертации.

В подразделе 2.3.1 исследуется влияние кинетических эффектов в распределении межзвездных атомов водорода на спектральные характеристики рассеянного на атомах солнечного Лайман-альфа излучения. Показано, что классические модели, которые не учитывают эффекты гелиосферного ударного слоя, приводят к значительным отличиям в параметрах рассеянного Лайман-альфа излучения по сравнению с моделями, которые включают в себя немаксвелловский характер функции распределения атомов водорода после их прохождения через область гелиосферного ударного слоя. Показано, что ширина линии рассеянного Лайман-альфа излучения является наиболее чувствительной характеристикой к немаксвелловским свойствам в распределении атомов водорода во внешней гелиосфере.

В подразделе 2.3.2 проводится детальное теоретическое исследование зависимости ширины линии (Tlos) рассеянного Лайман-альфа излучения от направления луча зрения наблюдателя. Изучается влияние на эту зависимость многокомпонентного характера плазмы ЛМС, а также трехмерных и нестационарных эффектов. В работах Costa et al. (1999) и Quemerais et al. (2006b) на основании анализа экспериментальных данных SOHO/SWAN было показано, что в период 1996-1997 гг. наблюдался минимум ширины линии рассеянного излучения при = 50 60, тогда как классическая однокомпонентная горячая модель предсказывает монотонный рост ширины линии при увеличении угла. Результаты исследования, проведенного в диссертации, показывают, что ни одна из имеющихся на данный момент моделей распределения атомов водорода в гелиосфере не приводит к образованию минимума в Tlos, сравнимого по размеру с наблюдаемым в данных SOHO/SWAN. Тем не менее, учет многокомпонентного характера плазмы ЛМС в модели позволяет добиться качественного согласия с экспериментальными данными (см. рис. 2). Многокомпонентный характер плазмы учитывается в модели с помощью задания граничного условия, основанного на результатах многокомпонентной модели гелиосферного ударного слоя (Malama et al., 2006).

Рис.2. Графики зависимости ширины линии Tlos рассеянного Лайман-альфа излучения от угла.

Угол отсчитывается от направления навстречу вектору скорости ЛМС. Данные результаты получены в рамках осесимметричных стационарных моделей распределения атомов водорода в гелиосфере с граничными условиями в виде трехмерного нормального распределения. Пунктирная кривая соответствует модели без учета многокомпонентного характера плазмы ЛМС;

сплошная кривая – модели с учетом многокомпонентного характера плазмы.

В подразделе 2.3.3 проводится исследование зависимости моментов спектра рассеянного излучения от значений определяющих параметров задачи и E в осесимметричном стационарном случае. В разделе 2.4 приводится заключение к главе 2.

Глава 3 посвящена исследованию зависимости потока массы солнечного ветра от гелиошироты на основании анализа карт неба в интенсивности рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения.

В разделе 3.1 приведено введение к данной проблеме.

Рис.3. Частота перезарядки на 1 а.е. в зависимости от времени и гелиошироты. График А соответствует результатам первого способа, основанного на анализе данных по рассеянному Лайман-альфа излучению ( ex, E,1 (t, ) ). График В соответствует результатам второго способа, основанного на данных по межпланетным мерцаниям, а также измерениях Ulysses ( ex, E,2 (t, ) ).

В разделе 3.2 описаны два имеющихся на сегодняшний день способа задания зависимости частоты перезарядки (или потока массы) солнечного ветра от времени и гелиошироты. Первый способ основан на методе, изложенном в Quemerais et al.

(2006a), и связан с анализом данных SOHO/SWAN. Частоту перезарядки, полученную данным способом, мы будем обозначать ex, E,1 (t, ). Второй способ основан на результатах работы Sokol et al. (2012). В этой работе были найдены гелиоширотные и временные вариации скорости солнечного ветра (исходя из измерений межпланетных мерцаний), а также плотности солнечного ветра (исходя из измерений на КА Ulysses и некоторых предположений). Частоту перезарядки, полученную этим способом, мы будем обозначать ex, E,2 (t, ). Отметим, что частота перезарядки напрямую определяется потоком массы солнечного ветра. На рис. показаны графики зависимости полученных частот перезарядки от времени и гелиошироты. Видно, что эти функции качественно различны. В частности, функция ex, E,1 (t, ), имеет характерные максимумы на средних широтах в 2000-2005 гг. Эта особенность отсутствует во второй функции ex, E,2 (t, ). Как будет видно в дальнейшем, это различие в частотах перезарядки приводит к качественным различиям в картах интенсивности рассеянного Лайман-альфа излучения.

В разделе 3.3 приводятся результаты расчетов карт неба в интенсивности рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения. Чтобы выяснить, насколько ex, E,1 и ex, E,2 ) сказываются различия в частоте перезарядки (т.е. между функциями на распределении рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения, в диссертации были проведены расчеты распределения атомов водорода в гелиосфере в рамках разработанной трехмерной нестационарной кинетической модели, описанной в главе 1. При этом зависимость частоты перезарядки от времени и гелиошироты задавалась либо в виде ex, E,1, либо в виде ex, E,2. После этого были вычислены карты интенсивности рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения в рамках описанной в главе 2 модели переноса излучения. Расчеты были проведены отдельно для периодов минимума (1997 и 2009 гг.) и максимума (2002-2005 гг.) солнечной активности. Показано, что в период минимума солнечной активности обе модели с различными способами задания частоты перезарядки приводят к качественно похожим результатам и к хорошему согласию с данными SWAN. Однако, в период максимума солнечной активности результаты качественно различаются.

Рис.4. Результаты расчетов в период максимума солнечной активности (2002-2003 гг.).

Графики A-F представляют полные карты неба в интенсивности рассеянного солнечного Лайман альфа излучения (по осям отложены эклиптическая широта и долгота). Все интенсивности нормированы таким образом, что для каждой карты нормированная интенсивность в одном выбранном направлении (характеризуемым 80.5o по широте и 120.5o по долготе) равна 1.

Графики A и D показывают экспериментальные данные SOHO/SWAN. Отметим, что полоса с нулевой интенсивностью, проходящая через всю карту в данных SWAN, не имеет физического смысла и связана с тенью аппарата. Графики B и E представляют теоретические результаты, ex, E,1. Графики C и F представляют полученные в рамках нашей модели с частотой перезарядки теоретические результаты, полученные в рамках той же модели, но с частотой перезарядки ex, E,2.

На рис. 4 показаны карты неба в интенсивности рассеянного Лайман-альфа излучения, полученные для 2002-2003 гг. Верхняя строка соответствует данным SWAN, средняя строка – результатам модели с частотой перезарядки ex, E,1, а нижняя строка – результатам модели с частотой перезарядки ex, E,2. Видно, что в данных SWAN, как и в результатах модели с ex, E,1, максимум интенсивности располагается в носовой части гелиосферы при небольших гелиоширотах. В то же время, в результатах модели с ex, E,2 максимум интенсивности располагается ближе к северному эклиптическому полюсу. Такие различия связаны с зависимостью частоты ионизации атомов от гелиошироты в период максимума солнечной активности. А именно, в данных ex, E,1 в это время присутствует два максимума на средних широтах, а в данных ex, E,2 - один максимум в районе солнечного экватора (т.е. при нулевой гелиошироте). Были проведены специальные тестовые расчеты, которые подтвердили, что изменение других параметров модели (граничных условий и параметра ) не позволяет добиться качественного совпадения в картах интенсивности между результатами модели с ex, E,2 и данными SWAN. При этом ex, E, результаты модели с приводят к отличному совпадению с экспериментальными данными. Это говорит о том, что характерные максимумы частоты перезарядки ex, E,1 на средних широтах в период максимума солнечной активности действительно должны присутствовать, чтобы было возможно объяснить данные SOHO/SWAN по интенсивности рассеянного Лайман-альфа излучения в рамках существующих моделей.

В разделе 3.4 приводится заключение к главе 3.

Заключение содержит основные результаты и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработана новая трехмерная нестационарная кинетическая модель распределения межзвездных атомов водорода по пространству и скоростям в гелиосфере. В рамках такой модели были впервые учтены немаксвелловские эффекты в распределении атомов водорода, связанные с перезарядкой атомов на протонах в области гелиосферного ударного слоя. Разработанная модель представляет собой эффективный инструмент, который позволяет вычислять функцию распределения атомов водорода по скоростям с любой требуемой точностью.

2. Проведено исследование влияния эффектов, связанных с перезарядкой в гелиосферном ударном слое, на распределение атомов водорода внутри гелиосферы. Показано, что неоднородность потока атомов во внешней гелиосфере, связанная с возмущением потока в гелиосферном ударном слое, приводит к уменьшению концентрации атомов водорода в окрестности Солнца.

Также установлено, что зависимость кинетической температуры Tz от гелиоцентрического расстояния является качественно различной для моделей с учетом и без учета третьих моментов в функции распределения атомов водорода на границе расчетной области.

3. Проанализировано влияние нестационарных и трехмерных эффектов на распределение атомов водорода в гелиосфере. Впервые в модели были учтены реальные данные о гелиоширотной зависимости параметров солнечного ветра, полученные на основании экспериментальных данных. Показано, что зависимость частоты ионизации атомов от гелиошироты приводит к качественным изменениям в концентрации и температуре атомов на 1 а.е.

4. Проведено исследование влияния кинетических эффектов гелиосферного ударного слоя на измеряемые с орбиты Земли характеристики рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения. Показано, что использование ранее общепринятой “классической горячей модели” приводит к ошибкам в интенсивности Лайман-альфа излучения (от 2% в носовой части гелиосферы до 25% в хвостовой части), а также к ошибкам в ширине линии рассеянного излучения (до 18%).

5. Проведено детальное исследование зависимости ширины линии рассеянного Лайман-альфа излучения от направления луча зрения наблюдателя. Показано, что в рамках имеющихся на сегодняшний день моделей образование минимума, обнаруженного в данных SOHO/SWAN, возможно только при учете многокомпонентного характера плазмы межзвездной среды.

6. Проведено моделирование полных карт неба в интенсивности рассеянного Лайман-альфа излучения и сравнение с данными SOHO/SWAN. Моделирование проводилось для двух имеющихся на сегодняшний день способов задания временных и гелиоширотных вариаций потока массы солнечного ветра.

Показано, что пространственное распределение интенсивности рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения на 1 а.е. определяется зависимостью частоты ионизации атомов водорода от гелиошироты. Это означает, что экспериментальные данные по Лайман-альфа излучению можно использовать для диагностики зависимости параметров солнечного ветра от широты.

7. Показано, что разработанная трехмерная нестационарная модель с учетом гелиоширотной зависимости параметров солнечного ветра, основанной на результатах Quemerais et al. (2006a), приводит к хорошему совпадению с данными SOHO/SWAN по пространственному распределению интенсивности рассеянного Лайман-альфа излучения. В то же время, результаты аналогичной модели с учетом гелиоширотной зависимости параметров солнечного ветра, основанной на результатах Sokol et al. (2012), противоречат данным SOHO/SWAN в период максимума солнечной активности (2002-2005 гг.).

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Katushkina O.A., Izmodenov V.V., Quemerais E., Sokol J.M., Heliolatitudinal and time variations of the solar wind mass flux: inferences from the solar Lyman-alpha intensity maps // Journal of Geophysical Research. –2013. –V. 118. –P. 2800-2808.

2. Катушкина О.А., Измоденов В.В., Влияние эффектов гелиосферного ударного слоя на параметры рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения, измеряемого на орбите Земли // Космические исследования. –2012. –Т.50. –№ 2. – C.147-157.

3. Katushkina O.A., Izmodenov V.V., Spectral properties of backscattered solar Ly-alpha radiation in the heliosphere: a theoretical search of the heliospheric boundaries effects // Advances in Space Research. –2011. –V. 48. –Is. 12. –С. 1967-1979.

4. Катушкина О.А., Измоденов В.В., Влияние эффектов гелиосферного интерфейса на распределение параметров атомов межзвездного водорода внутри гелиосферы // Письма в Астрон. Ж. –2010. –Т. 36. –№ 4. –С.310-319.

5. Izmodenov V.V., Katushkina O.A., Quemerais E., Bzowski M., Distribution of Interstellar Hydrogen Atoms in the Heliosphere and Backscattered Solar Lyman-alpha // chapter 2 in “Cross-Calibration of Past and Present Far UV Spectra of Solar System Objects and the Heliosphere”, ISSI Scientific Report Series. ed. R.M. Bonnet, E.

Quemerais, M. Snow. –2013. –V.13. –P.7-65. Springer.

6. Катушкина О.А., Кинетические эффекты в распределении межзвездных атомов водорода в межпланетном пространстве: анализ данных по рассеянному лайман альфа излучению // Вестник Нижегородского государственного университета им.

Н.И. Лобачевского. №4. -часть 5 (сборник трудов X Всероссийского съезда по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики). –2011. – C.313-315.

7. Катушкина О.А., О спектральных свойствах рассеянного солнечного лайман альфа излучения: теоретическое исследование эффектов, связанных с границей гелиосферы // Сборник трудов 4-ой Всероссийской школы-семинара "Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем", ИПМех РАН. –2011. –C.71-77.

8. Катушкина О.А., Измоденов В.В., Теоретическое моделирование движения атомов водорода из межзвездной среды внутрь гелиосферы // Сборник трудов XIII Школы молодых ученых “Актуальные проблемы физики”, ФИАН. –2010. – C.128-129.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Shklovsky I.S., On hydrogen emission in the night glow // Planet. Space Sci. –1959. – V.1. –P.63-65.

2. Курт В.Г., Гермагенова Т.А., Рассеяние солнечного Ly-a излучения на галактическом водороде // Астрон. Ж. –1967. –Т.44. -№2. –С. 352-357.

3. Курт В.Г., Сюняев Р.А., Наблюдения и интерпретация ультрафиолетового излучения галактики // Астрон. Ж. –1967. –Т.44. –№6. –С. 1157-1161.

4. Fahr H.J., The Interplanetary Hydrogen Cone and its Solar Cycle Variations // Astronomy and Astrophysics. –1971. –V.14. –P.263.

5. Lallement, R., Bertaux, J.L., Kurt, V.G., and Mironova, E.N. Observed perturbations of the velocity distribution of interstellar H atoms in the solar system with Prognoz Lyman a measurements // Astron. Astrophys. –1984. –V.140. –P.243-250.

6. Lallement, R., Bertaux, J.L., and Kurt, V.G. Solar wind decrease at high heliographic latitudes detected from Prognoz interplanetary Lyman-alpha mapping // J. Geophys.

Res. –1985. –V.90. –P.1413-1423.

7. Baranov V.B., Malama Yu.G., Model of the solar wind interaction with the local interstellar medium: numerical solution of self-consistent problem // J. Geophys. Res. – 1993. –V. 98. –No. A9. –P.15,157-15,163.

8. Izmodenov V.V., Malama Yu.G., Ruderman M.S., Chalov S.V., Alexashov D.B., Katushkina O.A., Provornikova E.A., Kinetic-gasdynamic modeling of the heliospheric interface // Space Science Reviews. –2009. –V. 146. –Is. 1-4. –P. 329-351.

9. Danby J.M.A., and Camm G.L., Statistical dynamics and accretion // Monthly Notices of the Royal Astron. Soc. –1957. –V.117. –P.50-71.

10. Meier R.R., Some optical and kinetic properties of the nearby interstellar gas // Astronomy and Astrophysics. –1977. –V. 55. –No. 2. –P. 211-219.

11. Wu F.M., and Judge D.L., Temperature and flow velocity of the interplanetary gases along solar radii // Astrophys. J. –1979. –V.231. –P. 594-605.

12. Quemerais, E., et al., Interplanetary hydrogen absolute ionization rates: Retrieving the solar wind mass flux latitude and cycle dependence with SWAN/SOHO maps // J.

Geophys. Res. –2006a. –V.111. –P.A09114.

13. Costa J., Lallement R., Quemerais E. Heliospheric interstellar H temperature from SOHO/SWAN H cell data // Astron. Astrophys. –1999. –V. 349. –P. 660-672.

14. Quemerais E., Lallement R., Bertaux J.-L., et al. Interplanetary Lyman-alpha line profiles: variations with solar activity cycle // Astronomy and Astrophysics. –2006b. – V.455. –Is.3. –P.1135-1142.

15. Malama Y.G., Izmodenov V.V., Chalov S.V., New model of the heliospheric interface:

three-fluid plasma approximation // Astron. Astrophys. –2006. –V.445. –P.693-701.

16. Sokol J. M., et al., Heliolatitude and Time Variations of Solar Wind Structure from in situ Measurements and Interplanetary Scintillation Observations // Solar Physics. – 2012. –doi:10.1007/s11207-012-9993-9.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.