Рабочая программа
Физика космической плазмы в Солнечной системе.
Лекторы. Д.ф.-м.н, заслуженный научный сотрудник МГУ, в.н.с. НИИЯФ МГУ
Беленькая Елена Семеновна, лаборатория магнитосфер планет,
[email protected], тел (495) 939-39-21
Аннотация дисциплины.
Курс лекций является дисциплиной профиля кафедры физики космоса и посвящен рассмотрению основных проблем физики космической плазмы в Солнечной системе. Курс лекций
для магистров 1-го курса физического факультета МГУ дает комплексные знания по космической физике, относящиеся к Солнечной системе, и является вводной частью для 2-го курса
магистратуры физического факультета МГУ: «физика планетных магнитосфер и атмосфер».
Этот курс дает необходимые базовые знания по физике космической плазмы, астрономии и
астрофизики в приложении к Солнечной системе. В курсе на современном уровне вводятся
основные понятия о физических процессах, происходящих в космической плазме, описываются подходы, применяемые к решению задач магнитосферной физики, даются основные
представления о природе Солнца, солнечного ветра, его магнитного поля, влиянии этих факторов на магнитосферы планет. Рассказывается о теории Паркера и альфвеновской токовой
системе в гелиосфере. Обращается внимание на особенности, различия и общие свойства
планет Солнечной системы и их атмосфер. Дается понятие о столкновительной и бесстолкновительной плазме, радиусе Дебая и плазменной частоте, ионосферной проводимости,
дрейфах заряженных частиц, адиабатических инвариантах, теории Штермера, природе возникновения магнитосферных токовых систем, МГД-генераторе солнечного ветра и явлении
униполярной индукции. Все эти сведения необходимы для последующего изучения физики
магнитосфер планет, как Солнечной системы, так и экзопланет - бурно развивающейся ветви
астрофизики. Курс является базовым для последующего изучения спецкурсов кафедры физики космоса.
Содержание и структура дисциплины.
Вид работы
Общая трудоёмкость, акад. часов
Аудиторная работа:
Лекции, акад. часов
Семинары, акад. часов
Лабораторные работы, акад. часов
Самостоятельная работа, акад. часов
Вид итогового контроля (зачёт, зачёт с оценкой, экзамен)
Семестр
6
36
Всего
36
36
36
36
36
ЭКЗАМЕН
Стр. 1 из 8
N
раздела
1
Наименование
раздела
Разделы могут объединять несколько
лекций
Аудиторная работа
Самостоятельная работа обеспечена учебными пособиями и интернет ресурсами Самостоятельная работа
Лекции
Основы
физики 2 часа.
космической плаз- Содержание лекции 1.
мы.
Краткая история развития электродинамики.
Основные термины и понятия физики космической плазмы. Теоретические подходы.
2 часа.
Содержание лекции 2.
Дрейфы и дрейфовые токи.
2 часа.
Содержание лекции 3.
Адиабатические инварианты.
2 часа.
Содержание лекции 4.
Контрольная работа с решением задач.
2 часа.
Содержание лекции 5.
Вмороженность магнитного поля.
Нарушение адиабатических инвариантов. Теория Штермера.
2 часа.
Содержание лекции 6.
Представление рефератов
2
Форма
текущего
контроля
Трудоёмкость (академических часов) и содержание занятий
Распределение общей трудоёмкости по семестрам указано в рабочих планах (приложение 7)
2 часа.
Краевые эффекты в
космической плазме. Содержание лекции 7.
Солнечная система. Краевые эффекты в космической плазме. Токовые системы магнитосферы.
Солнечный ветер.
Теория Паркера.
2 часа.
ММП.
Содержание лекции 8.
Положение Солнечной системы в Галактике.
Солнце. Солнечная система. Гелиосферный
токовый слой.
2 часа
Тема самостоятельной работы 1.
Работа с лекционным материалом по теме - Основные
термины и понятия физики космической плазмы. Теоретические подходы. Выполнение Дз с решением задач.
2 часа
Тема самостоятельной работы 2.
Работа с лекционным материалом, выполнение Дз с решением задач по теме – Дрейфы и дрейфовые токи.
4 часа
Тема самостоятельной работы 3.
Работа с лекционным материалом по теме - Адиабатические
инварианты. Выполнение Дз с решением задач.
2 часа
Тема самостоятельной работы 4.
Написание контрольной работы, решение задач.
2 часа
Тема самостоятельной работы 5.
Работа с лекционным материалом и выполнение Дз с решением задач по теме – Вмороженность магнитного поля.
Адиабатические инварианты. Теория Штермера.
2 часа
Тема самостоятельной работы 6.
Подготовка к представлению рефератов
Дз.1,
Дз.2
Обсуждение.
Работа над
ошибками.
Дз.3
Обсуждение.
Работа над
ошибками.
КР. Работа над
ошибками.
Дз.4
работа над
ошибками.
Р.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 7.
Работа с лекционным материалом и решение задач на тему - Дз.5,
Краевые эффекты в космической плазме. Токовые системы
Дз 6,
магнитосферы.
Дз 7.
Обсуждение.
2 часа.
Работа над
Тема самостоятельной работы 8.
Работа с лекционным материалом и решение задач на тему ошибками.
– Положение Солнечной системы в Галактике. Солнце.
Солнечная система. Гелиосферный токовый слой.
Стр. 2 из 8
Токовая система Альфвена.
Токовая система Альфвена.
_________________________________________________
_________________________________________ 2 часа.
_____
Тема самостоятельной работы 9.
2 часа.
Работа с лекционным материалом и решение задач на тему
Содержание лекции 9.
Солнечный ветер. Теория Паркера. Межпланетное магнитСолнечный ветер. Теория Паркера.
ное поле (ММП).
Межпланетное магнитное поле (ММП)
2 часа.
Содержание лекции 10.
Контрольная работа с решением задач.
3.
Планеты Солнечной 2 часа
системы.
Содержание лекции 11.
Планеты солнечной системы, их атмосферы.
Планеты земной группы.
4 часа.
Тема самостоятельной работы 10.
Написание контрольной работы, решение задач.
КР. Работа над
ошибками.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 11.
Дз.8
Работа с лекционным материалом и решение задач на тему - работа над
Планеты солнечной системы, их атмосферы. Планеты земной ошибками.
группы.
2 часа.
2 часа.
Содержание лекции 12.
Подготовка к представлению рефератов
Р
Представление рефератов
2 часа
2 часа.
Содержание лекции 13.
Тема самостоятельной работы 13.
Дз.9
Планеты солнечной системы, их атмосферы. Работа с лекционным материалом и решение задач на тему работа над
Планеты-гиганты
- Планеты солнечной системы, их атмосферы. Планетыошибками.
гиганты.
2 часа
2 часа.
Содержание лекции 14.
Тема самостоятельной работы 14.
Проводимость в околоземном пространстве.
Работа с лекционным материалом и решение задач на тему - Дз.10
работа над
Дебаевское экранирование. Плазменная частота. Проводимость в околоземном пространстве. Дебаевское
ошибками.
Тензор проводимости плазмы в магнитном поле. экранирование. Плазменная частота. Тензор проводимости
плазмы в магнитном поле.
2 часа
2 часа.
КР. Работа над
Содержание лекции 15.
Тема самостоятельной работы 15.
ошибками.
Контрольная работа с решением задач.
Написание контрольной работы, решение задач.
2 часа
2 часа.
Содержание лекции 16.
Тема самостоятельной работы 16.
Э
Презентация эссе
Работа с лекционным материалом, подготовка к эссе.
Стр. 3 из 8
2 часа
Содержание лекции 17.
Презентация эссе
2 часа
Содержание лекции 18.
Презентация эссе.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 17.
Работа с лекционным материалом и подготовка эссе.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 18.
Работа с лекционным материалом, подготовка к эссе.
Э
Э
Стр. 4 из 8
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации
Примеры тем для рефератов
Униполярный индуктор. Необходимые условия его работы.
Структура ионосферы Земли. Характеристики отдельных слоев ионосферы.
МГД-генератор солнечного ветра. Необходимые условия его работы.
Геомагнитные индексы.
Магнитные бури.
Магнитосферные суббури.
Токи Chapman-Ferraro
Токи хвоста; кольцевой ток.
Теорема Фукушима. Теория Паркера.
Примеры задач и вопросов для домашних и аудиторных занятий.
Примеры задач:
1. Найти период ларморовского вращения протона в полярных областях вблизи Земли. Считать, что поле у полюса вдвое больше поля на экваторе Земли.
2. Нарисовать схему магнитосферы Земли, выбрав произвольный ракурс, и указать положение всех токовых систем, включая ионосферные токи. Отметить открытые и замкнутые магнитные потоки. Указать положение мест, где они взаимодействуют друг с другом. Обозначить источники плазмы (происхождение плазмы) во всех магнитосферных доменах.
3. Вычислить первую космическую скорость у поверхности Луны, если радиус Луны RЛ =
1760 км, а ускорение свободного падения у поверхности Луны в 6 раз меньше ускорения
свободного падения у поверхности Земли.
4. Найти плотность плазмы в солнечной короне при температуре 108 К, если радиус Дебая
там 0.07 м.
5. Написать выражение для плотности тока, генерируемого скачком магнитного поля. Для
каких токовых систем магнитосферы этот процесс актуален?
6. Каково время установления квазинейтральности в плазме с плотностью 1018 м-3?
7. Во сколько раз плотность вещества Солнца отличается от плотности вещества Земли, если
радиус Солнца в 108 раз больше радиуса Земли, а ускорение свободного падения на Солнце в
27 раз больше, чем на Земле? Какова 1-я космическая скорость на Солнце?
8. Найти дебаевский радиус во внутренней части плазменного слоя магнитосферы Земли (ne
=10 см-3, Т=107 К).
9. Найти отношение альфвеновских скоростей в солнечном ветре и в долях хвоста, если
плотность плазмы в солнечном ветре больше плотности в долях хвоста в 500 раз, а магнитное поле в солнечном ветре в 6 раз слабее. Найти величины этих скоростей в солнечном ветре и в долях хвоста, если параметры в долях хвоста: ne ~0.01см-3, В~30 нТл.
10. Найти циклотронную частоту и гиропериод электрона в солнечном ветре, если ММП = 3
нТл.
11. Из уравнения Максвелла получить вектор электрического тока, зная вектор изменения
магнитного поля.
12. Найти величину гирорадиуса электрона с энергией 10 эВ на геоцентрическом расстоянии
расстоянии L= 3 радиуса Земли в экваториальной плоскости магнитосферы.
Примеры вопросов:
1. Магнитное поле при перпендикулярном движении заряженной частицы к Земле усилилось
в 4 раза. Как изменится при этом перпендикулярная скорость частицы?
Стр. 5 из 8
2. Теоретические подходы, применяемые к описанию космической плазмы.
3. В чем заключаются выводы из теории Штермера? Каково ее прикладное значение?
4. От чего зависит раствор конуса потерь?
5. Какая плазма называется замагниченной? Понятие вмороженности.
6. Из-за чего возникает кольцевой ток? В каких движениях участвуют его носители? Как
направлено магнитное поле кольцевого тока?
7. Строение Солнца. Из чего состоит атмосфера Солнца? Характерные элементы, наблюдаемые в разных слоях солнечной атмосферы.
8. Какие небесные тела входят в состав солнечной системы? Их относительное расположение. Гелиосферный токовый слой.
9. Что такое дрейфовые движения? Описать различные виды дрейфов и их причины.
10. Что такое адиабатические инварианты? Сколько их существует в дипольном геомагнитном поле? Каким движениям они соответствуют?
11. Плазма какого происхождения создает ток, экранирующий проникновение магнитосферного поля вовне? Какого происхождение носителей тока, частично экранирующего магнитное поле солнечного ветра от проникновения в магнитосферу?
12. Почему осколки кометы Шумейкер-Леви продолжали после распада кометы двигаться
вместе?
Перечень тем и вопросов для экзамена по курсу «Физика космической плазмы в Солнечной системе»
1. Что такое космическая плазма? Теоретические подходы. Движение заряженных частиц в
магнитном и электрическом полях.
2. Дрейфовое приближение. Дрейфы заряженных частиц и их токи.
3. Вмороженность магнитного поля в плазму. Квазинейтральность плазмы. Радиус Дебая.
4. Адиабатические инварианты. Условия их существования и условия нарушения.
5. Теория Штермера. Ее основные параметры. Область применения.
6. МГД генератор солнечного ветра. Схема. Необходимые условия.
7. Токовая система Альфвена в гелиосфере. Явление униполярной индукции.
8. Планеты земной группы: сравнительные характеристики. Физические условия на поверхности. Характеристики атмосфер.
9. Планеты-гиганты: сравнительные характеристики. Атмосферы. Кольца и спутники планет.
10. Внутри-магнитосферные источники магнитного поля. Объяснить их происхождение.
11. Солнечная система. Солнечный ветер. Секторная структура межпланетного магнитного
поля. Теория Паркера.
12. Ионосфера Земли. Ее строение. Тензор проводимости.
13. Атмосфера Земли. Ее строение. Химический состав. Парниковый эффект. Шкала высот.
14. Токовая система геомагнитного хвоста. Схема. Альфвеновский слой в земной магнитосфере. Через какие области магнитосферы частицы солнечного ветра могут проникать в магнитосферу и почему?
15. Структура Солнца. Солнечная активность. Ее проявления и воздействие на магнитосферы.
16. Изменение скорости солнечного ветра с расстоянием от Солнца (прохождение через особые точки, в которых меняется режим распространения) по данным космических аппаратов.
17. Низкоскоростные и высокоскоростные потоки солнечного ветра; их характеристики,
происхождение, зависимость от солнечной активности.
18. Краевые эффекты.
19. Анизотропия энергии в дипольном магнитном поле. Изменение энергии заряженной частицы при ее движении поперек усиливающегося магнитного поля.
Стр. 6 из 8
Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
1.
2.
3.
4.
Ландау и Лифшиц, Механика. Электродинамика, М., Наука, 1969.
Франк-Каменецкий, Лекции по физике плазмы, М., Атомиздат,1968.
Л.А. Арцимович, Элементарная физика плазмы, Атомиздат, М., 1966.
В.Б. Ляцкий, Ю.П. Мальцев, Магнитосферно-ионосферное взаимодействие, Наука,
Москва, 1983
5. Плазменная Гелиофизика, под ред. Л.М. Зеленого, М.С. Веселовского, М.:
ФИЗМАТЛИТ, 2008, 560 с.
6. С.И. Акасофу, С. Чепмен, Солнечно-земная физика, ч.1, 2, «МИР», Москва, 1975.
7. Ж.А. Биттенкорт, Основы физики плазмы, «ФИЗМАТЛИТ», Москва, 2009.
8. М.И. Панасюк и др. Радиационные условия в космическом пространстве: Учебное
пособие. НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына; МГУ им.М.В. Ломоносова; -М.
: Библион -Русская книга, 2006. -132с.
9. Х. Альфвен, Космическая электродинамика, Издательство иностранной литературы,
Москва, 1952.
10. Baumjohann & Treumann, Basic Space Plasma Physics, Imperial College Press, London
2004.
11. Introduction to Space Physics. Ed. by M.G. Kivelson and C.T. Russell. Cambridge
University Press, 1995.
12. Л.И.Мирошниченко. Физика Солнца и солнечно-земных связей. Под. ред.
М.И.Панасюка. Учебное пособие. - М, Университетская книга, 2011 г.
13. Шабанский В.П. Явления в околоземном космическом пространстве. М.: Наука, 1972.
14. Шабанский В.П., Веселовский И.С., Кропоткин А.П. Физика межпланетного и
околоземного пространства. М.: Изд-во МГУ, 1981.
15. Somov B.V., Plasma Astrophysics, Part I, II, Springer, New York, 2006.
16. Magnetospheric current systems, Edited by S. Ohtani, R. Fujii, M. Hesse, R. Lysak, AGU,
2000.
17. И.С. Веселовский, А.П. Кропоткин. Физика межпланетного и околоземного
пространства. - М, Университетская книга, 2010 г. 116 с.
18. http://lib.sinp.msu.ru/static/tutorials/01_textbook/index-76.htm
19. Физика космоса. Маленькая Энциклопедия. Р.А. Сюняев гл. редактор. -М, "Советская
энциклопедия", 1986 год. 782 стр.
20. М.И. Пудовкин, В.П. Козелов, Л.Л. Лазутин, О. А. Трошичев, А. Д. Чертков.
«Физические основы прогнозирования магнитосферных возмущений , Л., «Наука»,
1977. 312 с. http://vvkuz.ru/books/lectures_1/06.pdf
21. С.Б. Пикельнер, Основы космической электродинамики, «Наука», Москва, 1966.
22. Б. Росси, С. Ольберт, Введение в физику космического пространства. Атомиздат,
Москва, 1974.
23. Тверской Б.А. Динамика радиационных поясов. М.: Наука, 1968.
24. Беленькая Е.С., «Влияние межпланетного магнитного поля на формирование
магнитосферы», Итоги науки и техники. Исследование космического пространства,
Том 33а, Москва, ISBN 0202-0734, 235 с.
Дополнительная литература
1. http://descanso.jpl.nasa.gov/SciTechBook/series1/Goebel_03_Chap3_plasphys.pdf
2. Электронный учебник. Космические исследования и взаимодействие среды с
системами
и
материалами
космических
аппаратов.
НИИЯФ
МГУ.
http://lib.sinp.msu.ru/static/tutorials/01_textbook/index-4.htm
3. Тамм И. E., Основы теории электричества, 10 изд., M., 1989;
4. http://geo.phys.spbu.ru/~victor/3k
Стр. 7 из 8
5. http://theory.physics.helsinki.fi/~xfiles/plasma/08/lect07/Particle_motionS.pdf
6. http://farside.ph.utexas.edu/teaching/plasma/Plasmahtml/node25.html
7. Northrop T.G., The adiabatic motion of charged particles, (Interscience Publishers, New
York, 1963).
8. Беленькая, Е. С., Влияние межпланетного магнитного поля на формирование магнитосферы, Исследование космического пространства, 33а, Москва, ВИНИТИ, 235 с.,
2002.
9. Northrop T.G., The adiabatic motion of charged particles, (Interscience Publishers, New
York, 1963).
10. Редерер Х. Динамика радиации, захваченной геомагнитным полем. М.: Мир, 1972.
11. http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e083.htm
12. https://books.google.ru/books?id=2qP6AgAAQBAJ&pg=PA46&lpg=PA46&dq=%D0%B
A%D0%BE%D0%BD%D1%83%D1%81+%D0%BF%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%
80%D1%8C&source=bl&ots=lkOpFOItuk&sig=ifgbzs5MhMh3dcBa95u_pgMQnX8&hl=e
n&sa=X&ved=0ahUKEwjYlYzI0oXLAhUL8XIKHbigByw4ChDoAQg5MAU#v=onepage
&q=%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%83%D1%81%20%D0%BF%D0%BE%D1%82
%D0%B5%D1%80%D1%8C&f=false
13. http://www.sai.msu.su/ng/solar/solar_hystoryss.html
14. http://keldysh.ru/papers/2005/prep16/prep2005_16.html
15. https://farside.ph.utexas.edu/teaching/plasma/lectures1/node68.html
16. Прист Э., Солнечная магнитогидродинамика, М., Мир, 1985.
17. Пудовкин М.И., Семенов В.С., Теория пересоединеия и взаимодействие солнечного
ветра с магнитосферой Земли,М., Наука, 1989.
18. M. C. Kelley, The Earth’s ionosphere. Plasma Physics and electrodynamics, Cornell
University, College of Engeneering, School of electrical and computer engineering, Ithaca,
NY, Elsevier, 2009.
19. http://www.phys.msu.ru/upload/iblock/aae/2005-postnov-zasov.pdf
20. Каплан С.А., Элементарная радиоастрономия, М., 1966
Периодическая литература
1. Зеленый и др., УФН, 183. №1, 365-415, 2013.
2. Belenkaya, E. S., Currents at the subsolar low shear magnetopause, Journal of Geophys. Res.,
2001, V.106, No A11, P. 25,437-25,450.
3. Л.М. Зеленый, М.И. Веригин, А.В. Захаров, В.В. Измоденов, А.А. Скальский, Гелиосфера
и взаимодействие планет земной группы с солнечным ветром, УФН, 175, №6, 2005.
4. Бескин, Магнитогидродинамические модели астрофизических струйных выбросов, УФН,
180, 12, 2010.
5. Veselovsky I.S. Turbulence and waves in the solar wind formation region and the heliosphere //
Space Sci. Rev. 2001. V. 277. № 1-2. P. 219-224
6. Richardson, J.D., L.F. Burlaga: 2013, Space Sci. Rev., 176, 217, doi 10.1007/s11214-011-9825-5.
7. Stone, E.C., A.C. Cummings, F.B. McDonald, B.C. Heikkila, N. Lai, W.R. Webber: 2013,
Science, 341, 150, doi: 10.1126/science.12.36408
Стр. 8 из 8
