Реферат: Исследование реакции нижней ионосферы на высыпание энергичных частиц из радиационных поясов Земли

КурсоваяработаИсследованиереакции нижней ионосферы на высыпание энергичных частиц из радиационных поясовЗемли

В даннойкурсовой работе сделан обзор теоретических методов исследования высыпанияэнергичных электронов на средних широтах и реакция нижней ионосферы на такиевысыпания в зависимости от параметров частиц.

Рассмотренынекоторые виды взаимодействия ионосферы с магнитосферой, и высыпание частиц какрезультат такого взаимодействия. Также рассмотрены некоторые видывзаимодействий волна – частица и, как результат, изменение параметровэнергичных частиц или же их высыпание. Сделаны оценки параметров частиц(электронов или протонов), высыпающихся на средних широтах.

Ключевые слова: высыпание, энергичные частицы,электрон, протон, нижний Dслой ионосферы, рассеяние энергии, модуляция потоков частиц, кинетическийметод, гидродинамический метод.Содержание.

       Ведение

1.   Оценки параметровэнергичных электронов и протонов, которые высыпаются на средних широтах (обзор

1.1 Анализ отдельных случаев

1.1.1. Явление, связанное сволнами типа свистов

1.1.2. Явление, связанноес электромагнитной ионно-циклотронной волной

1.1.3. Явление, связанноес электростатической ионно-циклотронной волной

2.   Изучение кинетическихметодов исследования

2.1. Электроны

            2.1.1. Потеряэнергии и рассеяние

            2.1.2.Обратное рассеяние энергичных электронов атмосферой

            2.1.3.Поглощениевысокоэнергичных электронов в атмосфере2.2. Протоны

3.   Изучение гидродинамическихметодов исследования

3.1. Модуляция потоковэнергичных частиц гидромагнитными волнами

3.1.1. Случай быстройизотропизации3.1.2. Случай сохранения адиабатических инвариантов;………………….22

3.1.3. Модуляция инкрементанарастания свистовой моды

3.1.4. Модуляция потоковвысокоэнергичных частиц

3.2. Продольныеэлектрические поля

4.   Теоретические оценкиэффектов в нижней ионосфере

Заключение

Литература

Введение.

Внастоящее время надежно установлено, что Земля и ее магнитное поле погружены внепрерывно текущий поток плазмы солнечного происхождения – солнечный ветер.Солнечный ветер, который представляет собой расширение солнечной короны сосверхзвуковой скоростью, несет с собой в космическое пространство магнитноеполе Солнца. Магнитное поле Земли взаимодействует с плазмой солнечного ветра, ина геоцентрическом расстоянии примерно /> между Землей и Солнцемобразуется ударный фронт. Основной поток солнечного ветра обтекает Землю иуносит геомагнитное поле в длинный магнитный хвост. Следовательно, Земляокружена магнитной полостью – магнитосферой, строение и свойства которойопределяются главным образом магнитным полем земли и токами, генерируемымисолнечным ветром. Считают, что частицы солнечного ветра попадают в атмосферулибо через магнитный хвост, либо через полярные каспы с низкой напряженностьюмагнитного поля, расположенные на дневной стороне Земли. Как известно в магнитосферепротекает множество физических процессов. Многие из них, косвенно связанные стакими давно известными явлениями, как полярные сияния (высыпание частиц вполярных широтах), и магнитные бури, прямо или косвенно обусловленывзаимодействием солнечного ветра и магнитосферы Земли.

Чтобыузнать как взаимодействуют магнитосфера и ионосфера необходимо изучить все, илихотя бы основные, происходящие процессы. Для этого следует вначале предположить(грубое предположение), что ионосфера и магнитосфера существуют независимо другот друга, и изучить их по отдельности. Затем можно предположить, что некоторыепроцессы в ионосфере являются следствием некоторых процессов в магнитосфере(или наоборот). Т. е., в принципе следует изучать магнитосферу и ионосферу как двесильно связанные системы.

Былосделано предположение о двух видах взаимодействия: корпускулярном и волновом.Первый процесс происходит «сверху вниз»: т.е. частицы, высыпаясь израдиационных поясов магнитосферы воздействуют на ионосферу. Второй – может осуществлятьсякак «снизу вверх», так и при помощи различных внешних факторов (к примеру –солнечный ветер). Частым результатом такого процесса является высыпание частицв атмосферу Земли. Высыпания могут быть совершенно различными, как по энергиям,так и по углам вхождения в атмосферу. Высыпания различают также по типу частиц:протоны или электроны.

Отметим,что результаты высыпаний электронов и протонов (степень ионизации и глубинапроникновения) с одинаковыми энергиями и углами вхождения будут различными.

В даннойработе будет рассмотрено взаимодействие магнитосферы Земли посредствомразличных типов волн с частицами, находящимися в радиационном поясе взависимости от параметров взаимодействующих волн и частиц. Также будетрассмотрено высыпание различных частиц. Но здесь будет рассмотрено лишьнесколько видов взаимодействий высыпающихся частиц с атмосферой. Так каквысыпаются не только электроны, но и протоны, то процессы, происходящие приэтом, будут различны. Например, эффективность ионизации зависит не только отэнергии частиц, но и от начальных углов, под которыми входят частицы.Существует также высотная зависимость степени ионизации от энергии частиц,причем для различных частиц своя.


1. Оценки параметров энергичныхэлектронов и протонов, которые высыпаются на средних широтах.

(В даннойглаве рассмотрены различные случаи высыпаний высокоэнергичных частиц подвоздействием различных типов волн: свистов и ионно-циклотронных)

 Вовремя  геомагнитных возмущений  высыпание энергичных электронов из радиационныхпоясов Земли может быть основным источником притока энергии для ионизациисреднеширотной мезосферы. Один особенно интенсивный тип высыпаний – это случаивысыпания релятивистских электронов (ВРЭ), которые характеризуются чрезвычайновысокой энергией электронов (>100 кэВ) вблизи верхнего предела,определяемого сильной диффузией по питч-углу. Такие события были сначалаотождествлены по поглощению рассеянных вперед радиосигналов, связанных с резковыраженным возрастанием ионизации в области D. Последующие исследованиярадиоволн позволили установить общую метеорологию таких явлений и четко указалина прямую связь их с активностью суббурь. Однако количественная оценка вводимойпри таких событиях энергии электронов и ее воздействие на среднюю атмосферутребует прямых ракетных или  спутниковых наблюдений. Были запущены детекторы,способные измерять  энергетический спектр и распределение по питч-угламэлектронов с разрешением, необходимым для точных модельных исследований реакцииатмосферы.  Представленные здесь результаты дают достаточно детальный обзорслучаев интенсивных ВРЭ, полученных прямым исследованием данных со спутника за14 месяцев.

   Важныйрезультат,  полученный при анализе данных спутника, состоит в том, чтоэлектроны высокой энергии(>100 кэВ) часто оказываются ограниченными зоной срассеянием в режиме сильной диффузии, которая, как правило, совпадает с райономвысыпания ионов в том же режиме. Все  (за исключением семи) из 313  случаев,интенсивных ВРЭ обнаруживают такую взаимосвязь. Эта особенность ВРЭ   позволяетпредположить наличие единого процесса рассеяния, что необходимо учитывать при отборе потенциально возможных механизмов электронного высыпания. Выявлены тридостаточно четко различающихся типа высыпаний электронов высокой энергии.Каждый тип может быть связан с данным рассеянием электронов известнымимагнитосферными плазменными волнами.

   Приадиабатических условиях энергичные электроны могут совершать колебательноедвижение между магнитными «зеркальными» точками в неоднородном магнитном  поле.Частицы будут зеркально отражаться над атмосферой, и, таким образом, являютсязахваченными. Частицы, оказавшиеся в конусе потерь, высыпаются в атмосферу игибнут. Для электронов и ионов высокой энергии во внешнем радиационном поясенаиболее эффективным механизмом рассеяния по питч-углам предполагаетсуществование резонансных взаимодействий с естественными плазменными волнами вмагнитосфере, что приводит к доплеровскому смещению частоты на величину,кратную релятивистской гирочастоте.

  Резонанс с электронами требует большого доплеровского смещения (или высокихскоростей электронов) и энергии

   />.                       (1)

Ионы длярезонанса должны иметь энергию:

                                           />                            (2)

 Наосновании теоретических аргументов можно предположить, что  ионно-циклотронныеволны  легче всего генерируются внутри плазмосферы, имеющей высокую плотность плазмы,или в пределах отделившихся от плазмосферы плазменных областей, в которых.   Ем=0.3-10 кэВ. Поэтому резонансные энергии электронов должны располагаться вультрарелятивистской области (0,5 –50  МэВ), в то время как резонансная энергияионов равна 1 –1000  кэВ.

  Ионно-циклотронные волны наблюдались преимущественно в вечернем секторемагнитосферы с типичным значением максимальной амплитуды в несколько гамм. Наосновании рис. 1 (1) можно заключить, что этого достаточно длявовлечения резонансных ионов и высокоэнергичных электронов в режим сильнойдиффузии.


Рис.1 Минимальные амплитуды флуктуирующих электрического и магнитного полей,необходимые для рассеяния протонов (+) или электронов (-) в режиме сильнойдиффузии на L=6. При других значениях L необходимые амплитуды изменяются как />.

/>

Однако, за исключением случаев, когда плотность плазмы очень велика,резонансные энергии электронов будут лежать заведомо выше 1  МэВ.

   Чистоэлектростатические волны наблюдались во внешней магнитосфере в частотныхполосах, центрированных между гармониками электронной гирочастоты. Их частоназывают верхними гибридными волнами. Как правило, волны поляризованы, причемволновой вектор  k   почти перпендикулярен к вектору магнитного поля   B, ипродольная составляющая волнового вектора  k   сравнима с величиной обратноголарморовского радиуса горячих электронов плазменного слоя. Типичные значениярезонансных энергий электронов составляют несколько  кэВ. В самом деле, такиеволны неэффективны при рассеянии высокоэнергичных электронов.

1.1. Анализ отдельных случаев.

1.1.1. Явление, связанное с волнами типасвистов.Первоначально анализ был ограничен поиском рассеяния в режиме сильной диффузииэлектронов с энергиями выше 235  кэВ. Вероятно, в силу жесткости этого критерияудалось выявить только семь случаев, которые можно было отнести к рассеянию,связанному со свистовыми волнами. Во всех случаях они относились к позднемуутреннему сектору, где появление хоров максимально. Рассеяние наиболеезначительно в самом низкоэнергичном  (33 кэВ) канале, ослабевая при переходе кболее высоким энергиям. Не обнаружено никакого одновременного высыпания ионов.

1.1.2. Явление, связанное с электромагнитнойионно-циклотронной волной.В данных за 14 месяцев только четыре события удовлетворяют критерию,определяющему рассеяние электронов электромагнитными ионно-циклотроннымиволнами. Все они наблюдались на малых L  вблизи вечернего меридиана, где такиеволны предпочтительно возбуждаются. Не наблюдалось никакого высыпанияэлектронов при энергиях ниже 160  кэВ. При 235 кэВ имеются данные, что конуспотерь частиц  частично заполнен. По мере увеличения энергии электроновинтенсивность рассеяния прогрессивно растет, достигая уровня рассеяния в режимесильной диффузии на энергиях более 850  кэВ. Ограниченная по широте областьвысыпания релятивистских электронов погружена в более широкую зону высыпанияионов в режиме сильной диффузии.

1.1.3. Явление, связанное сэлектростатической ионно-циклотронной волной.  Большая часть (302  случая) выявленныхсобытий имеет особенность, характерную для рассеяния частиц электростатическимиионно-циклотронными волнами: широкий интервал энергий изотропного потокавысыпающихся электронов, сопровождающихся высыпанием ионов в режиме сильнойдиффузии. Как правило, такие высыпания имеют место вблизи верхнего пределазначений L  для области захваченных  энергичных электронов, однако, заведомо впределах внешней границы захвата, связанной с переходом в область незамкнутыхгеомагнитных силовых линий полярной шапки. Такие события сильно преобладают наночной стороне в пределах интервала широт, характерного для овала полярныхсияний (рис 2) (1). Это согласуется с процессом паразитного рассеяниявысокоэнергичных электронов, которые переносятся градиентным дрейфом в зонупостоянно существующей сильной турбулентности, связанной с ионными модами, наширотах ночного сектора овала полярных сияний. Смещение к экватору областивысыпаний релятивистских электронов во время возмущений согласуется сустановленным смещением овала полярных сияний во время суббурь.

Итак,осаждение энергичных электронов в атмосферу может быть как основным источникомионизации области D, так и привести к образованию добавочного количествамолекул водорода и азота, которые, как известно, могут выполнять рольразрушающих озон катализаторов на высотах средней атмосферы. В результатевозрастания количества водорода чрезвычайно жесткие по энергиям и интенсивныеВРЭ, описанные выше, могут привести к локальному уменьшению озона (~30 %) вмезосфере на субавроральных широтах. При наблюдаемой 5 – 10 % частоте появленийподобные события становятся также основным источником в течение года окисиазота в субавроральной мезосфере, и их воздействие может быть существенным дажев верхней стратосфере. Более того, поскольку наш анализ данных спутникаограничен небольшим числом типов событий, характеризующихся наличием режимасильной диффузии в высыпании релятивистских (> 230 кэВ) частиц, приведенныевыше оценки сопутствующих атмосферных эффектов является весьма умеренными.События в режиме слабой диффузии, а также события с участием электронов меньшихэнергий, происходят гораздо чаще, и становятся существенными эффектыпостепенного накопления. Реальность этого предположения подтвержденаэкспериментами.

(Основнымисточником энергии ионизации D слоя ионосферы являютсяэнергичные частицы: электроны и протоны.)


Рис2. Общая морфология ВРЭ, наблюдаемых на спутнике S3-3 в периодысредних (A<20) и высоких (A>20)возмущений. Отмечены события, связанные с рассеянием на свистовых (/>) и электромагнитныхионно-циклотронных (/>) волнах. Всеостальные события относятся к рассеянию электростатическими ионно-циклотроннымиволнами./>

2.Изучение кинетических методов исследования.

(Здесьбудут рассмотрены воздействие высокоэнергичных частиц, высыпающихся измагнитосферы, и ионосферы в кинетическом рассмотрении, т.е. без учетаплазменных волн или колебаний магнитной силовой трубки.)

Взаимодействиемежду магнитосферой и ионосферой происходит по двум каналам, один из которыхможно назвать корпускулярным, связанный с вторжением энергичных частиц, адругой – волновым, осуществляющим передачу электрических полей и продольныхтоков. Сначала рассмотрим первый.

Некотороеколичество протонов и электронов, захваченных на силовой линии геомагнитногополя, будут иметь зеркальные точки в атмосфере на высоте не менее 100 км. Проникающие в атмосферу частицы сталкиваются с атомами и молекулами атмосферы ипостепенно отдают свою энергию нейтральным атомам и молекулам. Главным стоком энергичныхзаряженных частиц магнитосферы является атмосфера, по крайней мере, в области,характеризующейся высокими значениями  L (например, L>5).

Заряженныечастицы при вторжении испытывают ряд  упругих и неупругих столкновений сатомами и молекулами атмосферы. Они постепенно расходуют свою энергию: а) наионизацию и возбуждение нейтральных частиц воздуха и б) на излучение энергиипри ускорении в кулоновском поле атомных ядер (тормозное рентгеновскоеизлучение). Для частиц низких энергий (т.е. электронов с энергиями <1 МэВ)второй процесс потери энергии несущественен, но его эффект весьма важен,поскольку при этом процессе генерируются рентгеновские лучи, которые можноиспользовать для косвенных исследований энергичных частиц.

Следствияпроцесса ионизации и возбуждения в верхней атмосфере можно исследовать поизменениям диэлектрической постоянной верхней атмосферы и оптических излученийиз этих областей. Наблюдались оптические полярные сияния, для возбуждениякоторых необходима энергия, превосходящая общую энергию всех энергичныхэлектронов, запасённых во всей магнитосфере. Это доказывает, помимо всегопрочего, эффективность атмосферы как стока для энергичных частиц.

Чтобыколичественно исследовать влияние столкновений частиц на различные явления вверхней атмосфере, необходимо знать, как происходит в верхней атмосфередиссипация энергии частиц. Кроме того, детальное влияние морфологиинерегулярной, вызванной частицами ионизации в верхней атмосфере можетспособствовать лучшему пониманию временных вариаций потоков частиц.

Примернаяглубина проникновения протонов и электронов различных энергий представлена на рис.3 (2), поскольку высыпание частиц – процесс статистический, фактическаяглубина проникновения не постоянна для всех частиц с одинаковыми начальными условиями.Значения, приведённые на рис. 3 (2), следует, таким образом,рассматривать как средние высоты на которых большая часть энергии поглощаетсяпри неупругих столкновениях  в предположении, что частицы проникают в атмосферувертикально.

Посколькуглубина проникновения в значительной степени зависит от энергии (рис. 3)(2), различные участки энергетического спектра частиц влияют на различные слоиатмосферы. Только электроны и протоны с энергиями более 10 кэВ и 200 кэВсоответственно могут проникнуть ниже 100 км и ионизировать область  D, аионизация области F может вызываться только частицами с энергиями сотни эВ.

Статистическиэнергетический спектр электронов и протонов с возрастанием широты становитсямягче. Поэтому следует ожидать, что вклад вторгающихся частиц в ионизацию имеетместо в полярных областях на большей высоте, чем в средних широтах. Высыпание частиц в средних широтах влияет, по-видимому, только на область D. В зонеполярных сияний ионизация областей D и F  до некоторой степени поддерживаетсячастицами, тогда как внутри полярных шапок вторгающиеся частицы в нормальныхусловиях, по-видимому, ионизируют только верхнюю часть ионосферы. Спорадическаяионизация может изменять эту  картину, особенно в полярных областях, гдевысокоэнергичные протоны солнечного происхождения временами вызываютзначительное усиление ионизация в нижней части области D.

2.1. Электроны.

2.1.1.Потеря энергии и рассеяние.Энергичный электрон, проникающий в верхнюю атмосферу, в результате неупругихстолкновений с молекулами воздуха постепенно теряет свою энергию W. Средняяпотеря энергии на одно неупругое столкновение составляет для энергичныхэлектронов (т.е. W>500 эВ)


Рис.3. Глубина проникновения частиц при вертикальном вхождении в атмосферу Земли.

/>


около 90эВ. Эта энергия сообщается связанному электрону, который оторвется от исходногоатома с энергией, достаточно высокой, чтобы ионизовать еще два атома.

Средний атомныйномер в верхней атмосфере равен 7,3, при этом предполагается, что относительноесодержание молекул кислорода и азота составляет 3:7. Кроме того, что сечениерассеяния двухатомной молекулы вдвое больше, чем сечение одного атома (что невсегда справедливо). Скорость потери энергии в воздухе показана на рис. 4(2). По этим данным можно установить остаточный пробег электрона с даннойэнергией W, определяемый формулой:

/>.                         (3)

Еслиотклонения траектории электрона, вызванные упругими столкновениями, былинезначительными, по формуле (3.) легко определить полную глубину проникновения.Но траектория электрона сильно отличается от прямой линии, поэтому в общемслучае решить эту задачу аналитически очень трудно, и только в несколькихчисленных решениях полностью учтены эффекты сложного движения электронов.

Отклонениятраектории электрона обусловлены главным образом упругими столкновениями с атомамиатмосферы (т.е. кулоновским рассеянием). Сечения упругих и неупругихстолкновений достаточно хорошо известны вплоть до энергий, превышающихнесколько кэВ. Известно, что на каждое неупругое столкновение электронаприходится от 5 до 10 упругих столкновений. Если средняя потеря энергии на однонеупругое столкновение составляет около сотни эВ. То электрон должен испытыватьприблизительно 100 упругих столкновений, прежде чем потеря энергии достигнет 1кэВ. Следовательно, с начальной энергией около 50 кэВ «забудет» об исходномнаправлении своего движения задолго до того, как он остановится, даже еслисредний угол рассеяния при каждом упругом столкновении мал. Все вычисленияоснованы на предположении о горизонтальной стратификации атмосферы и овертикальном расположении силовых линий геомагнитного поля (что достаточнохорошо выполняется на высоких широтах).

Сначаланаходят траекторию электрона. Выбираются три произвольных параметра, которыедают: а) расстояние, проходимое до следующего упругого или неупругогосоударения; и б) направление движения после столкновения. Распределение этихтрех произвольных чисел определяется сочетаниями, представленными на рис. 5(2).

Процесспродолжается до тех пор, пока: а) первичный электрон не израсходует всю своюэнергию или; б) электрон не уйдет из атмосферы как электрон альбедо. Чтобыполучить статистически достоверные результаты, необходимо рассмотретьдостаточно большое число первичных электронов, больше чем 10 000.

2.1.2.Обратноерассеяние энергичных электронов атмосферой. Электроны альбедо не дают существенноговклада в ионизацию верхней атмосферы, поэтому для количественного сопоставленияионосферных процессов и потоков частиц над атмосферой важно знать, какая частьвторгающихся электронов отражается атмосферой. Коэффициент отражения не зависитсущественно от энергии. Однако средняя потеря энергии для электронов альбедосущественно изменяется с изменением угла вхождения в атмосферу от 30 до 10 %для электронов с первоначальными питч-углами 30 и 80*  соответственно.

2.1.3.Поглощение высокоэнергичных электронов в атмосфере. Влияние атмосферногорассеяния на пучок моноэнергетических электронов приведено на рис. 6,(2),где показано вертикальное ослабление пучка электронов, первоначально имеющиходно и тоже направление, с энергией 50 кэВ, входящего в атмосферу под углом55*.Электроны, прежде чем успеют израсходовать всю свою энергию, проникают довысоты 80 км, но уже на высоте 150 км пучок обнаруживает значительное угловоерасширение. Уширение пучка еще яснее видно на высоте 100 км, где начинаетсяуменьшение энергии электронов. На высоте 90 км «непоглощенные» электроны можнонаблюдать только в направлении, близком к вертикальному, в то время какмалоэнергичные электроны имеют очень широкое распределение по углам. Наосновании этого приема модно заключить, что энергетический спектр первоначальнопараллельного и моноэнергетического пучка электронов, который рассеялся ипоглотился в атмосфере, имеет очень сложные питч-уговое и высотноераспределения. Изотропные потоки электронов наблюдаются только при самых низкихэнергиях почти в конце траектории, т.е. между 80 и 85 км для


/>
 

Рис. 4. Характерныепотери энергии для электронов в воздухе.


/>
Рис. 5 Полное сечение дифференциальногорассеяния электронов с энергиями от 1 до 500 кэВ.
/>
Рис. 6. Угловое распределение рассеянныхэлектронов (W0=50кэВ, угол вхождения 55*) в интервалах энергий: а) 44 – 54 кэВ, б) 36 – 44 кэВ,в) 30 – 36 кэВ, г) 17 – 30 кэВ.

использованныхв данном приеме электронов. При тщательном анализе данных, представленных на рис.6, (2), видны очень незначительные высотные вариации в потоках электроновальбедо (на высоте более 100 км). Следовательно, рассеяние, заставляющеевозвращаться электроны назад в космическое пространство, имеет место почти вконце траектории.

Ограничимсятем, что представим высотный профиль потери энергии для первичных электроновнекоторых энергий и нескольких углов входа их в атмосферу.

Зависимостьвысотных профилей потери энергии электронов с энергией 6 и 50 кэВ от углападения показана на рис. 7 и 8 (2) соответственно. Электроны,пересекающие атмосферу в почти вертикальном направлении, создают максимумионизации, который в 100 – 1000 раз больше максимума, вызванного электронами,входящими в атмосферу под большими зенитными углами. Сильная зависимость отзенитного угла объясняется отчасти тем, что энергия быстрого электрона,движущегося под большим зенитным углом, будет распределяться по горизонтальнойплощади, которая пропорциональна секансу зенитного угла. Однако болеесущественны значительные вариации потока электронов альбедо в зависимости отпитч-углов.

Вобразовании ионизации на больших высотах наиболее эффективны электроны,входящие в атмосферу под зенитным углом 60*. Является до некоторой степенинеожиданным отсутствие зависимости максимума высоты от первоначальногопитч-угла электронов в отличие то подобных вариаций, наблюдаемых в ионосферномслое, образованным солнечным излучением. Причина кажущегося постоянства максимума,заключается в том, что: а) вследствие небольшого отношения сечений упругих инеупругих столкновений энергичные электроны сильно отклоняются от начальногонаправления движения задолго до того, как поглотятся и б) возможныенезначительные различия в высоте максимума трудно обнаружить из-за  большогоградиента плотности нейтральной атмосферы.

2.2. Протоны.

Вторжениеэнергичных протонов вызывает ионизацию и возбуждение в верхних слоях атмосферыв основном тем же путем, что и вторжение электронов. Однако, обладая большоймассой, они почти не испытывают сколько-нибудь заметных отклонений пристолкновении с атомами атмосферы. Таким образом, в первом приближении можнополагать, что угол между вектором локального магнитного поля и векторомскорости протона остается постоянным в рассеивающей среде, по мере того какскорость протона постепенно уменьшается.

Проблемавычисления диссипации энергии протона могла бы показаться тривиальной, если быне процесс перезарядки. По мере проникновения во внешнюю область атмосферыпротоны выбивают связанные электроны из атомов. Эффективные сечения перезарядкиводорода и кислорода почти одинаковы, но вторая более важна, так как содержаниекислорода на несколько порядков величины превосходит содержание водорода.

 Основнойэффект процесса перезарядки заключается в том, что вторгающиеся протоныраспределяются по большой горизонтальной площади. Ионизированный атом водороданаправляется магнитным полем, тогда как нейтральный атом может двигаться набольшие расстояния, не испытывая воздействия поля. Важность процессаперезарядки усиливается тем фактором, что средняя длина свободного пробеганейтрального водорода с энергией 5 кэВ до перезарядки на высотах от 150 до 500км возрастает в 5 – 20 раз по сравнению с длиной свободного пробега протона стой же энергией. Следовательно, атом водорода пребывает большую часть времени внейтральном состоянии. Первоначально узкий пучок протонов может быть «размазан»вследствие процессов перезарядки по большому интервалу широт.

Из-запроцесса перезарядки проблема вычисления диссипации пучка становится двумерной.Только когда вторжение протонов происходит на большой горизонтальной площади,связь энергетического спектра частиц с вертикальным профилем потерь энергииимеет смысл. В этом случае можно не учитывать процесс перезарядки, посколькуэффективные сечения столкновений для нейтрального водорода и протонов почтиодинаковы.

Глубинапроникновения в атмосферу протонов различных энергий показана на рис. 9(2). Поскольку упругие столкновения несущественны для протонов средних энергий,глубина проникновения изменяется в зависимости от угла вхождения в атмосферу, впротивоположность тому, что происходит с энергичными электронами. Протон,


Рис. 7. Профилискорости потери энергии для электронов с Wо=6 кэВ и углом паденияQ.

/>

 

/>

Рис. 8. профилискорости потери энергии для электронов с Wо=50 кэВ.


Рис. 9. Глубинапроникновения протонов в атмосферу в функции питч-угла.

/>


входящийвертикально в атмосферу, проникает приблизительно на 20 км глубже, чем протон сзенитным углом 80*.

На рис.10 (2), представлены вертикальные профили скорости потери энергиипервоначально изотропных моноэнергетических потоков протонов. Горизонтальноерассеяние, вызванное процессами перезарядки, в вычислениях не учитывалось.Вычисления основаны на коэффициентах поглощения, приведенных на рис. 11 (2).

Высотамаксимальной потери энергии уменьшается от ~ 200 км до ~ 90 км, в то время как энергия протоноввозрастает от 1 до 1000 кэВ. Новые модели атмосферы, возможно, каким-то образомуменьшать эти высоты, но маловероятно, чтобы в результате этого профилисместились более чем на 5 км.

Вследствиесуществования градиента плотности в атмосфере «толщина» профилей потери энергииуменьшается с возрастанием энергии протонов, и к тому же максимум в профилерезко возрастает. Следовательно, при изменении энергии протонов от 1 до 1000кэВ максимальные потери энергии увеличиваются в 60 000 раз.

(Электроныи протоны по-разному ведут себя, проникая  в ионосферу. Электроны, посленебольшого числа столкновений, «забывают» о своем первоначальном направлении.Протоны же, в процессе перезарядки, проникают гораздо глубже, так какнейтральный атом не испытывает кулоновского рассеяния.)


Рис.10. Профили скорости потерь энергии протонов с начальной энергией Wо, кэВ./>
Рис.11. Скорость потери энергии для протонов в воздухе в зависимости от энергии.
3.Изучение гидродинамических методовисследований.

(В этойглаве будут рассмотрены различные типы взаимодействий волн с частицами.)

Рассмотримдругой канал связи – волновой, осуществляющий передачу электрических полей ипродольных токов.

Волновойканал настолько тесно связывает элементы магнитосферно-ионосферной системы, чтоможно говорить о единой электрической цепи, в которой почти любой процессявляется совместным продуктом магнитосферы и ионосферы. Некоторые из высыпаний,в частности дискретные дуги полярных сияний, управляются из ионосферы. Обратнаясвязь осуществляется посредством волнового канала. Схема обратной связивыглядит следующим образом. Вторгающийся поток меняет проводимость ионосферы. Вприсутствии внешнего электрического поля область меняющейся проводимостигенерирует гидромагнитную волну, направленную геомагнитным полем.Распространяясь в магнитосферу, гидромагнитная волна взаимодействует счастицами, заставляя их при некоторых условиях высыпаться, (но пока не известенконкретный механизм взаимодействия гидромагнитной волны с частицами). Можнопредложить два варианта передачи этой энергии частицам. В первом варианте волнаменяет магнитное поле в силовой трубке, модулируя поток энергичных частиц. Вовтором – происходит ускорение «холодных» частиц в продольном электрическом полеволны.

3.1.Модуляция потоков энергичных частиц гидромагнитными волнами.

Предположим,что существует фоновое высыпание частиц, обусловленное, например, диффузией вконус потерь. Найдем глубину модуляции высыпающегося потока в зависимости отамплитуды геомагнитных пульсаций, которые можно связывать со стоячейальвеновской волной, захваченной между магнитосопряженными участками ионосферразличных полушарий. Известно, что направляемые альвеновские волны несопровождаются сжатием магнитного поля. Однако, в неоднородном магнитном полекаждая колеблющаяся магнитная силовая линия будет испытывать субстанциональныесжатия и разрежения. Магнитное поле в такой колеблющейся трубке меняется позакону:

/>,                                                                                        (4)

где /> - колебательная скорость трубки. Плазма,вмороженная в трубку, колеблющуюся в меридиальной плоскости, испытываетпериодическое нагревание и охлаждение, что приводит к вариациям частиц в трубкес периодом ее поперечных колебаний. Вариации потока частиц на уровне ионосферысущественно зависят от характера изменений питч-углового распределения частиц.Рассмотрим четыре случая, отличающихся характером изменения функциираспределения, а также энергией частиц. Вначале найдем связь глубины модуляциис амплитудой колебаний в экваториальной плоскости />, а затем с амплитудой пульсаций наповерхности Земли.

3.1.1.Случай быстрой изотропизации. Относительноеизменение потока может быть найдено из теоремы Лиувилля и определяетсявыражением:

/>.                                                                               (5)

где /> — поток частиц  в единице телесного угла и вединичном интервале энергий />, /> — возмущенные величины.

Поперечныерадиальные колебания трубки сопровождаются изменением ее объема. Предполагаяпроцесс адиабатическим, из уравнения адиабаты /> находим связь между изменением энергиичастиц и изменениями объема:

/>.                                                                                (6)

Рассмотримпервую гармонику колебаний. Считаем для простоты, что объем трубкипропорционален /> (/> - геоцентрическое рассеяние до трубы вэкваториальной плоскости в радиусах Земли). Имеем:

/>.                                                                                        (7)

Подставляя(7.3) и (7.4) в (7.2), получаем для зависимости />

/>.                                                   (8)

Последнееравенство написано для  />, />.

3.1.2.Случай сохранения адиабатических инвариантов. Этот случай, вероятно, реализуется вспокойное время вдали от ярких форм сияний. Высыпание частиц в ионосферусвязано при этом с сокращением магнитных силовых линий в процессе стационарнойконвекции магнитосферной плазмы. Хотя с приближением магнитной силовой линии кЗемле питч-углы  заряженных частиц увеличиваются, конус потерь увеличиваетсяеще быстрее. Высыпающийся поток примерно равен />, где /> и /> — концентрация частиц и скорость ихрадиального дрейфа в экваториальной плоскости.  Модуляция потока имеет вид:

/>.                                                                            (9)

Где /> - возмущение скорости, связанное сгидромагнитной волной;  /> — частота волны;  /> - радиус Земли. Полагая частоту   равнойчастоте резонансных колебаний магнитной трубки (/>), получаем:

/>.                                                                     (10)

Последнееравенство выполняется при характерных значениях /> км/с и /> км/с.

3.1.3.Модуляция инкремента нарастания свистовой моды. Предполагается, чтофоновое высыпание вызвано диффузией частиц в конус потерь из-за резонансноговзаимодействия со свистовой модой. Эта мода непрерывно генерируется благодаряанизотропии распределения электронов по питч-углам. Инкремент нарастаниясвистовой моды зависит от внешнего магнитного поля. Гидромагнитная волна,возмущая магнитное поле, изменяет инкремент свистовой моды, что приводит кмодуляции коэффициента диффузии и, следовательно, к модуляции высыпающегосяпотока. В качестве гидромагнитной волны мы принимали магнитозвуковую. Однако,как видно из формулы (4), направляемая альвеновская волна в неоднородном полетакже сопровождается субстанциональными изменениями магнитного поля.

Еслидиффузия в конус потерь не слишком велика, высыпающийся поток равен:

/>,                                                                             (11)

где /> - фоновый поток; /> — коэффициент анизотропии электронов попитч-углам; />и  /> -температуры электронов поперек и вдольвнешнего магнитного поля; /> -амплитуда малыхвариаций. Принимая для экваториальной плоскости />,/>  и считая колебаниямалыми, получаем из (11) глубину модуляции

/>.                                                                                      (12)

Сравнение(12) с (8) показывает, что коэффициент анизотропии />  обеспечивает диффузию, промежуточную междусильной и слабой. Уменьшение   приводит к уменьшению диффузии и к увеличениюглубины модуляции. В данном случае глубина увеличивается за счет уменьшенияфононовоо потока.

3.1.4.Модуляция потоков высокоэнергичных частиц. При рассмотрении трех предыдущих случаевпредполагалось, что частицы колеблются вместе с магнитной трубкой. Прихарактерном диаметре трубки в экваториальной плоскости /> и периоде колебаний />условие сохранения частиц в трубкевыполняется для энергий />. Частицы больших энергийбудут протекать через трубку (вследствие градиентного дрейфа), почти нереагируя на ее колебания. Можно считать, что магнитная силовая трубкаколеблется на неподвижном фоне энергичных частиц. Колеблющаяся трубка, подобнозонду, будет проектировать в свое основание частицы из разных областейионосферы. Магнитосфера заселена энергичными частицами неоднородно. Поэтомупоток частиц, высыпающихся из трубки, будет флуктуировать. Полагая, что фоновыйпоток энергичных частиц меняется по закону:

/>,                                                               (13)

получаемглубину модуляции:

/>.                                                             (14)

Последнееравенство выполняется при характерных значениях />, />, />. Изменение потока происходит в фазе илипротивофазе с /> может быть выражено черезмагнитное поле стоячей альвеновской волны:

/>,                                                                                          (15)

где />-северная компонента поля над ионосферой; /> и /> внешнее магнитное поле вэкваториальной плоскости и на уровне ионосферы соответственно. При выводе (15)предполагалось, что альвеновская скорость постоянна вдоль силовой трубки,трубка совершает колебания на основной гармонике, концы трубки закреплены наионосфере.

Поле /> не проникает ниже ионосферы, так какполностью экранируется педерсеновскими токами. Под ионосферой чувствуетсямагнитное возмущение />, связанное с холловскимитоками:

/>,                                                                                   (16)

где/> и /> - проинтегрированные повысоте холловская и педерсеновская проводимости; поле /> считается положительным, если оно направленона восток. Подставляя (16) в (15) и полагая />,/> и />, получаем:

/>,                                                                                   (17)

где выражено в нТл.

Возвращаяськ выражениям (8), (10), (12) и (14), запишем с учетом (17) относительнуювариацию потока:

/>,                                                                                            (18)

гдевеличина коэффициента />для четырех рассмотренныхслучаев принимает соответственно решения />;/> и />. Наиболее благоприятендля модуляции случай 2 (сохранение инвариантов); при амплитуде колебаний /> получаем в этом случае />. Случаи 1,3 и 4 способны вызвать только 10–20 %-ную модуляцию потоков частиц. Напомним, что случай 1 (быстраяизотропизация) дает нижний предел для глубины модуляции низкоэнергичных  (<30 кэВ) частиц; уменьшениепитч-угловой диффузии приведет к увеличению глубины модуляции.

Следуетотметить своеобразие случая 4. Несмотря на почти полное отсутствиевзаимодействия колеблющейся трубки с высокоэнергичными частицами, высыпающийсяпоток испытывает довольно сильную модуляцию.

3.2.Продольные электрические поля.

Наиболееубедительным доказательством существования продольных электрических полейявляются часто наблюдаемые потоки частиц с питч-углами, сосредоточенными вблизи/>. Такие потоки наблюдаются как в ионосфере,так и в магнитосфере, свидетельствуя о наличии продольной разности потенциалапорядка нескольких киловольт. Механизм возникновения продольного поля /> неясен, но можно выделить нескольковозможных источников />: 1) различнаяпитч-угловая анизотропия электронов и протонов; 2) термоэлектрический эффект награнице между горячей магнитосферой и холодной ионосферной плазмой; 3)продольный ток, переносимый горячими электронами с учетом сходимости магнитныхсиловых линий; 4) аномальное сопротивление; 5) двойной сой; 6) нехваткахолодной плазмы.

(Извышеизложенного видно, что волновое взаимодействие нельзя не учитывать,рассматривая высыпание высокоэнергичных частиц. Такое взаимодействие вноситощутимый вклад в ионизацию ионосферы.)

4. Теоретические оценки эффектов внижней ионосфере.

(В этойглаве будут даны оценки различным магнитосферно-ионосферным взаимодействиям)

Рассмотревдва метода исследования нижних слоев ионосферы, можно сделать некоторые оценкиразличных эффектов и сравнить их. Оценим корпускулярное взаимодействие.

Глубинапроникновения частиц в ионосферу в значительной степени зависит от их энергии.Как видно из рис. 3 (2), различные участки энергетического спектрачастиц влияют на различные слои атмосферы. Только электроны и протоны сэнергиями более 10 кэВ и 200 кэВ соответственно могут проникнуть ниже 100 км иионизировать область  D, а ионизация области F может вызываться толькочастицами с энергиями сотни эВ.

Так,чтобы проникнуть вглубь ионосферы до высоты 100 км, электрон (в среднем) должениметь энергию 9 кэВ, а протон, – должен иметь энергию 300 кэВ. Итак, не смотряна более благоприятные условия проникновения для протонов (процессперезарядки), они все же должны иметь более высокую энергию, по сравнению сэлектронами, чтобы проникнуть на такую же глубину. Электрон, обладая энергией100 кэВ, проникает до высоты 70 км, а протон, с аналогичной энергией, — толькодо высоты 110 км.

Статистическиэнергетический спектр электронов и протонов с возрастанием широты становитсямягче. Поэтому следует ожидать, что вклад вторгающихся частиц в ионизацию имеетместо в полярных областях на большей высоте, чем в средних широтах. Высыпание частиц в средних широтах влияет, по-видимому, только на область D. Но степеньионизации ионосферы зависит не только от энергии частиц, но и от угла, родкоторым частица входит. Электроны, пересекающие атмосферу в почти вертикальномнаправлении, создают максимум ионизации, который в 100 – 1000 раз большемаксимума, вызванного электронами, входящими в атмосферу под большими зенитнымиуглами. Сильная зависимость от зенитного угла объясняется отчасти тем, чтоэнергия быстрого электрона, движущегося под большим зенитным углом, будетраспределяться по горизонтальной площади, которая пропорциональна секансузенитного угла. К примеру, в образовании ионизации на больших высотах наиболееэффективны электроны, входящие в атмосферу под зенитным углом 60*.

Донекоторой степени является неожиданным отсутствие зависимости максимума высотыионизации от первоначального питч-угла электронов в отличие то подобныхвариаций, наблюдаемых в ионосферном слое, образованным солнечным излучением.Причина кажущегося постоянства максимума, заключается в том, что: а) вследствиенебольшого отношения сечений упругих и неупругих столкновений энергичныеэлектроны сильно отклоняются от начального направления движения задолго дотого, как поглотятся и б) возможные незначительные различия в высоте максимуматрудно обнаружить из-за  большого градиента плотности нейтральной атмосферы.

Итак,можно сделать вывод, что максимальны вклад в ионизацию нижнего слоя Dионосферы, дают электроны, входящие в атмосферу  в вертикальном направлении.Теперь оценим волновое взаимодействие.

Распространяясьв магнитосферу, гидромагнитная волна взаимодействует с частицами, заставляя ихпри некоторых условиях высыпаться. Можно предложить два варианта передачи этойэнергии частицам. В первом варианте волна меняет магнитное поле в силовойтрубке, модулируя поток энергичных частиц. Во втором – происходит ускорение«холодных» частиц в продольном электрическом поле волны.

Случаи«быстрой изотропизации», «модуляции инкремента нарастания силовой моды» и«модуляции потоков высокоэнергичных частиц» (все случаи описаны выше) способнывызвать только 10 –20 %-ную модуляцию потоков частиц. Следует отметитьсвоеобразие случая «модуляции высокоэнергичных частиц». Несмотря на почтиполное отсутствие взаимодействия колеблющейся трубки с высокоэнергичнымичастицами, высыпающийся поток испытывает довольно сильную модуляцию. Частицыбольших энергий будут протекать через трубку, почти не реагируя на ееколебания. Можно считать, что магнитная силовая трубка колеблется нанеподвижном фоне энергичных частиц. Колеблющаяся трубка, подобно зонду, будетпроектировать в свое основание частицы из разных областей ионосферы.

Израссмотренного видно, что более весомый вклад в ионизацию нижних слоевионосферы дает корпускулярное взаимодействие, но и волновым взаимодействием нестоит пренебрегать; так как в первом случае частицы высыпаются из радиационногопояса под углом близким к 0* (давая максимальную ионизацию), а во втором –частицы модулируются из различных слоев ионосферы под различными углами (неимея яркой зависимости от угла вхождения в атмосферу).

(Самыйбольшой вклад в ионизацию верхней атмосферы дают высокоэнергичные электроны,высыпающиеся вертикально, или близко к 0*.)

Заключение.

Рассмотревнекоторые из видов ионосферно-магнитосферных взаимодействий, можно сделатьвывод, что взаимодействие происходит, по крайней мере, по двум каналам:волновому и корпускулярному. Оба вида взаимодействий достаточно подробно былирассмотрены.

Высыпаниеэнергичных частиц в ионосферу на средних широтах требует особых условий. Такихкак: высокая энергия, которой должна обладать частица, малый питч-угол, чтобыиметь возможность вырваться из магнитной силовой трубки, или необходимы сильныевозмущения магнитных силовых линий, вдоль которых движутся частицы вмагнитосфере. Такие высыпания редки

Чтобывызвать такие высыпания искусственно, необходимо излучить в ионосферурадиоимпульс большой мощности.

Подобныевысыпания дополнительно локально ионизируют верхние слои атмосферы, увеличиваястепень неоднородности. Такие события не слишком благоприятно влияют напрохождение и отражение радиоволн, так как в ионосфере появляютсядополнительные неоднородности, искажающие фазовый фронт волны.

В даннойкурсовой работе проведены исследования методов изучения взаимодействияэнергичных частиц с нижними слоями ионосферы. Сделаны оценки взаимодействийразличных частиц (отдельно электронов и протонов) с ионосферой; такжерассмотрены причины их высыпаний и следствия в зависимости от параметровчастицы и волны, которая взаимодействует с такой частицей. Это может бытьглубина проникновения, степень ионизации от энергии частицы, ее питч-угла, илиже от вида этой частицы (протон или электрон0

Представленныев данной работе методы исследования высыпаний энергичных частиц – далеко небольшая часть из всех существующих. Здесь были рассмотрены только самыеосновные.

Литература.

1.  ЛибовР. Введение в теорию кинетических уравнений. –М,: Мир, 1974. – 371 с.

2.  ЛяцкийВ.Б., Мальцев Ю.П. Магнитосферно-ионосферное взаимодействие. –М.: Наука, 1988 –192 с.

3.  Полярнаяверхняя атмосфера. –М,: Мир, 1983 – 456 с.

4.  Хир К.Статистическая механика, кинетическая теория и стохастические процессы. –М,:Наука 1988 – 600 с,

5.   Космическая геофизика.–М,: Мир, 1976 – 544 с.

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике