»сследование реакции нижней ионосферы на высыпание энергичных частиц из радиационных по€сов «емли

 


”ƒ . 550.338.2

ћинистерство образовани€ ”краины

’арьковский √осударственный ”ниверситет

–адиофизический факультет

 афедра космической радиофизики

 урсова€ работа

»сследование реакции нижней ионосферы на высыпание энергичных частиц из радиационных по€сов «емли

–уководитель, кандидат физико- математических наук ¬.“.–озуменко

»сполнил, студент группы ––- 46

¬.ё.“олстолуцкий

’арьков 1998

”ƒ . 550.338.2

–еферат.

»сследование реакции нижней ионосферы на высыпание энергичных частиц из радиационных по€сов «емли

“олстолуцкий ¬. ё., курсова€ работа, ’арьков, ’√”, кафедра космической радиофизики; содержит 28 страниц, 11 рисунков.

¬ данной курсовой работе сделан обзор теоретических методов исследовани€ высыпани€ энергичных электронов на средних широтах и реакци€ нижней ионосферы на такие высыпани€ в зависимости от параметров частиц.
–ассмотрены некоторые виды взаимодействи€ ионосферы с магнитосферой, и высыпание частиц как результат такого взаимодействи€. “акже рассмотрены некоторые виды взаимодействий волна Ц частица и, как результат, изменение параметров энергичных частиц или же их высыпание. —деланы оценки параметров частиц (электронов или протонов), высыпающихс€ на средних широтах.

 лючевые слова: высыпание, энергичные частицы, электрон, протон, нижний D слой ионосферы, рассе€ние энергии, модул€ци€ потоков частиц, кинетический метод, гидродинамический метод.

—одержание.


¬едениеЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ
ЕЕЕЕ.3
1. ќценки параметров энергичных электронов и протонов, которые высыпаютс€ на средних широтах

(обзор);ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.4

1.1 јнализ отдельных случаев:ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..7

1.1.1. явление, св€занное с волнами типа свистов;ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ...7

1.1.2. явление, св€занное с электромагнитной ионно- циклотронной волной;ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..7

1.1.3. явление, св€занное с электростатической ионно- циклотронной волнойЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.7
2. »зучение кинетических методов исследовани€:ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..10

2.1.

Ёлектроны:ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..

10

2.1.1. ѕотер€ энергии и рассе€ние;ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..10

2.1.2. ќбратное рассе€ние энергичных электронов атмосферой;ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ

ЕЕЕЕЕЕЕ.12

2.1.3.ѕоглощение высокоэнергичных электронов в атмосфере;ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ

ЕЕЕЕЕЕЕЕ12

2.2.

ѕротоныЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..

16
3. »зучение гидродинамических методов исследовани€;ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.21

3.1. ћодул€ци€ потоков энергичных частиц гидромагнитными волнами;ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ

ЕЕЕЕЕЕЕЕ.21

3.1.1. —лучай быстрой изотропизации;ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.21

3.1.2. —лучай сохранени€ адиабатических инвариантов;ЕЕЕЕЕЕЕ.22

3.1.3. ћодул€ци€ инкремента нарастани€ свистовой моды;ЕЕЕ..22

3.1.4. ћодул€ци€ потоков высокоэнергичных частицЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..23

3.2. ѕродольные электрические пол€ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..24
4. “еоретические оценки эффектов в нижней ионосфереЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ25

«аключениеЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ
ЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.27

ЋитератураЕ.ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ
ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..28

¬ведение.

¬ насто€щее врем€ надежно установлено, что «емл€ и ее магнитное поле погружены в непрерывно текущий поток плазмы солнечного происхождени€ Ц солнечный ветер. —олнечный ветер, который представл€ет собой расширение солнечной короны со сверхзвуковой скоростью, несет с собой в космическое пространство магнитное поле —олнца. ћагнитное поле «емли взаимодействует с плазмой солнечного ветра, и на геоцентрическом рассто€нии примерно [pic] между «емлей и —олнцем образуетс€ ударный фронт. ќсновной поток солнечного ветра обтекает «емлю и уносит геомагнитное поле в длинный магнитный хвост.
—ледовательно, «емл€ окружена магнитной полостью Ц магнитосферой, строение и свойства которой определ€ютс€ главным образом магнитным полем земли и токами, генерируемыми солнечным ветром. —читают, что частицы солнечного ветра попадают в атмосферу либо через магнитный хвост, либо через пол€рные каспы с низкой напр€женностью магнитного пол€, расположенные на дневной стороне «емли.  ак известно в магнитосфере протекает множество физических процессов. ћногие из них, косвенно св€занные с такими давно известными €влени€ми, как пол€рные си€ни€ (высыпание частиц в пол€рных широтах), и магнитные бури, пр€мо или косвенно обусловлены взаимодействием солнечного ветра и магнитосферы «емли.
„тобы узнать как взаимодействуют магнитосфера и ионосфера необходимо изучить все, или хот€ бы основные, происход€щие процессы. ƒл€ этого следует вначале предположить (грубое предположение), что ионосфера и магнитосфера существуют независимо друг от друга, и изучить их по отдельности. «атем можно предположить, что некоторые процессы в ионосфере €вл€ютс€ следствием некоторых процессов в магнитосфере (или наоборот). “. е., в принципе следует изучать магнитосферу и ионосферу как две сильно св€занные системы.
Ѕыло сделано предположение о двух видах взаимодействи€: корпускул€рном и волновом. ѕервый процесс происходит Ђсверху внизї: т.е. частицы, высыпа€сь из радиационных по€сов магнитосферы воздействуют на ионосферу. ¬торой Ц может осуществл€тьс€ как Ђснизу вверхї, так и при помощи различных внешних факторов (к примеру Ц солнечный ветер). „астым результатом такого процесса €вл€етс€ высыпание частиц в атмосферу «емли. ¬ысыпани€ могут быть совершенно различными, как по энерги€м, так и по углам вхождени€ в атмосферу. ¬ысыпани€ различают также по типу частиц: протоны или электроны.
ќтметим, что результаты высыпаний электронов и протонов (степень ионизации и глубина проникновени€) с одинаковыми энерги€ми и углами вхождени€ будут различными.
¬ данной работе будет рассмотрено взаимодействие магнитосферы «емли посредством различных типов волн с частицами, наход€щимис€ в радиационном по€се в зависимости от параметров взаимодействующих волн и частиц. “акже будет рассмотрено высыпание различных частиц. Ќо здесь будет рассмотрено лишь несколько видов взаимодействий высыпающихс€ частиц с атмосферой. “ак как высыпаютс€ не только электроны, но и протоны, то процессы, происход€щие при этом, будут различны. Ќапример, эффективность ионизации зависит не только от энергии частиц, но и от начальных углов, под которыми вход€т частицы. —уществует также высотна€ зависимость степени ионизации от энергии частиц, причем дл€ различных частиц сво€.

1. ќценки параметров энергичных электронов и протонов, которые высыпаютс€ на средних широтах.

(¬ данной главе рассмотрены различные случаи высыпаний высокоэнергичных частиц под воздействием различных типов волн: свистов и ионно-циклотронных)

¬о врем€ геомагнитных возмущений высыпание энергичных электронов из радиационных по€сов «емли может быть основным источником притока энергии дл€ ионизации среднеширотной мезосферы. ќдин особенно интенсивный тип высыпаний Ц это случаи высыпани€ рел€тивистских электронов (¬–Ё), которые характеризуютс€ чрезвычайно высокой энергией электронов (>100 кэ¬) вблизи верхнего предела, определ€емого сильной диффузией по питч-углу. “акие событи€ были сначала отождествлены по поглощению рассе€нных вперед радиосигналов, св€занных с резко выраженным возрастанием ионизации в области D. ѕоследующие исследовани€ радиоволн позволили установить общую метеорологию таких €влений и четко указали на пр€мую св€зь их с активностью суббурь. ќднако количественна€ оценка вводимой при таких событи€х энергии электронов и ее воздействие на среднюю атмосферу требует пр€мых ракетных или спутниковых наблюдений. Ѕыли запущены детекторы, способные измер€ть энергетический спектр и распределение по питч-углам электронов с разрешением, необходимым дл€ точных модельных исследований реакции атмосферы. ѕредставленные здесь результаты дают достаточно детальный обзор случаев интенсивных ¬–Ё, полученных пр€мым исследованием данных со спутника за 14 мес€цев.

¬ажный результат, полученный при анализе данных спутника, состоит в том, что электроны высокой энергии(>100 кэ¬) часто оказываютс€ ограниченными зоной с рассе€нием в режиме сильной диффузии, котора€, как правило, совпадает с районом высыпани€ ионов в том же режиме. ¬се (за исключением семи) из 313 случаев, интенсивных ¬–Ё обнаруживают такую взаимосв€зь. Ёта особенность ¬–Ё позвол€ет предположить наличие единого процесса рассе€ни€, что необходимо учитывать при отборе потенциально возможных механизмов электронного высыпани€. ¬ы€влены три достаточно четко различающихс€ типа высыпаний электронов высокой энергии.  аждый тип может быть св€зан с данным рассе€нием электронов известными магнитосферными плазменными волнами.

ѕри адиабатических услови€х энергичные электроны могут совершать колебательное движение между магнитными Ђзеркальнымиї точками в неоднородном магнитном поле. „астицы будут зеркально отражатьс€ над атмосферой, и, таким образом, €вл€ютс€ захваченными. „астицы, оказавшиес€ в конусе потерь, высыпаютс€ в атмосферу и гибнут. ƒл€ электронов и ионов высокой энергии во внешнем радиационном по€се наиболее эффективным механизмом рассе€ни€ по питч-углам предполагает существование резонансных взаимодействий с естественными плазменными волнами в магнитосфере, что приводит к доплеровскому смещению частоты на величину, кратную рел€тивистской гирочастоте.

–езонанс с электронами требует большого доплеровского смещени€ (или высоких скоростей электронов) и энергии

[pic]. (1)
»оны дл€ резонанса должны иметь энергию:

[pic] (2)

Ќа основании теоретических аргументов можно предположить, что ионно- циклотронные волны легче всего генерируютс€ внутри плазмосферы, имеющей высокую плотность плазмы, или в пределах отделившихс€ от плазмосферы плазменных областей, в которых. ≈м=0.3-10 кэ¬. ѕоэтому резонансные энергии электронов должны располагатьс€ в ультрарел€тивистской области (0,5
Ц50 ћэ¬), в то врем€ как резонансна€ энерги€ ионов равна 1 Ц1000 кэ¬.

»онно-циклотронные волны наблюдались преимущественно в вечернем секторе магнитосферы с типичным значением максимальной амплитуды в несколько гамм. Ќа основании рис. 1 (1) можно заключить, что этого достаточно дл€ вовлечени€ резонансных ионов и высокоэнергичных электронов в режим сильной диффузии.

–ис. 1 ћинимальные амплитуды флуктуирующих электрического и магнитного полей, необходимые дл€ рассе€ни€ протонов (+) или электронов (-) в режиме сильной диффузии на L=6. ѕри других значени€х L необходимые амплитуды измен€ютс€ как [pic].


ќднако, за исключением случаев, когда плотность плазмы очень велика, резонансные энергии электронов будут лежать заведомо выше 1 ћэ¬.

„исто электростатические волны наблюдались во внешней магнитосфере в частотных полосах, центрированных между гармониками электронной гирочастоты. »х часто называют верхними гибридными волнами.  ак правило, волны пол€ризованы, причем волновой вектор k почти перпендикул€рен к вектору магнитного пол€ B , и продольна€ составл€юща€ волнового вектора k сравнима с величиной обратного ларморовского радиуса гор€чих электронов плазменного сло€. “ипичные значени€ резонансных энергий электронов составл€ют несколько кэ¬. ¬ самом деле, такие волны неэффективны при рассе€нии высокоэнергичных электронов.

1.1. јнализ отдельных случаев.

1.1.1. явление, св€занное с волнами типа свистов. ѕервоначально анализ был ограничен поиском рассе€ни€ в режиме сильной диффузии электронов с энерги€ми выше 235 кэ¬. ¬еро€тно, в силу жесткости этого критери€ удалось вы€вить только семь случаев, которые можно было отнести к рассе€нию, св€занному со свистовыми волнами. ¬о всех случа€х они относились к позднему утреннему сектору, где по€вление хоров максимально. –ассе€ние наиболее значительно в самом низкоэнергичном (33 кэ¬) канале, ослабева€ при переходе к более высоким энерги€м. Ќе обнаружено никакого одновременного высыпани€ ионов.

1.1.2. явление, св€занное с электромагнитной ионно-циклотронной волной. ¬ данных за 14 мес€цев только четыре событи€ удовлетвор€ют критерию, определ€ющему рассе€ние электронов электромагнитными ионно- циклотронными волнами. ¬се они наблюдались на малых L вблизи вечернего меридиана, где такие волны предпочтительно возбуждаютс€. Ќе наблюдалось никакого высыпани€ электронов при энерги€х ниже 160 кэ¬. ѕри 235 кэ¬ имеютс€ данные, что конус потерь частиц частично заполнен. ѕо мере увеличени€ энергии электронов интенсивность рассе€ни€ прогрессивно растет, достига€ уровн€ рассе€ни€ в режиме сильной диффузии на энерги€х более 850 кэ¬. ќграниченна€ по широте область высыпани€ рел€тивистских электронов погружена в более широкую зону высыпани€ ионов в режиме сильной диффузии.

1.1.3. явление, св€занное с электростатической ионно-циклотронной волной. Ѕольша€ часть (302 случа€) вы€вленных событий имеет особенность, характерную дл€ рассе€ни€ частиц электростатическими ионно-циклотронными волнами: широкий интервал энергий изотропного потока высыпающихс€ электронов, сопровождающихс€ высыпанием ионов в режиме сильной диффузии.
 ак правило, такие высыпани€ имеют место вблизи верхнего предела значений L дл€ области захваченных энергичных электронов, однако, заведомо в пределах внешней границы захвата, св€занной с переходом в область незамкнутых геомагнитных силовых линий пол€рной шапки. “акие событи€ сильно преобладают на ночной стороне в пределах интервала широт, характерного дл€ овала пол€рных си€ний (рис 2) (1). Ёто согласуетс€ с процессом паразитного рассе€ни€ высокоэнергичных электронов, которые перенос€тс€ градиентным дрейфом в зону посто€нно существующей сильной турбулентности, св€занной с ионными модами, на широтах ночного сектора овала пол€рных си€ний. —мещение к экватору области высыпаний рел€тивистских электронов во врем€ возмущений согласуетс€ с установленным смещением овала пол€рных си€ний во врем€ суббурь.
»так, осаждение энергичных электронов в атмосферу может быть как основным источником ионизации области D , так и привести к образованию добавочного количества молекул водорода и азота, которые, как известно, могут выполн€ть роль разрушающих озон катализаторов на высотах средней атмосферы. ¬ результате возрастани€ количества водорода чрезвычайно жесткие по энерги€м и интенсивные ¬–Ё, описанные выше, могут привести к локальному уменьшению озона (~30 %) в мезосфере на субавроральных широтах. ѕри наблюдаемой 5 Ц 10
% частоте по€влений подобные событи€ станов€тс€ также основным источником в течение года окиси азота в субавроральной мезосфере, и их воздействие может быть существенным даже в верхней стратосфере. Ѕолее того, поскольку наш анализ данных спутника ограничен небольшим числом типов событий, характеризующихс€ наличием режима сильной диффузии в высыпании рел€тивистских (> 230 кэ¬) частиц, приведенные выше оценки сопутствующих атмосферных эффектов €вл€етс€ весьма умеренными. —обыти€ в режиме слабой диффузии, а также событи€ с участием электронов меньших энергий, происход€т гораздо чаще, и станов€тс€ существенными эффекты постепенного накоплени€.
–еальность этого предположени€ подтверждена экспериментами.
(ќсновным источником энергии ионизации D сло€ ионосферы €вл€ютс€ энергичные частицы: электроны и протоны.)


–ис 2. ќбща€ морфологи€ ¬–Ё, наблюдаемых на спутнике S3-3 в периоды средних

(A20) возмущений. ќтмечены событи€, св€занные с рассе€нием на свистовых ([pic]) и электромагнитных ионно-циклотронных

([pic]) волнах. ¬се остальные событи€ относ€тс€ к рассе€нию электростатическими ионно-циклотронными волнами.

2.»зучение кинетических методов исследовани€.

(«десь будут рассмотрены воздействие высокоэнергичных частиц, высыпающихс€ из магнитосферы, и ионосферы в кинетическом рассмотрении, т.е. без учета плазменных волн или колебаний магнитной силовой трубки.)
¬заимодействие между магнитосферой и ионосферой происходит по двум каналам, один из которых можно назвать корпускул€рным, св€занный с вторжением энергичных частиц, а другой Ц волновым, осуществл€ющим передачу электрических полей и продольных токов. —начала рассмотрим первый.
Ќекоторое количество протонов и электронов, захваченных на силовой линии геомагнитного пол€, будут иметь зеркальные точки в атмосфере на высоте не менее 100 км. ѕроникающие в атмосферу частицы сталкиваютс€ с атомами и молекулами атмосферы и постепенно отдают свою энергию нейтральным атомам и молекулам. √лавным стоком энергичных зар€женных частиц магнитосферы €вл€етс€ атмосфера, по крайней мере, в области, характеризующейс€ высокими значени€ми L (например, L>5).
«ар€женные частицы при вторжении испытывают р€д упругих и неупругих столкновений с атомами и молекулами атмосферы. ќни постепенно расходуют свою энергию: а) на ионизацию и возбуждение нейтральных частиц воздуха и б) на излучение энергии при ускорении в кулоновском поле атомных €дер
(тормозное рентгеновское излучение). ƒл€ частиц низких энергий (т.е. электронов с энерги€ми 500 э¬)

–ис. 3. √лубина проникновени€ частиц при вертикальном вхождении в атмосферу

«емли.

около 90 э¬. Ёта энерги€ сообщаетс€ св€занному электрону, который оторветс€ от исходного атома с энергией, достаточно высокой, чтобы ионизовать еще два атома.
—редний атомный номер в верхней атмосфере равен 7,3, при этом предполагаетс€, что относительное содержание молекул кислорода и азота составл€ет 3:7.  роме того, что сечение рассе€ни€ двухатомной молекулы вдвое больше, чем сечение одного атома (что не всегда справедливо).
—корость потери энергии в воздухе показана на рис. 4 (2). ѕо этим данным можно установить остаточный пробег электрона с данной энергией W , определ€емый формулой:

[pic]. (3)
≈сли отклонени€ траектории электрона, вызванные упругими столкновени€ми, были незначительными, по формуле (3.) легко определить полную глубину проникновени€. Ќо траектори€ электрона сильно отличаетс€ от пр€мой линии, поэтому в общем случае решить эту задачу аналитически очень трудно, и только в нескольких численных решени€х полностью учтены эффекты сложного движени€ электронов.
ќтклонени€ траектории электрона обусловлены главным образом упругими столкновени€ми с атомами атмосферы (т.е. кулоновским рассе€нием). —ечени€ упругих и неупругих столкновений достаточно хорошо известны вплоть до энергий, превышающих несколько кэ¬. »звестно, что на каждое неупругое столкновение электрона приходитс€ от 5 до 10 упругих столкновений. ≈сли средн€€ потер€ энергии на одно неупругое столкновение составл€ет около сотни э¬. “о электрон должен испытывать приблизительно 100 упругих столкновений, прежде чем потер€ энергии достигнет 1 кэ¬. —ледовательно, с начальной энергией около 50 кэ¬ Ђзабудетї об исходном направлении своего движени€ задолго до того, как он остановитс€, даже если средний угол рассе€ни€ при каждом упругом столкновении мал. ¬се вычислени€ основаны на предположении о горизонтальной стратификации атмосферы и о вертикальном расположении силовых линий геомагнитного пол€ (что достаточно хорошо выполн€етс€ на высоких широтах).
—начала наход€т траекторию электрона. ¬ыбираютс€ три произвольных параметра, которые дают: а) рассто€ние, проходимое до следующего упругого или неупругого соударени€; и б) направление движени€ после столкновени€.
–аспределение этих трех произвольных чисел определ€етс€ сочетани€ми, представленными на рис. 5 (2).
ѕроцесс продолжаетс€ до тех пор, пока: а) первичный электрон не израсходует всю свою энергию или; б) электрон не уйдет из атмосферы как электрон альбедо. „тобы получить статистически достоверные результаты, необходимо рассмотреть достаточно большое число первичных электронов, больше чем 10 000.
2.1.2. ќбратное рассе€ние энергичных электронов атмосферой. Ёлектроны альбедо не дают существенного вклада в ионизацию верхней атмосферы, поэтому дл€ количественного сопоставлени€ ионосферных процессов и потоков частиц над атмосферой важно знать, кака€ часть вторгающихс€ электронов отражаетс€ атмосферой.  оэффициент отражени€ не зависит существенно от энергии. ќднако средн€€ потер€ энергии дл€ электронов альбедо существенно измен€етс€ с изменением угла вхождени€ в атмосферу от 30 до 10 % дл€ электронов с первоначальными питч-углами 30 и 80* соответственно.
2.1.3. ѕоглощение высокоэнергичных электронов в атмосфере. ¬ли€ние атмосферного рассе€ни€ на пучок моноэнергетических электронов приведено на рис. 6,(2), где показано вертикальное ослабление пучка электронов, первоначально имеющих одно и тоже направление, с энергией 50 кэ¬, вход€щего в атмосферу под углом 55*.Ёлектроны, прежде чем успеют израсходовать всю свою энергию, проникают до высоты 80 км, но уже на высоте 150 км пучок обнаруживает значительное угловое расширение. ”ширение пучка еще €снее видно на высоте 100 км, где начинаетс€ уменьшение энергии электронов. Ќа высоте 90 км Ђнепоглощенныеї электроны можно наблюдать только в направлении, близком к вертикальному, в то врем€ как малоэнергичные электроны имеют очень широкое распределение по углам. Ќа основании этого приема модно заключить, что энергетический спектр первоначально параллельного и моноэнергетического пучка электронов, который рассе€лс€ и поглотилс€ в атмосфере, имеет очень сложные питч-уговое и высотное распределени€. »зотропные потоки электронов наблюдаютс€ только при самых низких энерги€х почти в конце траектории, т.е. между 80 и 85 км дл€

–ис. 4. ’арактерные потери энергии дл€ электронов в воздухе.

–ис. 5 ѕолное сечение дифференциального рассе€ни€ электронов с энерги€ми от

1 до 500 кэ¬.

–ис. 6. ”гловое распределение рассе€нных электронов (W0=50 кэ¬, угол вхождени€ 55*) в интервалах энергий: а) 44 Ц 54 кэ¬, б) 36 Ц 44 кэ¬, в) 30

Ц 36 кэ¬, г) 17 Ц 30 кэ¬.

использованных в данном приеме электронов. ѕри тщательном анализе данных, представленных на рис. 6, (2), видны очень незначительные высотные вариации в потоках электронов альбедо (на высоте более 100 км). —ледовательно, рассе€ние, заставл€ющее возвращатьс€ электроны назад в космическое пространство, имеет место почти в конце траектории.
ќграничимс€ тем, что представим высотный профиль потери энергии дл€ первичных электронов некоторых энергий и нескольких углов входа их в атмосферу.
«ависимость высотных профилей потери энергии электронов с энергией 6 и 50 кэ¬ от угла падени€ показана на рис. 7 и 8 (2) соответственно. Ёлектроны, пересекающие атмосферу в почти вертикальном направлении, создают максимум ионизации, который в 100 Ц 1000 раз больше максимума, вызванного электронами, вход€щими в атмосферу под большими зенитными углами. —ильна€ зависимость от зенитного угла объ€сн€етс€ отчасти тем, что энерги€ быстрого электрона, движущегос€ под большим зенитным углом, будет распредел€тьс€ по горизонтальной площади, котора€ пропорциональна секансу зенитного угла.
ќднако более существенны значительные вариации потока электронов альбедо в зависимости от питч-углов.
¬ образовании ионизации на больших высотах наиболее эффективны электроны, вход€щие в атмосферу под зенитным углом 60*. явл€етс€ до некоторой степени неожиданным отсутствие зависимости максимума высоты от первоначального питч- угла электронов в отличие то подобных вариаций, наблюдаемых в ионосферном слое, образованным солнечным излучением. ѕричина кажущегос€ посто€нства максимума, заключаетс€ в том, что: а) вследствие небольшого отношени€ сечений упругих и неупругих столкновений энергичные электроны сильно отклон€ютс€ от начального направлени€ движени€ задолго до того, как поглот€тс€ и б) возможные незначительные различи€ в высоте максимума трудно обнаружить из-за большого градиента плотности нейтральной атмосферы.

2.2. ѕротоны.
¬торжение энергичных протонов вызывает ионизацию и возбуждение в верхних сло€х атмосферы в основном тем же путем, что и вторжение электронов.
ќднако, облада€ большой массой, они почти не испытывают сколько-нибудь заметных отклонений при столкновении с атомами атмосферы. “аким образом, в первом приближении можно полагать, что угол между вектором локального магнитного пол€ и вектором скорости протона остаетс€ посто€нным в рассеивающей среде, по мере того как скорость протона постепенно уменьшаетс€.
ѕроблема вычислени€ диссипации энергии протона могла бы показатьс€ тривиальной, если бы не процесс перезар€дки. ѕо мере проникновени€ во внешнюю область атмосферы протоны выбивают св€занные электроны из атомов.
Ёффективные сечени€ перезар€дки водорода и кислорода почти одинаковы, но втора€ более важна, так как содержание кислорода на несколько пор€дков величины превосходит содержание водорода.

ќсновной эффект процесса перезар€дки заключаетс€ в том, что вторгающиес€ протоны распредел€ютс€ по большой горизонтальной площади. »онизированный атом водорода направл€етс€ магнитным полем, тогда как нейтральный атом может двигатьс€ на большие рассто€ни€, не испытыва€ воздействи€ пол€.
¬ажность процесса перезар€дки усиливаетс€ тем фактором, что средн€€ длина свободного пробега нейтрального водорода с энергией 5 кэ¬ до перезар€дки на высотах от 150 до 500 км возрастает в 5 Ц 20 раз по сравнению с длиной свободного пробега протона с той же энергией. —ледовательно, атом водорода пребывает большую часть времени в нейтральном состо€нии. ѕервоначально узкий пучок протонов может быть Ђразмазанї вследствие процессов перезар€дки по большому интервалу широт.
»з-за процесса перезар€дки проблема вычислени€ диссипации пучка становитс€ двумерной. “олько когда вторжение протонов происходит на большой горизонтальной площади, св€зь энергетического спектра частиц с вертикальным профилем потерь энергии имеет смысл. ¬ этом случае можно не учитывать процесс перезар€дки, поскольку эффективные сечени€ столкновений дл€ нейтрального водорода и протонов почти одинаковы.
√лубина проникновени€ в атмосферу протонов различных энергий показана на рис. 9 (2). ѕоскольку упругие столкновени€ несущественны дл€ протонов средних энергий, глубина проникновени€ измен€етс€ в зависимости от угла вхождени€ в атмосферу, в противоположность тому, что происходит с энергичными электронами. ѕротон,
–ис. 7. ѕрофили скорости потери энергии дл€ электронов с Wо=6 кэ¬ и углом падени€ Q.

–ис. 8. профили скорости потери энергии дл€ электронов с Wо=50 кэ¬.

–ис. 9. √лубина проникновени€ протонов в атмосферу в функции питч-угла.

вход€щий вертикально в атмосферу, проникает приблизительно на 20 км глубже, чем протон с зенитным углом 80*.
Ќа рис. 10 (2), представлены вертикальные профили скорости потери энергии первоначально изотропных моноэнергетических потоков протонов.
√оризонтальное рассе€ние, вызванное процессами перезар€дки, в вычислени€х не учитывалось. ¬ычислени€ основаны на коэффициентах поглощени€, приведенных на рис. 11 (2).
¬ысота максимальной потери энергии уменьшаетс€ от ~ 200 км до ~ 90 км, в то врем€ как энерги€ протонов возрастает от 1 до 1000 кэ¬. Ќовые модели атмосферы, возможно, каким-то образом уменьшать эти высоты, но маловеро€тно, чтобы в результате этого профили сместились более чем на 5 км.
¬следствие существовани€ градиента плотности в атмосфере Ђтолщинаї профилей потери энергии уменьшаетс€ с возрастанием энергии протонов, и к тому же максимум в профиле резко возрастает. —ледовательно, при изменении энергии протонов от 1 до 1000 кэ¬ максимальные потери энергии увеличиваютс€ в 60 000 раз.
(Ёлектроны и протоны по-разному ведут себ€, проника€ в ионосферу.
Ёлектроны, после небольшого числа столкновений, Ђзабываютї о своем первоначальном направлении. ѕротоны же, в процессе перезар€дки, проникают гораздо глубже, так как нейтральный атом не испытывает кулоновского рассе€ни€.)

–ис. 10. ѕрофили скорости потерь энергии протонов с начальной энергией Wо, кэ¬.

–ис. 11. —корость потери энергии дл€ протонов в воздухе в зависимости от энергии.

3.»зучение гидродинамических методов исследований.

(¬ этой главе будут рассмотрены различные типы взаимодействий волн с частицами.)
–ассмотрим другой канал св€зи Ц волновой, осуществл€ющий передачу электрических полей и продольных токов.
¬олновой канал настолько тесно св€зывает элементы магнитосферно- ионосферной системы, что можно говорить о единой электрической цепи, в которой почти любой процесс €вл€етс€ совместным продуктом магнитосферы и ионосферы. Ќекоторые из высыпаний, в частности дискретные дуги пол€рных си€ний, управл€ютс€ из ионосферы. ќбратна€ св€зь осуществл€етс€ посредством волнового канала. —хема обратной св€зи выгл€дит следующим образом.
¬торгающийс€ поток мен€ет проводимость ионосферы. ¬ присутствии внешнего электрического пол€ область мен€ющейс€ проводимости генерирует гидромагнитную волну, направленную геомагнитным полем. –аспростран€€сь в магнитосферу, гидромагнитна€ волна взаимодействует с частицами, заставл€€ их при некоторых услови€х высыпатьс€, (но пока не известен конкретный механизм взаимодействи€ гидромагнитной волны с частицами). ћожно предложить два варианта передачи этой энергии частицам. ¬ первом варианте волна мен€ет магнитное поле в силовой трубке, модулиру€ поток энергичных частиц. ¬о втором Ц происходит ускорение Ђхолодныхї частиц в продольном электрическом поле волны.

3.1. ћодул€ци€ потоков энергичных частиц гидромагнитными волнами.

ѕредположим, что существует фоновое высыпание частиц, обусловленное, например, диффузией в конус потерь. Ќайдем глубину модул€ции высыпающегос€ потока в зависимости от амплитуды геомагнитных пульсаций, которые можно св€зывать со сто€чей альвеновской волной, захваченной между магнитосопр€женными участками ионосфер различных полушарий. »звестно, что направл€емые альвеновские волны не сопровождаютс€ сжатием магнитного пол€.
ќднако, в неоднородном магнитном поле кажда€ колеблюща€с€ магнитна€ силова€ лини€ будет испытывать субстанциональные сжати€ и разрежени€. ћагнитное поле в такой колеблющейс€ трубке мен€етс€ по закону:
[pic], (4) где [pic] - колебательна€ скорость трубки. ѕлазма, вмороженна€ в трубку, колеблющуюс€ в меридиальной плоскости, испытывает периодическое нагревание и охлаждение, что приводит к вариаци€м частиц в трубке с периодом ее поперечных колебаний. ¬ариации потока частиц на уровне ионосферы существенно завис€т от характера изменений питч-углового распределени€ частиц. –ассмотрим четыре случа€, отличающихс€ характером изменени€ функции распределени€, а также энергией частиц. ¬начале найдем св€зь глубины модул€ции с амплитудой колебаний в экваториальной плоскости [pic], а затем с амплитудой пульсаций на поверхности «емли.
3.1.1. —лучай быстрой изотропизации. ќтносительное изменение потока может быть найдено из теоремы Ћиувилл€ и определ€етс€ выражением:
[pic]. (5) где [pic]- поток частиц в единице телесного угла и в единичном интервале энергий [pic], [pic]- возмущенные величины.
ѕоперечные радиальные колебани€ трубки сопровождаютс€ изменением ее объема. ѕредполага€ процесс адиабатическим, из уравнени€ адиабаты [pic] находим св€зь между изменением энергии частиц и изменени€ми объема:
[pic]. (6)
–ассмотрим первую гармонику колебаний. —читаем дл€ простоты, что объем трубки пропорционален [pic] ([pic] - геоцентрическое рассе€ние до трубы в экваториальной плоскости в радиусах «емли). »меем:


[pic]. (7)
ѕодставл€€ (7.3) и (7.4) в (7.2), получаем дл€ зависимости [pic]
[pic]. (8)
ѕоследнее равенство написано дл€ [pic], [pic].
3.1.2. —лучай сохранени€ адиабатических инвариантов. Ётот случай, веро€тно, реализуетс€ в спокойное врем€ вдали от €рких форм си€ний.
¬ысыпание частиц в ионосферу св€зано при этом с сокращением магнитных силовых линий в процессе стационарной конвекции магнитосферной плазмы. ’от€ с приближением магнитной силовой линии к «емле питч-углы зар€женных частиц увеличиваютс€, конус потерь увеличиваетс€ еще быстрее. ¬ысыпающийс€ поток примерно равен [pic], где [pic] и [pic]- концентраци€ частиц и скорость их радиального дрейфа в экваториальной плоскости. ћодул€ци€ потока имеет вид:
[pic]. (9)
√де [pic] - возмущение скорости, св€занное с гидромагнитной волной;
[pic]- частота волны; [pic] - радиус «емли. ѕолага€ частоту равной частоте резонансных колебаний магнитной трубки ([pic]), получаем:
[pic]. (10)

ѕоследнее равенство выполн€етс€ при характерных значени€х [pic] км/с и
[pic] км/с.
3.1.3. ћодул€ци€ инкремента нарастани€ свистовой моды. ѕредполагаетс€, что фоновое высыпание вызвано диффузией частиц в конус потерь из-за резонансного взаимодействи€ со свистовой модой. Ёта мода непрерывно генерируетс€ благодар€ анизотропии распределени€ электронов по питч-углам.
»нкремент нарастани€ свистовой моды зависит от внешнего магнитного пол€.
√идромагнитна€ волна, возмуща€ магнитное поле, измен€ет инкремент свистовой моды, что приводит к модул€ции коэффициента диффузии и, следовательно, к модул€ции высыпающегос€ потока. ¬ качестве гидромагнитной волны мы принимали магнитозвуковую. ќднако, как видно из формулы (4), направл€ема€ альвеновска€ волна в неоднородном поле также сопровождаетс€ субстанциональными изменени€ми магнитного пол€.
≈сли диффузи€ в конус потерь не слишком велика, высыпающийс€ поток равен:
[pic], (11) где [pic] - фоновый поток; [pic]- коэффициент анизотропии электронов по питч-углам; [pic]и [pic] -температуры электронов поперек и вдоль внешнего магнитного пол€; [pic] -амплитуда малых вариаций. ѕринима€ дл€ экваториальной плоскости [pic],[pic] и счита€ колебани€ малыми, получаем из (11) глубину модул€ции
[pic]. (12)
—равнение (12) с (8) показывает, что коэффициент анизотропии [pic] обеспечивает диффузию, промежуточную между сильной и слабой. ”меньшение приводит к уменьшению диффузии и к увеличению глубины модул€ции. ¬ данном случае глубина увеличиваетс€ за счет уменьшени€ фононовоо потока.
3.1.4. ћодул€ци€ потоков высокоэнергичных частиц. ѕри рассмотрении трех предыдущих случаев предполагалось, что частицы колеблютс€ вместе с магнитной трубкой. ѕри характерном диаметре трубки в экваториальной плоскости [pic] и периоде колебаний [pic]условие сохранени€ частиц в трубке выполн€етс€ дл€ энергий [pic]. „астицы больших энергий будут протекать через трубку (вследствие градиентного дрейфа), почти не реагиру€ на ее колебани€. ћожно считать, что магнитна€ силова€ трубка колеблетс€ на неподвижном фоне энергичных частиц.  олеблюща€с€ трубка, подобно зонду, будет проектировать в свое основание частицы из разных областей ионосферы.
ћагнитосфера заселена энергичными частицами неоднородно. ѕоэтому поток частиц, высыпающихс€ из трубки, будет флуктуировать. ѕолага€, что фоновый поток энергичных частиц мен€етс€ по закону:
[pic], (13) получаем глубину модул€ции:
[pic]. (14)
ѕоследнее равенство выполн€етс€ при характерных значени€х [pic], [pic],
[pic]. »зменение потока происходит в фазе или противофазе с [pic] может быть выражено через магнитное поле сто€чей альвеновской волны:
[pic], (15) где [pic]-северна€ компонента пол€ над ионосферой; [pic] и [pic] внешнее магнитное поле в экваториальной плоскости и на уровне ионосферы соответственно. ѕри выводе (15) предполагалось, что альвеновска€ скорость посто€нна вдоль силовой трубки, трубка совершает колебани€ на основной гармонике, концы трубки закреплены на ионосфере.
ѕоле [pic] не проникает ниже ионосферы, так как полностью экранируетс€ педерсеновскими токами. ѕод ионосферой чувствуетс€ магнитное возмущение
[pic], св€занное с холловскими токами:
[pic], (16) где [pic] и [pic] - проинтегрированные по высоте холловска€ и педерсеновска€ проводимости; поле [pic] считаетс€ положительным, если оно направлено на восток. ѕодставл€€ (16) в (15) и полага€ [pic], [pic] и
[pic], получаем:
[pic], (17) где выражено в н“л.
¬озвраща€сь к выражени€м (8), (10), (12) и (14), запишем с учетом (17) относительную вариацию потока:
[pic], (18) где величина коэффициента [pic]дл€ четырех рассмотренных случаев принимает соответственно решени€ [pic]; [pic] и [pic]. Ќаиболее благопри€тен дл€ модул€ции случай 2 (сохранение инвариантов); при амплитуде колебаний [pic] получаем в этом случае [pic]. —лучаи 1,3 и 4 способны вызвать только 10 Ц20
%-ную модул€цию потоков частиц. Ќапомним, что случай 1 (быстра€ изотропизаци€) дает нижний предел дл€ глубины модул€ции низкоэнергичных
(


”ƒ . 550.338.2 ћинистерство образовани€ ”краины ’арьковский √осударственный ”ниверситет –адиофизический факультет  афедра космической радиофизики  урсова€ рабо

Ѕольше работ по теме:

ѕредмет: –адиоэлектроника

“ип работы: –еферат

найти  

ѕќ»— 

Ќовости образовани€

 ќЌ“ј “Ќџ… EMAIL: MAIL@SKACHAT-REFERATY.RU

—качать реферат © 2018 | ѕользовательское соглашение

—качать      –еферат

ѕ–ќ‘≈——»ќЌјЋ№Ќјя ѕќћќў№ —“”ƒ≈Ќ“јћ