Реферат Отчет стр., рис., таблиц, список литературы 4 наименования
Скачать 0.6 Mb.
|
Введение: цель, задачи и результаты выполнения работ.Цель работ. Основной целью работы является исследование высыпаний релятивистских электронов по данным спутников различного назначения, проработка предложений по созданию аппаратуры для проведения мониторных наблюдений высыпаний релятивистских (0.5 – 10 МэВ) электронов и проработка возможности реализации эксперимента с этой аппаратурой на космических аппаратах и высотных аэростатах. Задачи работ. Основные задачи работ, выполняемых согласно техническому заданию (ТЗ) на научно-исследовательскую работу «Научно-методическая проработка проблемы высыпания релятивистских электронов из радиационных поясов и связанных с этим явлением изменения параметров атмосферы» на этапе 3 в 2008 г. заключались в: - анализе процессов ускорения и сброса энергичных электронов в процессе радиальной диффузии и взаимодействия с электромагнитными излучениями в динамической магнитосфере. - аналитическом исследовании физических процессов ускорения и сброса релятивистских электронов в атмосферу Земли. (пп. 2.2.5., 3.2.3. ТЗ) Результаты выполнения работ. В результате выполнения работ были получены новые научные знания, созданы новые программные средства решения поставленных научных задач: - проанализированы процессы ускорения и сброса энергичных электронов в процессе радиальной диффузии и взаимодействия с электромагнитными излучениями в динамической магнитосфере. - показано, что, несмотря на имеющиеся результаты, проблема транспорта, ускорения и потерь релятивистских электронов пока далека от своего окончательного решения, поэтому проведение исследований в данном направлении представляет значительный фундаментальный и практический интерес. - дан аналитический обзор физических процессов ускорения и сброса релятивистских электронов в атмосферу Земли. - получены свидетельства того, что интенсивность регистрируемых на геостационарной орбите электронов слабо зависит от интенсивности магнитной бури, при этом результаты измерений потоков релятивистских электронов на дрейфовых оболочках, соответствующим малых значениям параметра L вблизи экваториальной плоскости имеют отрывочный характер, все экспериментальные подтверждения действия предложенных механизмов ускорения релятивистских электронов имеют косвенный характер; - показано, что решение проблемы ускорения релятивистских электронов в магнитосфере Земли требует проведения комплексных исследований, включающих измерения как потоков самих частиц и магнитного поля в различных областях магнитосферы, так и одновременные наблюдения УНЧ-ОНЧ волн в широком диапазоне частот, необходимо также измерять положение границы захвата частиц и границу проникновения солнечных космических лучей с целью определения параметров искажения геомагнитного поля. Гл. 1. Процессы ускорения и сброса энергичных электронов в процессе радиальной диффузии и взаимодействия с электромагнитными излучениями в динамической магнитосфере. §1.1. Проблема ускорения и сброса энергичных электронов в магнитосфере Земли. Проблема ускорения и сброса энергичных (с энергиями превышающими сотни кэВ) электронов в магнитосфере Земли приобрела особенную актуальность за последнее время в связи с участившимися сбоями спутниковой аппаратуры при воздействии больших потоков релятивистских электронов. Такое воздействие может приводить даже к выходу из строя спутников. Например, возрастание потоков энергичных электронов 10 января 1997 г. привело к выходу из строя спутника Telstar 401. Значительные потоки релятивистских электронов постоянно существуют в магнитосфере Земли и формируют электронные радиационные пояса (см. Рис. 1.1). Изучение природы высоких потоков релятивистских электронов в магнитосфере Земли началось с открытием в 1958 г. С.Н. Верновым, А.Е. Чудаковым, Е.В. Горчаковым, Ю.И. Логачёвым, П.В. Вакуловым внешнего радиационного пояса Земли (открытие № 23 в списке госрегистрации). Вариации потоков релятивистские электроны в магнитосфере Земли изучались на спутниках SAMPEX, Polar, GPS, CRRES, LANL, GOES, HEO и др. В России значительный прогресс в изучении релятивистских электронов был достигнут в результате измерений на спутниках серии КОРОНАС. Был достигнут определенный прогресс в понимании процессов ускорения и потерь энергичных электронов. Однако, проблема пока далека от своего решения. Решение проблемы в значительной степени усложняется в связи с отсутствием надежных данных многоспутниковых наблюдений в различных частях магнитосферы. Поэтому пока не создана модель, описывающая динамические вариации потоков релятивистских электронов в зависимости от параметров солнечного ветра и геомагнитной активности.  Рис. 1.1. Структура радиационных поясов Земли Электронные радиационные пояса (см. Рис. 1.2) состоят из частиц с энергиями от 100 кэВ до нескольких МэВ, захваченных геомагнитным полем Земли на геоцентрических расстояниях от 1.2 до примерно 8 RE (RE - радиус Земли). Энергичные электроны формируют два пояса – внутренний и внешний. Пояса, как правило, разделены областью зазора на геоцентрических расстояниях от 1.8 до 3 RE. Обычно предполагается, что причиной образования зазора между внешним и внутренним радиационными поясами является взаимодействие с плазмосферными шипениями на свистовой моде (Lyons et al., 1972; Albert, 1994; Meredith et al., 2007). Внутренний радиационный пояс относительно устойчив. Исследования на спутниках «Электрон» (1964) показали высокую изменчивость внешнего электронного радиационного пояса. Потоки во внешнем радиационным поясе могут изменяться на 3-4 порядка величины. Параметры внешнего пояса сильно варьируют в зависимости от геомагнитной активности. Результаты первых же наблюдений показали заметную асимметрию день-ночь (см. Рис. 1.2). Асимметрия день-ночь внешнего радиационного пояса связана с асимметрией магнитного поля Земли, магнитные силовые линии которого поджаты в дневные часы и вытянуты в ночные. На малых высотах большое влияние оказывают аномалии земного магнитного поля. Наиболее заметен эффект, связанный со сдвижкой земного магнитного диполя относительно центра Земли. Питч-угловое распределение электронов, как правило, анизотропно, что приводит к высотному ходу регистрируемых потоков частиц. В результате, в областях, где магнитное поле на данное высоте ослабевает, увеличиваются потоки регистрируемых электронов. На Рис.1.3 (Кузнецов и Тверская, 2007) приведены линии изологарифма интенсивности электронов с энергией Ее ~ 0.3–0.6 МэВ, полученные по результатам измерений на ИСЗ КОРОНАС-Ф на высоте ~ 500 км. Электроны внутреннего пояса регистрируется только в районе Бразильской аномалии. Электроны внешнего пояса регистрируются в узких полосах в северном и южном полушариях вокруг всей Земли и являются квазизахваченными частицами. Траектории движения таких частиц сильно зависят от питч-угла частицы. Частицы с питч-улами, близкими к 90 движутся по линиям постоянного магнитного поля (B = const) в экваториальной плоскости. При В Вcrit (Вcrit ~60 нТл в магнитоспокойных условиях) их траектории замкнуты внутри магнитосферы. При В Вcrit - выходят на магнитопаузу. Для частиц с большими питч-углами возникает эффект расщепления дрейфовых оболочек (Антонова и Шабанский, 1968) и они попадают в прикаспенные области с дневной стороны или в область каспа. По результатам измерений на спутнике Коронас-И граница потоков электронов регистрируется с ночной стороны на ~ 69 (L ~ 7.8), с дневной стороны – на ~ 77 (L ~ 21.6).  Рис. 1.2. Усредненное меридиональное распределение потоков электронов радиационных поясов Земли, полученное по данным ранних измерений (http://www.kosmofizika.ru).  Рис. 1.3. Результаты регистрации электронного радиационного пояса на спутнике Коронас-Ф на высоте 500 км (Кузнецов и Тверская, 2007) В течении длительного времени после первых наблюдений внешнего электронного радиационного пояса радиационные пояса изучались сравнительно мало. Интенсивное изучение поведения внешнего радиационного пояса во время магниной бури на западе началось с запуска спутника SAMPEX. Было показано, что если характерное время распада пояса составляет несколько суток, то время ускорения не превышает 1-2 дней. В результате в работах (Baker et al., 1994; Nakamura et al., 1998) был сделан вывод о том, что магнитносфера Земли является мощным ускорителем релятивистских электронов. По результатам наблюдений на спутнике SAMPEX были зарегистрированы всплесковые высыпания релятивистских электронов в начале магнитной бури. Данный эффект исследован в работах (Nakamura et al., 2000; Lorentzen et al., 2001; Blake et al., 2001). Радиационные пояса формируются в результате радиальной диффузии, локального ускорения и потерь. Каждый из этих процессов сравнительно слабо изучен, что связано как со сложностью теоретической задачи, так и с отсутствием достаточно подробной экспериментальной информации. Задача особенно усложняется в силу наблюдаемого высокого уровня турбулентности, как в солнечном ветре, так и в высокоширотной магнитосфере. Большие потоки релятивистских электронов формируются, в основном, на фазе восстановления магнитной бури. Такие потоки представляют серьезную опасность для аппаратуры на спутниках. Высыпания релятивистских электронов влияют на свойства верхней атмосферы, где они изменяют электротехнические и химические свойства стратосферы и мезосферы. Поэтому они могут рассматриваться в качестве одного из факторов, обуславливающих влияние солнечной активности на атмосферные процессы. В НИИЯФ МГУ накоплен определенный опыт в анализе процессов ускорения и сброса энергичных электронов в динамической магнитосфере, что позволяет провести критический анализ имеющихся экспериментальных данных и теоретических подходов, разрабатываемых с целью решения проблемы. §1.2. Ускорение релятивистских электронов. Вопрос об ускорении релятивистских электронов является составной частью проблемы геомагнитной активности, которая тесно связана с солнечной активностью. В данном обзоре не проводится комплексного рассмотрения проблемы геомагнитной активности. Поэтому ниже мы сосредоточим внимание на проблеме ускорения релятивистских электронов, отметив только, что данная проблема не может быть решена без комплексного анализа изменений магнитного поля (см. §2.3) и исследований влияния вариаций параметров солнечного ветра на внутримагнитосферные процессы. Возрастания потоков релятивистских электронов подразделяются на несколько типов. Первый тип связан с «ударным» ускорением и формированием нового радиационного пояса (например, событие 24 марта 1991 г.). В таких событиях электроны ускоряются за несколько минут. Второй тип связан с медленными нарастаниями потоков на фазе восстановления магнитной бури. Во время главной фазы бури наблюдается падение потоков электронов во внешнем радиационном поясе. На фазе восстановления большого числа бурь потоки первоначально восстанавливаются и далее через 1-3 дня достигают уровня, намного превышающего первоначальные потоки. Иногда потоки возрастают более чем на 2-3 порядка величины. Третий тип (микровсплески частиц) пока мало исследован и, в настоящее время, обычно связывается с быстрым ускорением при взаимодействии волна-частица. Рассматривался ряд источников, приводящих к заполнению внешнего радиационного пояса Земли. К наиболее ранним исследованиям относятся рассмотрение захвата частиц из межпланетной среды при смещениях магнитопаузы во время внезапных обжатий магнитосферы солнечным ветром (Тверской, 1964а). Большое число работ, начиная с наиболее ранних (Parker, 1960; Тверской, 1964б; Tverskoy, 1965; Nakada and Mead, 1965; Falthammar, 1965) посвящено формированию радиационных поясов в результате радиальной диффузии под действием нестационарных электрических полей. Еще в 1966 г. рассматривалось резонансное ускорение частиц под действием квазипериодических магнитных возмущений (Cladis, 1966). Большое число работ посвящено ускорению частиц индукционными электрическими полями, возникающими во время магнитосферных суббурь. К числу первых работ, в которых рассматривалось такое ускорение (механизм «магнитной рогатки»), относятся работы (Tverskoy, 1969; Lezniak and Winckler, 1970). В последнее время к наиболее популярным механизмам относятся механизмы ускорения при взаимодействии с волнами. Ниже вопрос о механизмах ускорения электронов до релятивистских энергий будет освящен более подробно. В отдельных событиях электроны могут ускоряться до релятивистских энергий во время мощных магнитосферных суббурь. В работе (Ingraham et al., 2001) было показано, что электроны были ускорены до релятивистских энергий во время магнитной бури 24 марта 1991 г. за время мощной суббури. Однако обычная суббуря может ускорить только несколько процентов потока релятивистских электронов, наблюдаемого после магнитной бури. В работе (Lezniak and Winckler, 1970) было показано, что суббури не являются эффективным источником релятивистских электронов. Надо отметить также, что увеличение потоков релятивистских электронов может возникать и в отсутствии больших возмущений магнитного поля. Ослабление магнитного поля в магнитосфере в результате развития кольцевого тока может свидетельствовать в пользу бетатронного механизма ускорения образующихся во время магнитосферных суббурь «затравочных» (“seed”) электронов с энергией ~ первых сотен кэВ до релятивистских скоростей при распаде кольцевого тока. Вопрос о возникновении «затравочных» электронов подробно обсуждался в работах (Baker et al., 1998a,b). Предполагалось, что электроны ускоряются во время суббурь до энергий 100-200 кэВ, а затем доускоряются до релятивистских энергий в результате взаимодействия с волнами (см. ниже). «Затравочные» электроны постоянно регистрируются во время магнитосферных суббурь. Во время магнитных бурь происходит инжекция в область, ослабленную кольцевым током (Вакулов и др., 1975). Поэтому при распаде кольцевого тока такие электроны должны испытывать дополнительное ускорение. Вопрос о роли адиабатических процессов ускорения до настоящего момента не проработан в должной мере. В работах (Kim and Chan, 1997; McAdams and Reeves, 2001) рассматривалось изменение потоков электронов во время фазы восстановления магнитной бури. Потоки электронов значительно превысили предбуревые потоки. В результате был сделан вывод о том, что адиабатические эффекты можно исключить при рассмотрении ускорения релятивистских электронов. При этом предполагалось, что суббуря является хвостовым явлением и не учитывалось суббуревое ускорение частиц на малых L. В работе (Kim and Chan, 1997) было проведено моделирование, показавшее, что во время магнитной бури с минимальной Dst ~ -100 нТ чисто адиабатический эффект может привести к падению потоков релятивистских электронов на 2 порядка величины. Откуда следует, что инжекция затравочной популяции может привести к появлению наблюдаемых потоков релятивистских электронов. Характерное время восстановления магнитного поля после бури варьирует от 1 часа до нескольких дней (см., например, Feldstein, 1992). Таким образом, быстрый распад кольцевого тока может обеспечить быстрое ускорение электронов до релятивистских энергий. Возможность такого ускорения обсуждалась в работах (Kim and Chan, 1997; McAdams and Reeves, 2001). Обсудим различные варианты волнового ускорения релятивистских электронов. В настоящее время, наиболее популярны механизмы резонансного взаимодействия с низкочастотными и свистовыми волнами. Близость положения плазмопаузы, на которой происходит каналирование свистовых волн, к положению максимума релятивистских электронов подтверждает возможность ускорения релятивистских электронов свистовыми волнами (в основном, хоровыми излучениями).. Следует отметить, что исследования в данном направлении ведутся с 1998 г. Турбулентное ускорение связывают с большим уровнем геомагнитной активности и, соответственно, с большими амплитудами флуктуаций магнитного поля в свистовых волнах. Одним из популярных механизмов ускорения релятивистских электронов является взаимодействие с низкочастотными (УНЧ) волнами (Baker et al., 1998b, Mathie and Mann, 2001; O’Brien et al., 2001; Green and Kivelson, 2001; Ozeke and Mann, 2008; Degeling et al., 2008). На эксперименте зафиксирована связь потоков релятивистских электронов с низкочастотными геомагнитными колебаниями с частотами ~2-10 мГц (УНЧ колебания в диапазоне Pc-5). Появление релятивистских электронов на геостационарной орбите хорошо коррелирует с возбуждением низкочастотных (1-10 мГц) геомагнитных пульсаций в диапазоне частот колебаний Pc-5 (O’Brien et al., 2003). УНЧ волны могут генерироваться при развитии неустойчивости Кельвина-Гельмольца на магнитопаузе. Эффект связан с большой разницей скорости плазмы в магнитослое вне магнитопаузы и внутри магнитосферы. Результаты наблюдений показывают (Engebretson et al., 1998), что мощность УНЧ излучений увеличивается при пересечении секторной структуры межпланетного магнитного поля. В работе (Rostoker et al., 1998) были рассмотрены рекуррентные возрастания потоков электронов с энергиями >2 МэВ, наблюдавшихся в течение 90 дней 1994 г. (март-май) по данным геостационарного спутника GOES-7. Сопоставление временной динамики потоков электронов с энергиями >2 МэВ с временной динамикой мощности Pc-5 пульсаций за период март-май 1994 г. показало, что быстрое и внезапное возрастание мощности Pc-5 пульсаций сопровождалось резким возрастанием потока релятивистских электронов. Был сделан вывод о действии механизма магнитной накачки. Возбуждение интенсивных Pc-5 пульсаций в утреннем секторе магнитосферы связывалось с развитием неустойчивости Кельвина-Гельмгольца на утренней стороне магнитопаузы под влиянием высокоскоростных потоков солнечного ветра. В работе (Freiedel et al., 2002) рассматривались корреляции релятивистских электронов с УНЧ колебаниями во время фазы восстановления магнитной бури. Было показано, что релятивистские электроны появляются, если УНЧ активность продолжается не менее 12 часов. В результате был выполнен ряд исследований возможности ускорения затравочных потоков электронов до релятивистских энергий УНЧ волнами. Одними из первых работ, выполненных в данном направлении была разработка модели рецеркулярного ускорения. В работе (Fujimoto and Nishida, 1990) предполагалось, что УНЧ волны приводят не только к радиальному транспорту в районе магнитного экватора, но также к быстрому радиальному транспорту на малых высотах. В данном сценарии электроны перескакивают с малых на большие L оболочки на малых высотах и диффундируют с больших на малые L в плоскости экватора. Модель встретилась с определенными трудностями и не получила экспериментального подтверждения. В работе (Liu et al., 1999) рассматривался механизм магнитной накачки в предположении глобальных осцилляций магнитосферы в диапазоне Pc4-5 при существовании сильной питч-угловой диффузии. Liu et al. (1999) анализировали ускорение электронов в результате рециркуляции. Характерное время ускорения составляло 2.5-5 часов. Ускорение релятивистских электронов при дрейфовом резонансе с УНЧ волнами рассматривалось в работах (Hudson et al., 1999; Elkington et al., 1999; Liu et al., 1999; Summers and Ma, 2000). Анализировалось резонансное взаимодействие электронов с энергиями в десятки кэВ с глобальными геомагнитными пульсациями в диапазоне Pc-5 во время азимутального дрейфа электронов в плоскости геомагнитного экватора. В работах (Dmitriev et al., 2001; Бахарева и Дмитриев, 2002) исследовалось статистическое альвеновское ускорение во внешних частях магнитосферы и было показано, что такое ускорение может быть эффективным в условиях турбулентного рассеяния электронов. Развитие мощных низкочастотных волн увеличивает коэффициент радиальной диффузии (Hudson et al., 1999, 2001; Elkington et al., 1999, 2003). В результате, электроны, ускоренные в области слабого поля, испытывают бетатронное ускорение, попадая в область сильного поля. Было показано, что действие данного механизма может объяснить ряд наблюдаемых событий. В то же время анализ, проведенный в работах (Brautigam and Albert, 2000; Miyoshi et al., 2003) показал, что увеличение радиальной диффузии не может объяснить наблюдаемое поведение радиационных поясов во время изученных магнитных бурь. В работе (Green and Kivelson, 2001) дрейфово-резонансный механизм также как бетатронный механизм замедления/ускорения были применены для объяснения величин потоков электронов в диапазоне 0.7-9 МэВ, наблюдаемых на спутнике Polar в январе-июне 1997 г. Было показано, что одно из девяти возрастаний релятивистских электронов не может быть объяснено дрейфово-резонансной моделью, что свидетельствовало о том, что существование большой мощности УНЧ волн на резонансной частоте недостаточно для ускорения релятивистских электронов. Отмечалась также необходимость действия дополнительных механизмов ускорения, так как характерное время уменьшения потоков релятивистских электронов на геостационарной орбите составляет 3-4 дня, а большие флуктуации в диапазоне Pc-5 наблюдаются только в течении суток после магнитной бури. В работе (Posch et al., 2003) проводился анализ УНЧ активности во время буревых интервалов мая 1997 г., марта 1998 г., мая 1998 г., сентября 1998 г. и октября 1998 г. Исследование подтвердило высокий уровень корреляции увеличенной мощности колебаний в диапазоне Pc-5 и скоростью солнечного ветра. Было показано, что каждая исследованная магнитная буря вызывала увеличение узкополосной активности во время фазы восстановления бури в утренне-полуденном секторе. Во время главной фазы бури и во всех остальных секторах во время фазы восстановления наблюдалась широкополосная волновая активность. В работе (Kozyreva et al., 2007) был подтвержден высокий уровень корреляций повышенных потоков релятивистских электронов и геомагнитных микропульсаций в диапазоне Pc-5. Предложено введение волнового индекса геомагнитной активности. За последнее время был получен ряд новых результатов, подтверждающих возможность ускорения релятивистских электронов низкочастотными волнами (см. Ozeke and Mann, 2008; Degeling et al., 2008). Было показано, что волны в УНЧ диапазоне могут возбуждаться энергичными ионами кольцевого тока и взаимодействовать с энергичными электронами, когда плазмопауза локализована на малых L-оболочках. Дрейфующие за восток электроны сильно взаимодействуют с волнами полоидальной поляризации, в которых электрическое поле направлено по азимуту EEe. Такие волны генерируются внутримагнитосферным источником. При резонансе усредненного по баунс-осцилляциям азимутального дрейфа энергичных ионов с полоидальными альвеновскими волнами энергия перекачивается от ионов к волнам. Условие резонанса имеет вид  , (2.1)где m и - азимутальное волновое число и угловая частота волны соответственно, - азимутальный угол частицы. Положительное m соответствует распространению волны на восток, Nb соответствует сдвинутой по Доплеру частоте волны в системе отсчета дрейфующей резонансной частицы, N=0, ±1, ±2,... С увеличением N падает эффективность взаимодействия волна-частица. В работе (Ozeke and Mann, 2008) показано, что популяция ионов водорода с энергиями 1-30 кэВ или однозарядных ионов кислорода с энергиями 10-900 кэВ на L-оболочках при L~3-5 может раскачать необходимые для ускорения релятивистских электронов волны в УНЧ диапазоне с m~20, если плазмопауза находится на L=3. К наиболее популярным механизмам ускорения релятивистских электронов относятся механизмы ускорения высокочастоными волнами. Электроны радиационных поясов могут эффективно взаимодействовать с различными модами плазменных волн, включая хоровые излучения вне плазмосферы, свистовые шипения и электромагнитные ионно-циклотронные волны внутри плазмосферы, авроральным километровым радиоизлучением (AKR). При этом возникает как диффузия по питч-углам, так и диффузия в пространстве скоростей. Гирорезонансное взаимодействие волна-частица связано с волнами в диапазоне частот 0.1O+<<0.8e, где O+ - циклотронная частота ионов O+, e - циклотронная частота электронов. Плазмосферные шипения являются широкополосным ОНЧ излучением в диапазоне частот от ~100 Гц до нескольких кГц. Шипения могут наблюдаться также вне плазмосферы в оторвавшихся от нее плазменных областях. Типичные амплитуды шипений варьируют от 10 пТ во время магнитоспокойных периодов до 100 пТ во время магнитовозмущенных периодов. Шипения наблюдаются, в основном на экваторе на низких широтах, главным образом в дневные часы. Они могут возбуждаться в результате анизотропного распределения электронов инжектированных во внутренние области магнитосферы во время суббурь. В соответствии с результатами (Summers et al.,1998) шипения не дают значительного вклада в ускорение электронов. Электромагнитные ионно-циклотронные волны в диапазоне частот 0.1-5.0 Гц наблюдаются на плазмопаузе, в основном, в вечерние часы. Волны могут генерироваться в трех диапазонах: ниже гирочастоты H+, гирочастоты He+ и гирочастоты O+. Их амплитуды сильно возрастают во время магнитной бури до типичных значений 1-10 нТ. Источником волн является анизотропное питч-угловое распределение ионов кольцевого тока. По оценке (Summers et al., 1998) данные волны также не приводят к эффективному ускорению релятивистских электронов. Хоровые излучения на свистовой моде наблюдаются вне плазмосферы в широком интервале локальных времен (2200–1300 MLT) в диапазоне частот от 0.05 до 1 гирочастоты электронов Be. Выделяют 2 частотных полосы, в которых генерируются хоры: низкочастотную полосу - 0.05-0.5Be и высокочастотную полосу - 0.5-1Be. Экваториальные хоры могут генерироваться в результате циклотронного резонанса с анизотропными электронами с энергиями 10-100 кэВ инжектированными во время суббури. Типичные амплитуды хоров 1-100 пТ. Наблюдались амплитуды до 1 нТ во время периодов повышенной геомагнитной активности. Амплитуды хоров сильно зависят от суббуревой активности, увеличиваясь при увеличении данной активности. Особенность хоровых излучений состоит в появлении повторяющихся узкополосных сигналов с повышающейся частотой. Ускорение затравочных электронов в результате циклотронного резонанса с хоровыми излучениями рассматривалось в работах (Horne and Thorne, 1998; Summers et al., 1998, 2002, 2004; Summers and Ma, 2000; Horne et al., 2005; Varotsou et al., 2005; Демехов и др., 2006). Первоначальные оценки показывали, что характерное время ускорения электронов при регистрируемых параметрах свистовых волн составляет 3-5 дней. Включение косых свистовых волн (Roth et al., 1999) позволило сократить время ускорения до 30-60 мин. Учет нелинейных эффектов (см. Демихов и др., 2006) также приводит к значительному сокращению времени ускорения. Рассмотрение ускорения при взаимодействии с волнами обычно проводится (см. Summers and Meredith, 2007а) в квазилинейном приближении при учете питч-угловой диффузии. Уравнение Фоккера-Планка для усредненной по гировращению функции распределения электронов при постоянном магнитном поле, направленном вдоль оси z имеет вид  , (2.2)где D, Dp= Dp, и Dpp – коэффициенты диффузии, зависящие от свойств волн; p=m0v – импульс электрона, m0 и v – его масса и скорость соответственно, =(1- v2/c2)-1/2 – Лоренц-фактор, с – скорость света, - питч-угол частицы, t – время. Задавая вид спектра волн можно получить зависимость коэффициентов диффузии от энергии и питч-угла. В работе (Summers and Meredith, 2007а) и ряде других работ плотность энергии волн задавалась в виде распределения Гаусса  , (2.3)где  , 1 и 2 – верхняя и нижняя границы в спектре волн соответственно, m – частота в максимуме спектра, - ширина полосы, erf –функция ошибок, s – R (s=1) или L(s=-1) мода волны (правое или левое направление вращения волнового вектора в волне). Выполнялось соотношение нормировки . (2.4)где Bs - средняя амплитуда волны. В работе (Summers et al., 1998) было показано, что вечерние ионно-циклотронные волны на плазмопаузе могут изотропизировать энергичные электроны, в то время как утренние хоровые излучения вызывают ускорение и появление анизотропных электронов с теми же энергиями. При этом данный двухфазный процесс приводит к появлению изотропных питч-угловых распределений при сильном высыпании в вечерние часы и небольшой анизотропией в утренние. Для объяснения максвелловского распределения “жестких” электронов с температурой ~200 кэВ и плотностью n≈10-4см-3 в работе (Summers and Ma, 2000) была применена теория стохастического ускорения электронов при циклотронном резонансе со свистовой модой турбулентности в магнитосфере Земли. Локальный механизм ускорения свистовыми волнами наиболее эффективно действует вблизи плазмопаузы и не приводит к значительному радиальному транспорту. Вблизи плазмопаузы наблюдается минимум отношения электронной плазменной к циклотронной частоте, генерируются интенсивные хоровые излучения. Ускорение имеет вид диффузионного процесса в пространстве энергии и питч-углов по направлению к большим энергиям и питч-углу в 90. Взаимодействие вблизи плоскости экватора между хоровыми излучениями и МэВными электронами может вызвать появление микровсплесков высыпаний частиц (Horne and Thorne, 2003). В работах (Meredith et al., 2002; Miyoshi et al., 2003; Meredith et al., 2003a) была найдена связь увеличений потоков релятивистских электронов и амплитуд хоровых излучений. В работе (Horne et al., 2003) были исследованы питч-угловые распределения электронов на L~4–6 во время фазы восстановления магнитной бури 9 октября 1990 г. и продемонстрирована возможность ускорения частиц хоровыми волнами. В работе (Summers et al., 2002) при использовании данных наблюдений со спутника CRRES и развитой теории ускорения свистовыми волнами удалось промоделировать увеличение жесткости спектра электронов на L ~4. В работе (Meredith et al., 2003a) по данным спутника CRESS за 1990-1991 был проведен комплексный анализ данных о потоках электронов (~1 МэВ), индексов геомагнитной активности (Dst, Kp, AE) и данных плазменного волнового эксперимента для 26 событий, сопровождавшихся геомагнитной возмущенностью в магнитосфере Земли на 3<L<7. Целью данной работы было доказательство возможности ускорения электронов до энергий ~1 МэВ за счет резонансного взаимодействия электронов с хоровыми излучениями на частотах ~0.1-0.5B, где B - гирочастота электронов. Эта область частот (относящихся к хоровым волнам) была выбрана на основе проведенного ранее в работе (Horne and Thorne, 1998) теоретического исследования и расчетов резонансного взаимодействия электронов (с учетов эффекта Доплера) с различного типа плазменными волнами. В работе было показано, что возрастания потоков релятивистских электронов (с энергиями 1.09 МэВ), ассоциируемые с умеренными и сильными магнитными бурями наблюдаются во всей области L (3<L<7) (как правило, с пиковыми потоками на 4<L<5). Возрастания, ассоциируемые со слабыми магнитными бурями и с отсутствием бурь – в областях, соответственно, 4<L<7 и 4.5<L<7. Наиболее значительные возрастания потоков электронов (с энергиями 1.09 МэВ) наблюдаются вне плазмопаузы и сопровождаются длительной суббуревой активностью, повышенным потоком “затравочных” электронов, а также большой мощностью хоровых излучений. Самое большое возрастание потока электронов с энергией в 1.09 МэВ (I>500 см-2с-1ср-1кэВ-1) наблюдалось при 3.5<L<5.5 c пиковым значением I≈2∙103 см-2с-1ср-1кэВ-1 на L=4.2, и имело место после известной сильной магнитной бури 9 октября 1990 г. В этом событии длительность суббуревой активности превышала 6.3 суток и регистрировались мощные хоровые излучения. При низкой суббуревой активности и при малой мощности хоровых волн не наблюдалось значительного возрастания потоков релятивистских электронов с энергией в 1.09 МэВ, хотя уровень “затравочных” электронов (с энергиями 214 кэВ) мог быть достаточно высоким. Более того, в двух событиях, связанных с сильными магнитными бурями, наблюдалось уменьшение потока релятивистских электронов на фазе восстановления этих бурь. При этом очень низкая суббуревая активность и низкий уровень хоровых излучений хорошо коррелировали. На основе этих результатов был сделан общий вывод о локальном стохастическом механизме ускорения электронов за счет циклотронного резонанса (с учетом эффекта Доплера) с плазменными волнами в области хоровых излучений, благодаря которому происходит ускорение “затравочных” электронов от энергий несколько сот кэВ до релятивистских энергий за время порядка нескольких суток. В работе (O’Brien et al., 2003) было проведено сравнение эффективности ускорения электронов как низкочастотными (УНЧ) так и высокочастотными (ОНЧ) волнами. Использовались наземные магнитные измерения на сетях станций SAMNET и IMAGE и результаты наблюдений хоровых волн и микровсплесков электронов на низковысотном спутнике SAMPEX с целью определения связи МэВных микровсплесков электронов с ОНЧ и УНЧ волнами. Было показано, что увеличение потоков электронов во внешнем радиационном поясе хорошо коррелирует как УНЧ так и с ОНЧ волнами. Рис. 2.1. иллюстрирует результаты анализа. Было предположено, что пики ускоренных электронов, наблюдавшиеся на L ~ 4.5, связаны с процессом ускорения высокочастотными волнами, в то время как ускорение на геосинхронной орбите и за ней обусловлено низкочастотными волнами. В работе (Shprits et al., 2006a) было показано, что радиальная диффузия под действие УНЧ волн не может объяснить формирование нового радиационного пояса в области зазора во время магнитной бури октября-ноября 2003 г. (Halloween storm). Было показано также, что ускорение, связанное со свистовыми волнами может объяснить постепенное увеличение потоков релятивистских электронов с энергиями в несколько МэВ в области зазора при наблюдаемых (в основном, пиковых) значениях амплитуд волн. В работе (Summers, 2005) получены значения коэффициентов квазилинейной диффузии для свистовых волн в водородной плазме, в работе (Summers et al., 2007a) коэффициенты диффузии для свистовых волн в многокомпонентной плазме, состоящей из ионов H+, He+, O+. В работах (Summers et al., 2007a,b) определены характерные времена диффузии по энергии и питч-углу при усреднении по баунс-колебаниям (колебаниям частиц вдоль магнитной силовой линии). Рассматривались хоровые волны вне плазмосферы, шипения внутри плазмосферы и электромагнитные инно-циклотронные волны (ЭИЦВ) внутри плазмосферы. Проведено рассмотрение для гауссовского спектра по частотам и дипольного магнитного поля. Использовано квазилинейное приближение. Показано, что характерное время диффузии МэВных электронов в результате взаимодействия с ОНЧ хорами может быть меньше суток во внешнем радиационном поясе. Характерное время потерь электронов в результате взаимодействия с хоровыми излучениями, шипениями и электромагнитными ионно-циклотронными волнами также составляло порядка суток (см., также, §2.1). При этом, времена, как ускорения, так и потерь сильно зависят от свойств волн, плотности окружающей плазмы, магнитного поля и состава плазмы.  Рис. 2.1. Схемы, иллюстрирующая процесс ускорение релятивистских электронов в магнитосфере при Kp ~4–6 из работы (O’Brien et al., 2003) В развивавшихся теоретических подходах не рассматривались нелинейные эффекты, такие как захват частиц в поле волны. Данное ограничение было снято в работах (Trakhtengerts et al., 2003; Демехов и др., 2006). В работе (Trakhtengerts et al., 2003) рассматривалось ускорение электронов радиационных поясов свистовыми волнами, вызванными грозовыми разрядами. В случае устойчивого захвата электрона полем волны, частица удерживается в резонансе с волной, и изменение ее энергии определяется движением в пространстве скоростей дна эффективной потенциальной ямы за счет таких факторов как неоднородность магнитного поля и изменение частоты волнового пакета в пространстве и времени. В работе (Демехов и др., 2006) рассмотрено ускорение релятивистских электронов в неоднородном магнитном поле при их резонансном взаимодействии с продольно распространяющимися свистовыми волнами переменной частоты. Особое внимание уделялось дискретному характеру генерируемых излучений. Показано, что набор энергии за один акт взаимодействия электрона с пакетом свистовых волн, имеющих типичные параметры элемента хоровых излучений, может составлять до нескольких кэВ. Механизм может обеспечивать эффективный набор поперечной энергии для электронов с энергиями в несколько раз выше, чем поперечная энергия электронов, генерирующих хоры. Его эффективность превышает эффективность стохастического ускорения. В работе (Omura and Summers, 2006) методом пробных частиц было показано, что электроны могут эффективно ускоряться при захвате монохроматической ОНЧ волной в случае увеличения частоты волны (повышающийся тон) по сравнению со случаем постоянной частоты, что подтверждает выводы работ (Trakhtengerts et al., 2003; Демехов и др., 2006). В работе (Cattell et al. 2008) по измерениям на космическом аппарате STEREO были зафиксированы всплески волн в свистовом диапазоне с амплитудой 240 мВ/м. что на порядок превышает результаты предыдущих наблюдений. Оценки показали, что такие волны могут ускорить электрон до МэВной энергии за 0.1 с. Данный результат может существенно повлиять на подходы к изучению механизмов ускорения релятивистских электронов в магнитосфере. Гл. 2. Физические процессы ускорения и сброса релятивистских электронов в атмосферу Земли. |
Похожие:
 | Реферат Отчет 142 стр., 13 рис., 7 таблиц, список литературы 2 наименования Директор научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына мгу имени М. В. Ломоносова | | А. В. Брюханов летопись природы Отчет «Летопись природы национального парка «Зюраткуль» за 2002 год» содержит 187 стр., включая 6 таблиц и 5 приложений. Список использованной... |
| Реферат Отчет 120с., 13 рис., 19 таблиц в тексте, 39 источников Фундаментальные исследования, организация управления фундаментальными исследованиями, масштабы, тенденции развития фундаментальных... | | Реферат Отчет 25 стр., 1 рис Ключевые слова: космология, внегалактическая астрономия, звезды, межзвездная среда, активные ядра |
| Реферат Отчёт изложен на 36 страницах, включает 12 таблиц, 3 рисунка,... «Мониторинг и прогнозирование состояния продовольственной безопасности на территории Калужской области. Практические рекомендации... | | Реферат Требование к структуре реферату Реферат должен быть выполнен самостоятельно каждым студентом на 5 или более листах формата А4 (не включая титульный лист, содержание,... |
| Реферат Отчет: 180 стр., 11 рис., 12 табл., 72 источника ... | | Тематическое планирование стр. 7 2 Требования к уровню подготовки... В числе приоритетных целей изучения музыкального искусства в начальной школе выступают |
| Реферат Баранов К. Г., Игнатенков А. И. Дипломный проект на тему... Общий объем проекта составляет 78 страниц. Дипломный проект содержит 1 рисунок, 16 таблиц. Список литературы представлен 30 источниками... | | Реферат (18 стр., рис., 3 табл.) Объектом исследования являлись системы централизованного и локального водоотведения мо ракитинское |
| Реферат Отчет с. 22, рис., 3 табл Объектом исследования являлись системы централизованного водоснабжения мо г п. Одоев | | Реферат. Отчет…23с., рис., 4 табл Объектом исследования являлись системы централизованного и локального водоотведения мо кожинское |
| Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Отчет о нир 65 с., 2 рис., 1 табл., приложений 2, источников использованной литературы 58 | | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Отчет о нир 65 с., 2 рис., 1 табл., приложений 2, источников использованной литературы 58 |
| Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Отчет о нир 65 с., 2 рис., 1 табл., приложений 2, источников использованной литературы 58 |  | Реферат Отчет 35 с., 3 главы, 16 рис., 1 табл., 12 источников, 5 прил Объектом разработки является программа восстановления каркасных 3D объектов по 2D проекциям |
