О взаимодействии потоков заряженных частиц с волновыми возмущениями в околоземном пространстве

Общая характеристика работы.

Актуальность темы

Исследование вопросов взаимодействия заряженных частиц с волновыми возмущениями занимает важное место в физике околоземной плазмы. Эти вопросы охватывают широкий круг физических задач, и им посвящены многочисленные экспериментальные и теоретические исследования. Актуальность этих исследований связана с тем, что для космической плазмы характерна реализация турбулентных состояний с высоким уровнем интенсивности плазменных шумов. В этом случае парные столкновения заряженных частиц обычно не существенны, а динамика их потоков определяется коллективными процессами взаимодействия с волнами. При относительно низком уровне турбулентности эволюция функции распределения энергичных частиц имеет характер диффузии в пространстве скоростей и может описываться квазилинейными уравнениями. Эффективность диффузии зависит от уровня интенсивности волновых возмущений в фоновой плазме. Для сравнительно слабых потоков частиц этот уровень можно считать заданным — например, известным из эксперимента. Для более плотных потоков определяющими становятся самосогласованные процессы взаимодействия волн и частиц. Многообразие различных электромагнитных волновых возмущений в околоземной плазме является одним из факторов, определяющим многообразие существующих задач. Например, задача о взаимодействии энергичных электронов с ОНЧ-возмущениями в плотной холодной плазме актуальна для описания потоков заряженных частиц в земной магнитосфере. Задача о разлете облака энергичных электронов в плазме с ленгмюровской турбулентностью возникает при анализе закономерностей переноса вещества, импульса и энергии потоками электронов в солнечном ветре и на периферии земной магнитосферы.

При определенных условиях в плазме достигается достаточно высокий уровень турбулентности, и формируются электростатические структуры с относительно низкой плотностью частиц и интенсивным электрическим полем. Благоприятные условия для возбуждения сильной плазменной турбулентности и образования электростатических структур реализуются в зоне электрических токов, текущих вдоль магнитного поля. Такие токи характерны для областей с «открытой» геометрией магнитного поля. Важным свойством турбулентных структур является локализация волновой энергии в области малых волновых чисел и, следовательно, больших скоростей частиц, взаимодействующих с волнами на черенков-ском резонансе. При этом возможно ускорение частиц до энергий, значительно превышающих энергии электронов исходного потока. С этой точки зрения изучение вопроса взаимодействия частиц с сильной плазменной турбулентностью важно для объяснения происхождения ускоренных электронных и ионных потоков в космической плазме. Вопрос об ускорении заряженных частиц интенсивно изучается в литературе, и в настоящее время известно много моделей ускорения в авроральной магнитосфере [1−6]. Однако наблюдения магнитосферных потоков свидетельствуют о существовании других механизмов ускорения, вероятно, связанных с возбуждением сильной плазменной турбулентности [7,8].

Экспериментальные исследования плазменной турбулентности и свойств формируемых потоков заряженнных частиц проводятся в рамках международных космических программ на спутниках Interball, FAST, S3−3, Claster, SOHO, Ulysses.

В исследовании вопросов взаимодействия волн и частиц важно понимание связи явлений, происходящих вблизи земной поверхности и в околоземной плазме. Существует специальная международная программа STEP, целью которой является изучение взаимосвязи процессов в разных средах солнечно-земной физики. Одно из проявлений такой взаимосвязи может быть связано с влиянием атмосферных акустико-гравита-ционных волн на режимы электромагнитных излучений в земной магнитосфере. Это влияние проявляется как последовательность следующих физических процессов: акустико-гравитационные волны возмущают концентрацию примеси заряженных частиц в ионосфере, изменение концентрации заряженных частиц приводит к изменению коэффициента отражения свистовых волн от ионосферы сверху и, следовательно, декремента затухания свистовых волн в магнитосферном резонаторе, модуляция добротности магнитосферного резонатора сказывается на режимах генерации свистовых излучений в магнитосферном мазере [9]. Изучение этого влияния актуально для диагностики явлений, приводящих к генерации АГВ вблизи земной поверхности.

Целью работы является исследование закономерностей взаимодействия потоков заряженных частиц с волновыми возмущениями в турбулентной околоземной плазме: низкочастотными волнами в плотной маг-нитоактивной плазме, слабой ленгмюровской турбулентностью, электростатическими структурами в плазме с сильной ленгмюровской турбулентностью, а также изучение влияния акустико-гравитационных волн на режимы возбуждения свистовых электромагнитных излучений в электронных радиационных поясах Земли.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовался теоретический аппарат радиофизики, применялись асимптотические методы, методы теории возмущений, для демонстрации полученных результатов проводились численные расчеты. Результаты сопоставляются с известными экспериментальными данными.

Научная новизна диссертации. В работе впервые:

— Вычислены коэффициенты диффузии в пространстве скоростей при изотропной спектральной плотности энергии низкочастотных возмущений в плотной магнитоактивной плазме и проанализирована зависимость коэффициентов диффузии от углового спектра на примере сопоставления результатов при изотропном и одномерном спектрах волн.

— Показано, что расширение облака заряженных частиц в плазме с ленгмюровской турбулентностью, характеризующейся сравнительно малыми фазовыми скоростями и изотропным угловым спектром волн, может описываться уравнением телеграфного типа и происходит со скоростью порядка характерной скорости частиц облака. Установлена энергетическая зависимость функции распределения электронов при самосогласованном разлете облака.

— Вычислены коэффициенты диффузии в пространстве скоростей и получено решение кинетического уравнения для функции распределение частиц, взаимодействующих с электростатическими структурами в сильно турбулентной плазме.

— Проанализирован один из механизмов влияния акустико-гравитацио волн на свойства квазипериодических свистовых излучений в электронных радиационных поясах Земли.

Практическая значимость. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы для объяснения свойств экспериментально наблюдаемых потоков заряженных частиц в турбулентной околоземной плазме. Анализ влияния неодномерности углового спектра на характер рассеяния заряженных частиц полезен при описании взаимодействия электронных потоков с магнитосферными КНЧ и ОНЧ-шумами внутри плазмосферы. Решения уравнений, описывающих разлет облака энергичных электронов в плазме с ленгмюровской турбулентностью, представляют достаточно широкий практический интерес для анализа закономерностей переноса вещества, импульса и энергии потоками электронов, генерирующими в солнечном ветре всплески радиоизлучения третьего типа, а также потоками фотоэлектронов в земной магнитосфере.

Перспективными представляются проведенные исследования вопросов взаимодействия потоков заряженных частиц с уединенными электростатическими структурами в сильно турбулентной околоземной плазме. Предложенное описание взаимодействия заряженных частиц с уединенными электростатическими структурами важно для объяснения происхождения и свойств ускоренных электронных и ионных потоков в плазме солнечного ветра, в переходной области за отошедшей ударной волной и в высокоширотных зонах земной магнитосферы. Исследованные в работе условия реализации и свойства многопучкового режима ускорения могут быть использованы для диагностики пространственных характеристик наблюдаемых уединенных структур.

Результаты проведенного в диссертации анализа влияния атмосферных акустико-гравитационных волн на свойства квазипериодических излучений свистового диапазона в зоне электронных радиационных поясов полезны для диагностики явлений, сопровождающихся генерацией АГВ в атмосфере.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на XI всероссийском семинаре по физике авро-ральных явлений (Апатиты, 1998), международном симпозиуме по околоземной физике (Киев, 2000), VI всероссийской конференции молодых ученых по атмосферному электричеству (Нижний Новгород, 2000), международной конференции по явлениям ускорения и нагрева в магнитосфере (Варшава, 2001), а также на семинарах НИРФИ, ИПФРАНа и НГТУ (Нижний Новгород).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Влияние угловой зависимости спектра низкочастотной турбулентности в плотной магнитоактивной плазме на характер рассеяния электронов наиболее сильно проявляется в зоне черенковского резонанса волн и частиц, который является определяющим при быстрой магнитозвуко-вой и альвеновской турбулентности, а также в случае электростатических колебаний, направленных почти поперек магнитного поля.

2. Расширение облака энергичных электронов в плазме с ленгмю-ровской турбулентностью, характеризующейся изотропной угловой зависимостью энергии волн, может описываться телеграфным уравнением. При самосогласованном разлете облака заряженных частиц формируются спектры функции распределения вида ^ ~ ехр (—г>5/г>д).

3. Сильная плазменная турбулентность играет роль гигантского ускорителя заряженных частиц в околоземной плазме. Электроны и ионы ускоряются до сравнимых энергий. При этом ионные потоки сильно изо-тропизуются, а электронные потоки близки к одномерным вдоль магнитного поля.

4. При взаимодействии частиц с сильной плазменной турбулентностью возможно формирование пучков частиц с выделенными энергиями.

5. Влияние акустико-гравитационных волн в атмосфере на свойства свистовых электромагнитных излучений в магнитосфере проявляется как последовательные модуляции концентрации электронов в ионосфере, коэффициента отражения свистовых волн от ионосферы сверху и декремента затухания свистовых волн в магнитосферном резонаторе.

Краткое содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов, выводов и списка цитируемой литературы (70 наименований). Содержание работы изложено на 108 страницах, включает в себя 1 приложение, 10 рисунков и 3 таблицы. Результаты диссертации опубликованы в цикле работ [10−25].

4.4. Основные результаты главы 4.

Рассмотрен один из каналов влияния инфразвуковых волн на режимы возбуждения магнитосферных ОНЧ-излучений:

— Акустико-гравитационные волны возмущают концентрацию примеси заряженных частиц в ионосфере. Наиболее сильное возмущение электронной концентрации имеет место в области с большими градиентами концентрации нейтральных частиц в акустико-гравитационной волне либо вблизи границ волноводного канала.

— Изменение концентрации заряженных частиц приводит к изменению коэффициента отражения свистовых волн от ионосферы сверху и, следовательно, декремента затухания свистовых волн в магнитосферном резонаторе.

— Модуляция добротности магнитосферного резонатора сказывается на режимах генерации свистовых излучений в магнитосферном мазере. При этом возможны как периодические импульсы свистовых излучений, так и нерегулярные их последовательности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Таким образом, в работе рассмотрен вопрос о взаимодействии потоков заряженных частиц с волновыми возмущениями в околоземном пространстве. Получены следующие результаты:

1. Проанализирована зависимость коэффициентов диффузии в пространстве скоростей электронов, взаимодействующих с основными существенно замедленными электромагнитными возмущениями в плотной магнитоактивной плазме, от углового спектра волн на примере сопоставления результатов при изотропной и одномерной спектральных плотностях волновой энергии.

• Вычислены коэффициенты диффузии электронов при изотропной спектральной плотности энергии основных типов низкочастотных волн: быстрых магнитозвуковых, альвеновских, свистовых волн и электростатических колебаний в полосе нижнего гибридного резонанса.

• Показано, что для достаточно энергичных электронных потоков в плазме со свистовой, а в ряде случаев и с быстрой магнитозвуковой и альвеновской турбулентностью взаимодействие частиц с волнами определяется резонансами на первых циклотронных гармониках. При этом угловая зависимость спектра не оказывает существенного влияния на характер диффузии.

• Выявлены условия, при которых рассеяние частиц быстрыми магни-тозвуковыми и альвеновскими волнами определяется черенковским резонансом. Показано, что учет неодномерности спектра в этом случае дает качественно новые результаты. Существенным также является влияние угловой зависимости спектра на рассеяние электронов низкочастотными электростатическими колебаниями.

2. Рассмотрен вопрос о функции распределения энергичных электронов в плазме без магнитного поля с ленгмюровской турбулентностью.

• Показано, что расширение облака заряженных частиц в плазме с заданной турбулентностью, характеризующейся сравнительно малыми фазовыми скоростями и изотропным угловым спектром волн, может описываться уравнением телеграфного типа и происходит со скоростью порядка тепловой скорости частиц.

• Получена замкнутая система уравнений для функции распределения при самосогласованном разлете облака энергичных частиц.

• Приведены решения уравнений для функции распределения частиц при самосогласованном разлете. Изотропная часть функции распределения зависит от скорости частицы как ^ ~ у5п ехр (—у5/уд).

• Проведено качественное сравнение результатов в случаях заданного спектра турбулентности и при самосогласованном разлете облака электронов. Общим характерным свойством турбулентного разлета является ограничение на скорость взаимодействующих с волнами частиц.

• Отмечены характерные свойства самосогласованного разлета облака энергичных электронов: сравнительно малая скорость диффузного расширения, увеличение скорости расширения в процессе разлета, образование турбулентных стенок на переднем фронте и протяженного плато в центре облака, существование «предвестника» облака — небольшой доли энергичных электронов, опережающих основную массу частиц.

3. Исследована задача о формировании потоков заряженных частиц электростатическими структурами в сильно турбулентной космической плазме.

• Показано, что сильная плазменная турбулентность может эффективно ускорять заряженные частицы обоих знаков.

• Вычислены коэффициенты диффузии по продольной скорости и поперечному адиабатическому инварианту частицы.

• Определены условия применимости фоккер-планковского описания для взаимодействия частиц с сильной плазменной турбулентностью.

• Сделаны оценки длин диффузии для наиболее характерных энергетических диапазонов частиц. Поперечная (в пространстве скоростей) диффузия более эффективна для ионов и приводит к сильной изотропизации ионных потоков. Функции распределения электронов близки к одномерным вдоль магнитного поля.

• Получено решение уравнения Фоккера-Планка в турбулентном слое для различных режимов ускорения. В отраженном от слоя потоке могут формироваться степенные энергетические спектры функции распределения.

• Сделаны оценки средней продольной кинетической энергии и потока частиц на больших расстояниях от области инжекции. Электронные и ионные потоки могут ускоряться до сравнимых энергий.

• Проанализированы закономерности формирования потоков релятивистских частиц.

• Отмечено, что сильная плазменная турбулентность может формировать пучки частиц с выделенными энергиями.

4. Рассмотрен один из каналов влияния инфразвуковых волн на режимы возбуждения магнитосферных ОНЧ-излучений. Это влияние проявляется в последовательности физических процессов: модуляций инфразвуком электронной концентрации в ионосфере, коэффициента отражения свистовых волн от ионосферы сверху и режимов генерации свистовых излучений в магнитосферном резонаторе.