Исследование реакції нижньої іоносфери на висип енергійних частинок з радіаційних поясів Земли

1. Оцінки параметрів енергійних електронів і протонів, які висипають на середніх широтах (обзор

1.1 Аналіз окремих случаев.

1.1.1. Явище, що з хвилями типу свистов.

1.1.2. Явище, що з електромагнітної ионно-циклотронной волной.

1.1.3. Явище, що з електростатичної ионно-циклотронной волной.

2. Вивчення кінетичних методів исследования.

2.1. Электроны.

2.1.1. Втрата енергії і рассеяние.

2.1.2. Протилежне розсіювання енергійних електронів атмосферой.

2.1.3.Поглощение високоенергічних електронів в атмосфере.

2.2. Протоны.

3. Вивчення гідродинамічних методів исследования.

3.1. Модуляція потоків енергійних частинок гидромагнитными волнами.

3.1.1. Випадок швидкої изотропизации3.1.2. Випадок збереження адиабатических инвариантов;

3.1.3. Модуляція инкремента наростання свистовой моды.

3.1.4. Модуляція потоків високоенергічних частиц.

3.2. Подовжні електричні поля.

4. Теоретичні оцінки ефектів у нижній ионосфере.

Заключение

.

Нині надійно встановлено, що земля і його магнітне полі занурені в безупинно поточний потік плазми сонячного походження — сонячний вітер. Сонячний вітер, що є розширення сонячної корони із надзвуковою швидкістю, несе з собою у космічний простір магнітне полі Сонця. Магнітне полі Землі взаємодіє зі плазмою сонячного вітру, і геоцентрическом відстані між Землею і Сонцем утворюється ударний фронт. Основний потік сонячного вітру обтікає Землю і несе геомагнітне полі довгий магнітний хвіст. Отже, Земля оточена магнітної порожниною — магнітосферою, будову та властивості якої визначаються переважно магнітним полем землі і струмами, генерируемыми сонячним вітром. Вважають, що частки сонячного вітру потрапляють у атмосферу або через магнітний хвіст, або через полярні каспы з низькою напруженістю магнітного поля, розташовані на денний боці Землі. Як відомо в магнітосфері протікає безліч фізичних процесів. Чимало їх ми, побічно пов’язані з цими давно відомими явищами, як полярні сяйва (висип частинок в полярних широтах), і магнітні бурі, безпосередньо чи опосередковано обумовлені взаємодією сонячного вітру і магнітосфери Земли.

Щоб дізнатися як взаємодіють магнітосфера і іоносфера необхідно вивчити всі, чи навіть основні, перебіг передвиборних процесів. І тому слід спочатку припустити (грубе припущення), що іоносфера і магнітосфера існують незалежно друг від одного й вивчити окремо. Потім можна припустити, що деякі процеси в іоносфері є результатом деяких процесів в магнітосфері (навпаки). Т. е., у принципі слід вивчати магнітосферу і іоносферу як дві сильно пов’язані системы.

Було зроблено припущення щодо два види взаємодії: корпускулярном і хвильовому. Перший процес відбувається «згори донизу»: тобто. частки, висипаючись з радіаційних поясів магнітосфери впливають на іоносферу. Другий — може здійснюватися як «знизу вгору», і з допомогою різноманітних зовнішніх чинників (приміром — сонячний вітер). Частим результатом такого процесу є висип частинок у повітря Землі. Висипання можуть цілком різними, як у енергій, і із чотирьох кутів входження до атмосферу. Висипання розрізняють також із типу частинок: протони чи электроны.

Зазначимо, що результати висипів електронів і протонів (ступінь іонізації та глибина проникнення) з енергіями і кутами входження будуть различными.

У цьому роботі буде розглянуто взаємодія магнітосфери Землі у вигляді різних типів хвиль із часточками, які у радіаційному поясі залежно від параметрів взаємодіючих хвиль і частинок. Також буде розглянуто висип різних частинок. Але тут розглянуто лише декілька тисяч видів взаємодій высыпающихся часток отримують за атмосферою. Оскільки висипають як електрони, а й протони, то процеси, що відбуваються у своїй, будуть різні. Наприклад, ефективність іонізації залежить тільки від енергії частинок, а й від початкових кутів, під якими входять частки. Існує й висотна залежність ступеня іонізації від енергії частинок, причому щодо різноманітних частинок своя.

1. Оцінки параметрів енергійних електронів і протонів, які висипають на середніх широтах.

(У цьому главі розглянуті різні випадки висипів високоенергічних часток під впливом різних типів хвиль: свистів і ионно-циклотронных).

Під час геомагнітних обурень висип енергійних електронів з радіаційних поясів Землі то, можливо є основним джерелом припливу енергії для іонізації среднеширотной мезосферы. Один особливо інтенсивний тип висипів — це випадки висипання релятивістських електронів (ВРЭ), які характеризуються надзвичайно високої енергією електронів (>100 кэВ) поблизу верхньої межі, що визначається сильної дифузією по питч-углу. Такі події були спочатку ототожнені із недружнього поглинання розсіяних вперед радіосигналів, що з різко вираженим зростанням іонізації у сфері D. Наступні дослідження радіохвиль дозволив встановити загальну метеорологію таких явищ і чітко засвідчили її пряме сполучення його з активністю суббурь. Проте кількісну оцінку введеної при таких подіях енергії електронів і його вплив на середню атмосферу вимагає прямих ракетних чи супутникових спостережень. Були запущені детектори, здатні вимірювати енергетичний спектр і розподіл по питч-углам електронів з дозволом, необхідним точних модельних досліджень реакції атмосфери. Подані тут результати дають досить детальний огляд випадків інтенсивних ВРЭ, отриманих прямим дослідженням даних із супутника за 14 місяців.

Важливий результат, отриманий під час аналізу даних супутника, у тому, що електрони високої энергии (>100 кэВ) часто виявляються обмеженими зоною з розсіюванням як сильної дифузії, яка, зазвичай, збігаються з районом висипання іонів у тому режимі. Усі (крім семи) з 313 випадків, інтенсивних ВРЭ виявляють таку взаємозв'язок. Ця особливість ВРЭпозволяет припустити наявність єдиного процесу розсіювання, що необхідно враховувати під час відборі потенційно можливих механізмів електронного висипання. Виявлено три досить чітко різняться типу висипів електронів високої енергії. Кожен тип може бути зв’язаний з цим розсіюванням електронів відомими магнитосферными плазменними хвилями.

При адиабатических умовах енергійні електрони можуть здійснювати коливальне рух між магнітними «дзеркальними» точками в неоднорідному магнітному полі. Частинки будуть дзеркально відбиватися над атмосферою, отже, є захопленими. Частинки, вони виявилися в конусі втрат, висипають у повітря і гинуть. Для електронів і іонів високої енергії в зовнішньому радіаційному поясі найефективнішим механізмом розсіювання по питч-углам передбачає існування резонансних взаємодій з природними плазменними хвилями в магнітосфері, що зумовлює доплеровскому зміщення частоти на величину, кратну релятивістської гирочастоте.

Резонанс з електронами потребує великої доплеровского усунення (чи високих швидкостей електронів) і энергии.

З теоретичних аргументів можна припустити, що ионно-циклотронные хвилі найлегше генеруються всередині плазмосферы, має високу щільність плазми, чи межах отделившихся від плазмосферы плазмових областей, у яких. Ем=0.3−10 кэВ. Тому резонансні енергії електронів повинні розташовуватися в ультрарелятивистской області (0,5 -50 МэВ), тоді як резонансна енергія іонів дорівнює 1 -1000 кэВ.

Ионно-циклотронные хвилі спостерігалися переважно у вечірньому секторі магнітосфери з типовим значенням максимальної амплітуди на кілька гам. З рис. 1 (1) можна зрозуміти, що цього йому досить для залучення резонансних іонів і високоенергічних електронів в режим сильної дифузії.

Проте, крім випадків, коли щільність плазми дуже великий, резонансні енергії електронів лежатимуть явно вище 1 МэВ.

Суто електростатичні хвилі спостерігалися у зовнішній магнітосфері в частотних шпальтах, зосереджених між гармоніками електронної гирочастоты. Їх часто називають верхніми гібридними хвилями. Зазвичай, хвилі поляризованы, причому хвильової вектор kпочти перпендикулярний до вектору магнітного поляB, і поздовжня складова хвильового вектора kсравнима з величиною зворотного ларморовского радіуса гарячих електронів плазмового шару. Типові значення резонансних енергій електронів становлять кілька кэВ. У насправді, такі хвилі неефективні при розсіянні високоенергічних электронов.

1.1. Аналіз окремих случаев.

1.1.1. Явище, що з хвилями типу свистів. Спочатку аналіз обмежили пошуком розсіювання як сильної дифузії електронів з енергіями вище 235 кэВ. Мабуть, з жорсткості цього критерію пощастило виявити лише 7 випадків, які можна віднести до розсіюванню, пов’язаного зі свистовыми хвилями. В усіх випадках вони ставилися до пізнього ранковому сектору, де поява хорів максимально. Розсіювання найбільше у самому низкоэнергичном (33 кэВ) каналі, слабшаючи за переходу до вищим енергіям. Не виявлено ніякого одночасного висипання ионов.

1.1.2. Явище, що з електромагнітної ионно-циклотронной хвилею. У цих за 14 місяців лише чотири події задовольняють критерію, який визначає розсіювання електронів електромагнітними ионно-циклотронными хвилями. Усі вони спостерігалися на малих L поблизу вечірнього меридіана, у яких такі хвилі переважно порушуються. Не спостерігалося ніякого висипання електронів при енергії нижче 160 кэВ. При 235 кэВ є дані, що конус втрат частинок частково заповнений. У міру збільшення енергії електронів інтенсивність розсіювання прогресивно зростає, досягаючи рівня розсіювання як сильної дифузії на енергії більш 850 кэВ. Обмежена за широтою область висипання релятивістських електронів занурена на більш широку зону висипання іонів як сильної диффузии.

1.1.3. Явище, що з електростатичної ионно-циклотронной хвилею. Більшість (302 випадку) виявлених подій має особливість, властиву розсіювання частинок электростатическими ионно-циклотронными хвилями: широкий інтервал енергій изотропного потоку высыпающихся електронів, що супроводжуються висипанням іонів як сильної дифузії. Зазвичай, такі висипання мають місце поблизу верхньої межі значень L області захоплених енергійних електронів, проте, явно не більше зовнішнього кордону захоплення, що з переходом до області незамкнутых геомагнітних силових ліній полярною шапки. Такі події сильно переважають на нічний боці не більше інтервалу широт, властивого овалу полярного сяйва (рис 2) (1). Це цілком узгоджується з процесом паразитного розсіювання високоенергічних електронів, які градиентным дрейфом до зони постійно існуючої сильної турбулентності, що з ионными модами, на широтах нічного сектора овалу полярного сяйва. Зміщення до екватору області висипів релятивістських електронів під час обурень цілком узгоджується з встановленим зміщенням овалу полярного сяйва під час суббурь.

Отже, осадження енергійних електронів у повітря може бути як є основним джерелом іонізації області D, і призвести до утворення додаткового кількості молекул водню й азоту, які, як відомо, можуть виконувати роль що руйнують озон каталізаторів на висотах середньої атмосфери. Через війну зростання кількості водню надзвичайно жорсткі по енергій й інтенсивні ВРЭ, згадані вище, можуть призвести до локального зменшенню озону (~30%) в мезосфере на субавроральных широтах. При що спостерігається 5 — 10% частоті появ такі події стають також є основним джерелом протягом року окису азоту в субавроральной мезосфере, та його вплив то, можливо істотним навіть у верхньої стратосфері. Понад те, оскільки наш аналіз даних супутника обмежений невеликим числом типів подій, що характеризуються наявністю режиму сильної дифузії в висипанні релятивістських (> 230 кэВ) частинок, наведені вище оцінки супутніх атмосферних ефектів є дуже поміркованими. Події у режимі слабкої дифузії, і навіть події з участю електронів менших енергій, відбуваються набагато частіше, і стають суттєвими ефекти поступового накопичення. Реальність цього припущення підтверджено экспериментами.

(Основним джерелом енергії іонізації D шару іоносфери є енергійні частки: електрони і протоны.).

2.Изучение кінетичних методів исследования.

(Поки що тут розглянуті вплив високоенергічних часток, высыпающихся з магнітосфери, і іоносфери в кінетичному розгляді, тобто. не враховуючи плазмових хвиль чи коливань магнітної силовий трубки.).

Взаємодія між магнітосферою і іоносферою відбувається за двома каналам, одна з яких може бути корпускулярним, пов’язані з вторгненням енергійних частинок, а інший — хвильовим, що забезпечує передачу електричних полів і поздовжніх струмів. Спочатку розглянемо первый.

Певний кількість протонів і електронів, захоплених на силовий лінії геомагнітного поля, матимуть дзеркальні точки у атмосфері в розквіті щонайменше 100 км. Проникаючі у повітря частки зіштовхуються з атомами і молекулами атмосфери та поступово віддають свою енергію нейтральним атомам і молекулам. Головним стоком енергійних заряджених частинок магнітосфери є атмосфера, по крайнього заходу, у сфері, яка характеризується високими значеннями L (наприклад, L>5).

Заряджені частки при вторгненні відчувають ряд пружних і неупругих сутичок з атомами і молекулами атмосфери. Вони поступово витрачають свою енергію: але в іонізацію і порушення нейтральних частинок повітря і б) на випромінювання енергії при прискоренні в кулоновском полі атомних ядер (гальмівне рентгенівське випромінювання). Для частинок низьких енергій (тобто. електронів з енергіями.

Наслідки процесу іонізації й пробудження у верхній атмосфері можна досліджувати за змінами діелектричним постійної верхньої атмосфери і оптичних випромінювань з цих галузей. Спостерігалися оптичні полярні сяйва, для порушення яких необхідна енергія, переважає загальну енергію всіх енергійних електронів, запасённых в усій магнітосфері. Це доводить, крім іншого, ефективність атмосфери як стоку для енергійних частиц.

Щоб кількісно досліджувати вплив сутичок частинок різні явища у верхній атмосфері, треба зазначити, як відбувається у верхньої атмосфері диссипация енергії частинок. З іншого боку, детальне вплив морфології нерегулярною, викликаної частинками іонізації у верхній атмосфері може призвести до кращому розумінню тимчасових варіацій потоків частиц.

Приблизна глибина проникнення протонів і електронів різних енергій представлена на рис. 3 (2), оскільки висип частинок — процес статистичний, фактична глибина проникнення не постійна всім часток отримують за однаковими початковими умовами. Значення, приведені на рис. 3 (2), слід, в такий спосіб, розглядати, як середні висоти у яких більшість енергії поглинається при неупругих зіткненнях в припущенні, що частки пробираються у атмосферу вертикально.

Оскільки глибина проникнення значною мірою залежить від енергії (рис. 3) (2), різні ділянки енергетичного спектра частинок впливають різні верстви атмосфери. Тільки електрони і протони з енергіями понад десять кэВ і 200 кэВ відповідно можуть проникнути нижче 100 км і іонізуйте область D, а іонізація області F може викликатися лише частинками з енергіями сотні эВ.

Статистично енергетичний спектр електронів і протонів зі зростанням широти стає м’якше. Тому очікувати, внесок вторгающихся частинок в іонізацію має місце у полярних областях на більшої висоті, ніж у середніх широтах. Висип частинок у широтах впливає, очевидно, лише з область D. У зоні полярного сяйва іонізація областей D і F до певної міри підтримується частинками, тоді і в середині полярних шапок вторгающиеся частки в нормальних умов, очевидно, ионизируют лише верхню частина іоносфери. Спорадическая іонізація може змінювати цю картину, особливо у полярних областях, де высокоэнергичные протони сонячного походження часом викликають значне посилення іонізація у нижній частині області D.

2.1. Электроны.

2.1.1. Втрата енергії і розсіювання. Енергійний електрон, що пробирається в верхню атмосферу, внаслідок неупругих сутичок з молекулами повітря поступово втрачає свою енергію W. Середня втрата енергії одне неупругое зіткнення становить для енергійних електронів (тобто. W>500 эВ).

близько 90 відсотків еВ. Ця енергія повідомляється пов’язаного електрону, який відірветься від вихідного атома з енергією, досить високої, щоб ионизовать решта 2 атома.

Середній атомний номер у верхній атмосфері дорівнює 7,3, у своїй передбачається, що відносне зміст молекул кисню та азоту становить 3:7. З іншого боку, що перетин розсіювання двухатомной молекули ще більше, ніж перетин одного атома (що не справедливо). Швидкість втрати енергії повітря показано на рис. 4 (2). За цими даними можна встановити залишковий пробіг електрона з цією енергією W, визначається формулой:

Якщо відхилення траєкторії електрона, викликані пружними зіткненнями, були незначні, за такою формулою (3.) легко визначити повну глибину проникнення. Але траєкторія електрона відрізняється від прямий лінії, у загальному разі виконати завдання аналітично дуже важко, і лише у кількох про чисельні рішеннях повністю враховані ефекти складного руху электронов.

Відхилення траєкторії електрона обумовлені переважно пружними зіткненнями з атомами атмосфери (тобто. кулоновским розсіюванням). Перерізу пружних і неупругих сутичок досить добре відомі до енергій, перевищують кілька кэВ. Відомо, що у кожне неупругое зіткнення електрона доводиться від 5 до 10 пружних сутичок. Якщо середня втрата енергії одне неупругое зіткнення становить близько ста еВ. Те електрон має відчувати приблизно 100 пружних сутичок, як втрата енергії досягне 1 кэВ. Отже, з початковій енергією близько 50 кэВ «забуде» про вихідному напрям руху задовго перед тим, як і зупиниться, навіть якщо середній кут розсіювання при кожному пружному зіткненні малий. Усі обчислення засновані на припущенні про горизонтальній стратифікації атмосфери і вертикальному розташуванні силових ліній геомагнітного поля (що досить добре виконується на високих широтах).

Спочатку знаходять траєкторію електрона. Вибираються три довільних параметра, що дають: а) відстань, прохідне до наступного пружного чи непружного співудару; і б) собі напрямок руху після зіткнення. Розподіл цих довільних чисел визначається поєднаннями, представленими на рис. 5 (2).

Процес триває до того часу, поки: а) первинний електрон не витратить все своє енергію чи; б) електрон не піде геть із атмосфери як електрон альбедо. Щоб самому отримати статистично достовірні результати, необхідно розглянути досить багато первинних електронів, більш ніж 10 000.

2.1.2. Протилежне розсіювання енергійних електронів атмосферою. Електрони альбедо не дають істотного внеску до іонізацію верхньої атмосфери, для кількісного зіставлення іоносферних процесів і потоків частинок над атмосферою важливо знати, яка частина вторгающихся електронів відбивається атмосферою. Коефіцієнт відображення залежною істотно від енергії. Проте середня втрата енергії для електронів альбедо істотно змінюється зі зміною кута входження до атмосферу від 30 до 10% для електронів з початковими питч-углами 30 і 80* відповідно.

2.1.3. Поглиненна високоенергічних електронів у атмосфері. Вплив атмосферного розсіювання на пучок моноэнергетических електронів наведено на рис. 6,(2), де показано вертикальне ослаблення пучка електронів, спочатку мають те й теж напрям, з енергією 50 кэВ, входить у атмосферу з точки 55*.Электроны, як встигнуть витратити все своє енергію, проникають до висоти 80 км, але вже висоті 150 км пучок виявляє значне кутовий розширення. Уширение пучка ще ясніше видно в розквіті 100 км, де починається зменшення енергії електронів. На висоті 90 км «непоглощенные» електрони можна спостерігати лише у напрямі, близький до вертикальному, тоді як малоэнергичные електрони мають дуже широке розподіл із чотирьох кутів. З цього прийому модно укласти, що енергетичний спектр спочатку паралельного і моноэнергетического пучка електронів, який розсіявся і поглотился у атмосфері, має дуже складні питч-уговое і висотну розподілу. Изотропные потоки електронів спостерігаються лише за найнижчих енергії майже кінці траєкторії, тобто. між 80 і 85 км для.

як у даному прийомі електронів. При ретельному аналізі даних, представлених на рис. 6, (2), видно дуже незначні висотні варіації в потоках електронів альбедо (в розквіті понад сто км). Отже, розсіювання, що змушує повертатися електрони у космічний простір, має місце майже кінці траектории.

Обмежимося тим, що уявімо висотний профіль втрати енергії для первинних електронів деяких енергій і знання кількох кутів входу в атмосферу.

Залежність висотних профілів втрати енергії електронів з енергією 6 і 50 кэВ від кута падіння показано на рис. 7 і побачили 8-го (2) відповідно. Електрони, які перетинають атмосферу у майже вертикальному напрямі, створюють максимум іонізації, що у 100 — 1000 разів більше максимуму, викликаного електронами, які входять у атмосферу під великими зенітними кутами. Сильна залежність від зенітного кута пояснюється почасти тим, що енергія швидкого електрона, рушійної під великим зенітним кутом, розподілятиметься по горизонтальній площі, що пропорційна секансу зенітного кута. Однак понад істотні значні варіації потоку електронів альбедо залежно від питч-углов.

У освіті іонізації великих висотах найефективніші електрони, що входять до атмосферу під зенітним кутом 60*. Є до певної міри несподіваним відсутність залежності максимуму висоти від початкового питч-угла електронів на відміну то подібних варіацій, можна побачити в іоносферному шарі, освіченим сонячним випромінюванням. Причина уявного сталості максимуму, у тому, що: а) внаслідок невеликого відносини перетинів пружних і неупругих сутичок енергійні електрони сильно відхиляються від початкового напрями руху задовго перед тим, як поглотятся і б) можливі незначні розбіжності у висоті максимуму важко знайти через великого градієнта щільності нейтральній атмосферы.

2.2. Протоны.

Вторгнення енергійних протонів викликає іонізацію і порушення у верхніх шарах атмосфери переважно цим шляхом, як і вторгнення електронів. Проте, володіючи великий масою, вже майже їй не довіряють бодай якихось помітних відхилень у зіткненні з атомами атмосфери. Отже, у першому наближенні можна вважати, що кут між вектором локального магнітного поля і вектором швидкості протона постійний в рассеивающей середовищі, тоді як швидкість протона поступово уменьшается.

Проблема обчислення диссипации енергії протона міг би видатися тривіальної, але процес перезарядження. Принаймні проникнення на зовнішній область атмосфери протони вибивають пов’язані електрони з атомів. Ефективні перерізу перезарядження водню і кисню майже однакові, але друга важливіша, оскільки зміст кисню кілька порядків величини перевершує зміст водорода.

Основний ефект процесу перезарядження у тому, що вторгающиеся протони розподіляються з великої горизонтальній площі. Іонізований атом водню іде магнітним полем, тоді як нейтральний атом може рухатися великі відстані, не відчуваючи впливу поля. Важливість процесу перезарядження посилюється тим чинником, що сьогодні середня довжина вільного пробігу нейтрального водню з енергією 5 кэВ до перезарядження на висотах від 150 до 500 км зростає у 5 — 20 раз проти довжиною вільного пробігу протона з тією ж енергією. Отже, атом водню перебуває багато часу в нейтральному стані. Спочатку вузький пучок протонів то, можливо «розмазаний» внаслідок процесів перезарядження великим інтервалу широт.

Через процесу перезарядження проблема обчислення диссипации пучка стає двумерной. Тільки коли вторгнення протонів відбувається великий горизонтальній площі, зв’язок енергетичного спектра часток отримують за вертикальним профілем втрат енергії можна буде. І тут годі й враховувати процес перезарядження, оскільки ефективні перерізу сутичок для нейтрального водню і протонів майже одинаковы.

Глибина проникнення атмосферу протонів різних енергій показано на рис. 9 (2). Оскільки пружні зіткнення несуттєві для протонів середніх енергій, глибина проникнення змінюється залежно від кута входження до атмосферу, на противагу з того що приміром із енергійними електронами. Протон,.

вхідний вертикально у повітря, проникає приблизно на 20 км глибше, ніж протон з зенітним кутом 80*.

На рис. 10 (2), представлені вертикальні профілі швидкості втрати енергії спочатку изотропных моноэнергетических потоків протонів. Горизонтальне розсіювання, викликане процесами перезарядження, в обчисленнях не враховувалося. Обчислення засновані на коефіцієнти поглинання, наведених на рис. 11 (2).

Висота максимальної втрати енергії зменшується від ~ 200 км до ~ 90 км, тоді як енергія протонів зростає від 1 до 1000 кэВ. Нові моделі атмосфери, можливо, якимось чином зменшувати ці висоти, але малоймовірно, щоб у результаті профілі змістилися понад 5 км.

У результаті існування градієнта щільності у атмосфері «товщина» профілів втрати енергії зменшується зі зростанням енергії протонів, і при цьому максимум в профілі різко зростає. Отже, за зміни енергії протонів від 1 до 1000 кэВ максимальні втрати енергії збільшуються в $ 60 000 раз.

(Електрони і протони по-різному поводяться, проникаючи в іоносферу. Електрони, після небагатьох сутичок, «забувають» про своє початковому напрямі. Протони ж, у процесі перезарядження, проникають набагато глибший, оскільки нейтральний атом не відчуває кулонівського рассеяния.).

3.Изучение гідродинамічних методів исследований.

(У цьому главі розглядатимуться різні типи взаємодій хвиль з частицами.).

Розглянемо інший канал зв’язку — хвильової, здійснює передачу електричних полів і поздовжніх токов.

Хвильової канал настільки пов’язує елементи магнитосферно-ионосферной системи, що говорити про єдиної електричної ланцюга, у якій майже будь-який процес є спільним продуктом магнітосфери і іоносфери. Деякі з висипів, зокрема дискретні дуги полярного сяйва, управляються з іоносфери. Зворотний зв’язок здійснюється з допомогою хвильового каналу. Схема зворотний зв’язок виглядає так. Вторгающийся потік змінює провідність іоносфери. У присутності зовнішнього електричного поля область мінливою провідності генерує гидромагнитную хвилю, спрямовану геомагнитным полем. Розповсюджуючись в магнітосферу, гідромагнітна хвиля взаємодіє зі частинками, примушуючи їх при певних умов висипатися, (але що відомий конкретний механізм взаємодії гидромагнитной хвилі із часточками). Можна запропонувати два варіанта передачі цієї енергії частинкам. У перший варіант хвиля змінює магнітне полі силовий трубці, модулюючи потік енергійних частинок. У другому — відбувається прискорення «холодних» частинок в подовжньому електричному полі волны.

3.1. Модуляція потоків енергійних частинок гидромагнитными волнами.

Припустимо, що є фонове висип частинок, обумовлене, наприклад, дифузією в конус втрат. Знайдемо глибину модуляції высыпающегося потоку залежно від амплітуди геомагнітних пульсацій, які можна пов’язувати зі стоячою альвеновской хвилею, захопленої між магнитосопряженными ділянками ионосфер різних півкуль. Відомо, що щоб їх альвеновские хвилі не супроводжуються стиском магнітного поля. Проте, в неоднорідному магнітному полі кожна коливання магнітна силова лінія відчуватиме субстанциональные стискування і розрідження. Магнітне полі такий що хитається трубці змінюється по закону:

де — коливальна швидкість трубки. Плазма, вмороженная в трубку, коливну в меридиальной площині, відчуває періодичне нагрівання і охолодження, що зумовлює варіаціям частинок у трубці з періодом її поперечних коливань. Варіації потоку частинок лише на рівні іоносфери істотно залежить від характеру змін питч-углового розподілу частинок. Розглянемо чотири випадку, відмінних характером зміни функції розподілу, і навіть енергією частинок. Спочатку знайдемо зв’язок глибини модуляції з амплітудою коливань в екваторіальній площині, та був з амплітудою пульсацій лежить на поверхні Земли.

3.1.1. Випадок швидкої изотропизации. Відносне зміна потоку то, можливо знайдено з теореми Лиувилля й выражением:

де — потік частинок в одиниці тілесного кута й у одиничному інтервалі енергій , — обурені величины.

Поперечні радіальні коливання трубки супроводжуються зміною її обсягу. Припускаючи процес адиабатическим, з рівняння адиабаты знаходимо зв’язок між зміною енергії частинок і змінами объема:

Розглянемо першу гармоніку коливань. Вважаємо для простоти, що міра трубки пропорційний (- геоцентрическое розсіювання до труби в екваторіальній площини у радиусах Землі). Имеем:

3.1.2. Випадок збереження адиабатических інваріантів. Цей випадок, мабуть, реалізується у спокійне час далеко від яскравих форм сяйв. Висип частинок в іоносферу пов’язано цьому з скороченням магнітних силових ліній у процесі стаціонарної конвекції магнитосферной плазми. Хоча наближенням магнітної силовий лінії до Землі питч-углы заряджених частинок збільшуються, конус втрат збільшується рішуче. Высыпающийся потік приблизно дорівнює, де і - концентрація частинок і їхнє радіального дрейфу в екваторіальній площині. Модуляція потоку має вид:

Останнє рівність виконується при характерних значеннях км/с і км/с.

3.1.3. Модуляція инкремента наростання свистовой моди. Передбачається, що фонове висип викликано дифузією частинок в конус втрат через резонансного стосунків з свистовой модою. Ця мода безупинно генерується завдяки анизотропии розподілу електронів по питч-углам. Прибуток наростання свистовой моди залежить від зовнішнього магнітного поля. Гідромагнітна хвиля, обурюючи магнітне полі, змінює приріст свистовой моди, що зумовлює модуляції коефіцієнта дифузії і, отже, до модуляції высыпающегося потоку. Як гидромагнитной хвилі ми приймали магнитозвуковую. Проте, з формули (4), яку направляють альвеновская хвиля в неоднорідному полі також супроводжується субстанциональными змінами магнітного поля.

Якщо дифузія в конус втрат дуже велика, высыпающийся потік равен:

де величина коефіцієнта для чотирьох розглянутих випадків приймає відповідно рішення; і. Найбільш сприятливий для модуляції випадок 2 (збереження інваріантів); при амплітудою коливань отримуємо у разі Випадки 1,3 і 4 спроможні викликати лише 10 -20%-ную модуляцію потоків частинок. Нагадаємо, що випадок 1 (швидка изотропизация) дає нижню межу для глибини модуляції низкоэнергичных (.

Слід зазначити своєрідність випадку 4. Попри майже повну відсутність взаємодії що хитається трубки з высокоэнергичными частинками, высыпающийся потік відчуває досить сильну модуляцию.

3.2. Подовжні електричні поля.

Найбільш переконливим доказом існування поздовжніх електричних полів є часто спостережувані потоки часток отримують за питч-углами, зосередженими поблизу. Такі потоки спостерігаються як і іоносфері, і у магнітосфері, бо свідчить про наявність подовжньої різниці потенціалу порядку кількох кіловольт. Механізм виникнення подовжнього поля неясний, проте його можна виділити декілька можливих джерел: 1) різна питч-угловая анізотропія електронів і протонів; 2) термоелектричний ефект за українсько-словацьким кордоном між гарячої магнітосферою й холодною ионосферной плазмою; 3) подовжній струм, стерпний гарячими електронами з урахуванням збіжності магнітних силових ліній; 4) аномальне опір; 5) подвійний сой; 6) нестача холодної плазмы.

(З вищевикладеного видно, що хвилеве взаємодія слід зважати на, розглядаючи висип високоенергічних часток. Таке взаємодія вносить суттєвий внесок у іонізацію ионосферы.).

4. Теоретичні оцінки ефектів у нижній ионосфере.

(У цьому главі дадуть оцінки різним магнитосферно-ионосферным взаимодействиям).

Розглянувши два методу дослідження нижніх верств іоносфери, можна зробити деякі оцінки різних ефектів і порівняти їх. Оцінимо корпускулярне взаимодействие.

Глибина проникнення частинок в іоносферу значною мірою залежить від своїх енергії. Як очевидно з рис. 3 (2), різні ділянки енергетичного спектра частинок впливають різні верстви атмосфери. Тільки електрони і протони з енергіями понад десять кэВ і 200 кэВ відповідно можуть проникнути нижче 100 км і іонізуйте область D, а іонізація області F може викликатися лише частинками з енергіями сотні эВ.

Так, щоб проникнути всередину іоносфери до висоти 100 км, електрон (загалом) повинен мати енергію 9 кэВ, а протон, — повинен мати енергію 300 кэВ. Отже, не дивлячись більш сприятливі умови проникнення для протонів (процес перезарядження), вони ж повинен мати вищу енергію, проти електронами, щоб проникнути ж на таку ж глибину. Електрон, володіючи енергією 100 кэВ, проникає до висоти 70 км, а протон, з аналогічної енергією, — лише до висоти 110 км.

Статистично енергетичний спектр електронів і протонів зі зростанням широти стає м’якше. Тому очікувати, внесок вторгающихся частинок в іонізацію має місце у полярних областях на більшої висоті, ніж у середніх широтах. Висип частинок у широтах впливає, очевидно, лише з область D. Але ступінь іонізації іоносфери залежить тільки від енергії частинок, а й від кута, рід яким частка входить. Електрони, які перетинають атмосферу у майже вертикальному напрямі, створюють максимум іонізації, що у 100 — 1000 разів більше максимуму, викликаного електронами, які входять у атмосферу під великими зенітними кутами. Сильна залежність від зенітного кута пояснюється почасти тим, що енергія швидкого електрона, рушійної під великим зенітним кутом, розподілятиметься по горизонтальній площі, що пропорційна секансу зенітного кута. Приміром, освіти іонізації великих висотах найефективніші електрони, що входять до атмосферу під зенітним кутом 60*.

До певної міри є несподіваним відсутність залежності максимуму висоти іонізації від початкового питч-угла електронів на відміну то подібних варіацій, можна побачити в іоносферному шарі, освіченим сонячним випромінюванням. Причина уявного сталості максимуму, у тому, що: а) внаслідок невеликого відносини перетинів пружних і неупругих сутичок енергійні електрони сильно відхиляються від початкового напрями руху задовго перед тим, як поглотятся і б) можливі незначні розбіжності у висоті максимуму важко знайти через великого градієнта щільності нейтральній атмосферы.

Отже, можна дійти невтішного висновку, що максимальні внесок у іонізацію нижнього шару D іоносфери, дають електрони, що входять до атмосферу в вертикальному напрямі. Тепер оцінимо хвилеве взаимодействие.

Розповсюджуючись в магнітосферу, гідромагнітна хвиля взаємодіє зі частинками, примушуючи їх при певних умов висипатися. Можна запропонувати два варіанта передачі цієї енергії частинкам. У перший варіант хвиля змінює магнітне полі силовий трубці, модулюючи потік енергійних частинок. У другому — відбувається прискорення «холодних» частинок в подовжньому електричному полі волны.

Випадки «швидкої изотропизации», «модуляції инкремента наростання силовий моди» і «модуляції потоків високоенергічних часток» (всі випадки описані вище) спроможні викликати лише 10 -20%-ную модуляцію потоків частинок. Слід зазначити своєрідність випадку «модуляції високоенергічних часток». Попри майже повну відсутність взаємодії що хитається трубки з высокоэнергичными частинками, высыпающийся потік відчуває досить сильну модуляцію. Частинки великих енергій проходитимуть через трубку, майже реагуючи їхньому коливання. Можна вважати, що магнітна силова трубка коливається на нерухомому тлі енергійних частинок. Коливання трубка, подібно зонду, буде проектувати на свій підставу частки з різних галузей ионосферы.

З розглянутої видно, що як вагомий внесок у іонізацію нижніх верств іоносфери дає корпускулярне взаємодія, а й хвильовим взаємодією годі нехтувати; позаяк у першому випадку частки висипають з радіаційного пояса з точки близькими до 0* (даючи максимальну іонізацію), тоді як у другому — частки модулюють із різних верств іоносфери під різними кутами (які мають яскравою залежність від кута входження до атмосферу).

(Найбільший внесок у іонізацію верхньої атмосфери дають высокоэнергичные електрони, высыпающиеся вертикально, чи близько до 0*.).

Заключение

.

Розглянувши що з видів ионосферно-магнитосферных взаємодій, можна дійти невтішного висновку, що взаємодія відбувається, по крайнього заходу, з двох каналам: хвильовому і корпускулярному. Обидва виду взаємодій досить докладно були рассмотрены.

Висип енергійних частинок в іоносферу на середніх широтах вимагає якихось особливих умов. Таких як: висока енергія, якого має мати частка, малий питч-угол, щоб матимуть можливість вирватися з магнітної силовий трубки, чи необхідні сильні обурення магнітних силових ліній, вздовж яких рухаються частки в магнітосфері. Такі висипання редки.

Щоб викликати такі висипання штучно, необхідно випроменити в іоносферу радіоімпульс великий мощности.

Такі висипання додатково локально ионизируют верхні верстви атмосфери, збільшуючи ступінь неоднорідності. Такі події дуже сприятливо впливають пройти і відбиток радіохвиль, позаяк у іоносфері з’являються додаткові неоднорідності, спотворюють фазовий фронт волны.

У цьому курсової роботі проведено дослідження методів вивчення взаємодії енергійних часток отримують за нижніми верствами іоносфери. Зроблено оцінки взаємодій різних частинок (окремо електронів і протонів) з іоносферою; також розглянуті причини їх висипів і слідства у залежність від параметрів частинки й хвилі, яка взаємодіє зі такий часткою. Це то, можливо глибина проникнення, ступінь іонізації від енергії частки, її питч-угла, або ж виду цієї частки (протон чи электрон0.

Подані у цій роботі методи дослідження висипів енергійних частинок — далеко ще не більша частина з усіх існуючих. Тут було розглянуті лише найбільш основные.

1. Либов Р. Введення у теорію кінетичних рівнянь. -М: Світ, 1974. — 371 с.

2. Ляцкий В. Б., Мальцев Ю. П. Магнитосферно-ионосферное взаємодія. -М.: Наука, 1988 — 192 с.

3. Полярна верхня атмосфера. -М: Світ, 1983 — 456 с.

4. Хир До. Статистична механіка, кінетична теорія і стохастические процеси. -М: Наука 1988 — 600 с,.

5. Космічна геофізика. -М: Світ, 1976 — 544 с.