Исследование реакции нижней ионосферы на высыпание энергичных частиц из радиационных поясов Земли - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
УДК. 550.338.2
Министерство образования Украины
Харьковский Государственный Университет
Радиофизический факультет
Кафедра космической радиофизики
Курсовая работа
Исследование реакции нижней ионосферы на высыпание энергичных частиц из
радиационных поясов Земли
Руководитель, кандидат физико-
математических наук В.Т.Розуменко
Исполнил, студент группы РР- 46
В.Ю.Толстолуцкий
Харьков 1998
УДК. 550.338.2
Реферат.
Исследование реакции нижней ионосферы на высыпание энергичных частиц из
радиационных поясов Земли
Толстолуцкий В. Ю., курсовая работа, Харьков, ХГУ, кафедра космической
радиофизики; содержит 28 страниц, 11 рисунков.
В данной курсовой работе сделан обзор теоретических методов исследования
высыпания энергичных электронов на средних широтах и реакция нижней
ионосферы на такие высыпания в зависимости от параметров частиц.
Рассмотрены некоторые виды взаимодействия ионосферы с магнитосферой, и
высыпание частиц как результат такого взаимодействия. Также рассмотрены
некоторые виды взаимодействий волна – частица и, как результат, изменение
параметров энергичных частиц или же их высыпание. Сделаны оценки параметров
частиц (электронов или протонов), высыпающихся на средних широтах.
Ключевые слова: высыпание, энергичные частицы, электрон, протон, нижний D
слой ионосферы, рассеяние энергии, модуляция потоков частиц, кинетический
метод, гидродинамический метод.
Содержание.
Ведение………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………….3
1. Оценки параметров энергичных электронов и протонов, которые высыпаются
на средних широтах
(обзор);…………………………………………………………………………………………………………………………………………….4
1.1 Анализ отдельных
случаев:……………………………………………………………………………………………………………..7
1.1.1. Явление, связанное с волнами типа
свистов;……………………………...7
1.1.2. Явление, связанное с электромагнитной ионно-
циклотронной
волной;…………………………………………………………………………………………………………………………………..7
1.1.3. Явление, связанное с электростатической ионно-
циклотронной
волной…………………………………………………………………………………………………………………………………….7
2. Изучение кинетических методов
исследования:…………………………………………………………………………………..10
2.1.
Электроны:………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
10
2.1.1. Потеря энергии и
рассеяние;…………………………………………………………………………..10
2.1.2. Обратное рассеяние энергичных электронов
атмосферой;…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………….12
2.1.3.Поглощение высокоэнергичных электронов в
атмосфере;……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………12
2.2.
Протоны………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
16
3. Изучение гидродинамических методов
исследования;………………………………………………………………….21
3.1. Модуляция потоков энергичных частиц гидромагнитными
волнами;…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………….21
3.1.1. Случай быстрой
изотропизации;………………………………………………………………….21
3.1.2. Случай сохранения адиабатических
инвариантов;………………….22
3.1.3. Модуляция инкремента нарастания свистовой
моды;………..22
3.1.4. Модуляция потоков высокоэнергичных
частиц…………………………..23
3.2. Продольные электрические
поля…………………………………………………………………………………………..24
4. Теоретические оценки эффектов в нижней
ионосфере…………………………………………………………………25
Заключение…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………….27
Литература….……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………..28
Введение.
В настоящее время надежно установлено, что Земля и ее магнитное поле
погружены в непрерывно текущий поток плазмы солнечного происхождения –
солнечный ветер. Солнечный ветер, который представляет собой расширение
солнечной короны со сверхзвуковой скоростью, несет с собой в космическое
пространство магнитное поле Солнца. Магнитное поле Земли взаимодействует с
плазмой солнечного ветра, и на геоцентрическом расстоянии примерно [pic]
между Землей и Солнцем образуется ударный фронт. Основной поток солнечного
ветра обтекает Землю и уносит геомагнитное поле в длинный магнитный хвост.
Следовательно, Земля окружена магнитной полостью – магнитосферой, строение
и свойства которой определяются главным образом магнитным полем земли и
токами, генерируемыми солнечным ветром. Считают, что частицы солнечного
ветра попадают в атмосферу либо через магнитный хвост, либо через полярные
каспы с низкой напряженностью магнитного поля, расположенные на дневной
стороне Земли. Как известно в магнитосфере протекает множество физических
процессов. Многие из них, косвенно связанные с такими давно известными
явлениями, как полярные сияния (высыпание частиц в полярных широтах), и
магнитные бури, прямо или косвенно обусловлены взаимодействием солнечного
ветра и магнитосферы Земли.
Чтобы узнать как взаимодействуют магнитосфера и ионосфера необходимо
изучить все, или хотя бы основные, происходящие процессы. Для этого следует
вначале предположить (грубое предположение), что ионосфера и магнитосфера
существуют независимо друг от друга, и изучить их по отдельности. Затем
можно предположить, что некоторые процессы в ионосфере являются следствием
некоторых процессов в магнитосфере (или наоборот). Т. е., в принципе
следует изучать магнитосферу и ионосферу как две сильно связанные системы.
Было сделано предположение о двух видах взаимодействия: корпускулярном и
волновом. Первый процесс происходит «сверху вниз»: т.е. частицы, высыпаясь
из радиационных поясов магнитосферы воздействуют на ионосферу. Второй –
может осуществляться как «снизу вверх», так и при помощи различных внешних
факторов (к примеру – солнечный ветер). Частым результатом такого процесса
является высыпание частиц в атмосферу Земли. Высыпания могут быть
совершенно различными, как по энергиям, так и по углам вхождения в
атмосферу. Высыпания различают также по типу частиц: протоны или электроны.
Отметим, что результаты высыпаний электронов и протонов (степень
ионизации и глубина проникновения) с одинаковыми энергиями и углами
вхождения будут различными.
В данной работе будет рассмотрено взаимодействие магнитосферы Земли
посредством различных типов волн с частицами, находящимися в радиационном
поясе в зависимости от параметров взаимодействующих волн и частиц. Также
будет рассмотрено высыпание различных частиц. Но здесь будет рассмотрено
лишь несколько видов взаимодействий высыпающихся частиц с атмосферой. Так
как высыпаются не только электроны, но и протоны, то процессы, происходящие
при этом, будут различны. Например, эффективность ионизации зависит не
только от энергии частиц, но и от начальных углов, под которыми входят
частицы. Существует также высотная зависимость степени ионизации от энергии
частиц, причем для различных частиц своя.
1. Оценки параметров энергичных электронов и протонов, которые высыпаются
на средних широтах.
(В данной главе рассмотрены различные случаи высыпаний высокоэнергичных
частиц под воздействием различных типов волн: свистов и ионно-циклотронных)
Во время геомагнитных возмущений высыпание энергичных электронов из
радиационных поясов Земли может быть основным источником притока энергии
для ионизации среднеширотной мезосферы. Один особенно интенсивный тип
высыпаний – это случаи высыпания релятивистских электронов (ВРЭ), которые
характеризуются чрезвычайно высокой энергией электронов (>100 кэВ) вблизи
верхнего предела, определяемого сильной диффузией по питч-углу. Такие
события были сначала отождествлены по поглощению рассеянных вперед
радиосигналов, связанных с резко выраженным возрастанием ионизации в
области D. Последующие исследования радиоволн позволили установить общую
метеорологию таких явлений и четко указали на прямую связь их с активностью
суббурь. Однако количественная оценка вводимой при таких событиях энергии
электронов и ее воздействие на среднюю атмосферу требует прямых ракетных
или спутниковых наблюдений. Были запущены детекторы, способные измерять
энергетический спектр и распределение по питч-углам электронов с
разрешением, необходимым для точных модельных исследований реакции
атмосферы. Представленные здесь результаты дают достаточно детальный обзор
случаев интенсивных ВРЭ, полученных прямым исследованием данных со спутника
за 14 месяцев.
Важный результат, полученный при анализе данных спутника, состоит в
том, что электроны высокой энергии(>100 кэВ) часто оказываются
ограниченными зоной с рассеянием в режиме сильной диффузии, которая, как
правило, совпадает с районом высыпания ионов в том же режиме. Все (за
исключением семи) из 313 случаев, интенсивных ВРЭ обнаруживают такую
взаимосвязь. Эта особенность ВРЭ позволяет предположить наличие единого
процесса рассеяния, что необходимо учитывать при отборе потенциально
возможных механизмов электронного высыпания. Выявлены три достаточно четко
различающихся типа высыпаний электронов высокой энергии. Каждый тип может
быть связан с данным рассеянием электронов известными магнитосферными
плазменными волнами.
При адиабатических условиях энергичные электроны могут совершать
колебательное движение между магнитными «зеркальными» точками в
неоднородном магнитном поле. Частицы будут зеркально отражаться над
атмосферой, и, таким образом, являются захваченными. Частицы, оказавшиеся в
конусе потерь, высыпаются в атмосферу и гибнут. Для электронов и ионов
высокой энергии во внешнем радиационном поясе наиболее эффективным
механизмом рассеяния по питч-углам предполагает существование резонансных
взаимодействий с естественными плазменными волнами в магнитосфере, что
приводит к доплеровскому смещению частоты на величину, кратную
релятивистской гирочастоте.
Резонанс с электронами требует большого доплеровского смещения (или
высоких скоростей электронов) и энергии
[pic]. (1)
Ионы для резонанса должны иметь энергию:
[pic] (2)
На основании теоретических аргументов можно предположить, что ионно-
циклотронные волны легче всего генерируются внутри плазмосферы, имеющей
высокую плотность плазмы, или в пределах отделившихся от плазмосферы
плазменных областей, в которых. Ем=0.3-10 кэВ. Поэтому резонансные
энергии электронов должны располагаться в ультрарелятивистской области (0,5
–50 МэВ), в то время как резонансная энергия ионов равна 1 –1000 кэВ.
Ионно-циклотронные волны наблюдались преимущественно в вечернем
секторе магнитосферы с типичным значением максимальной амплитуды в
несколько гамм. На основании рис. 1 (1) можно заключить, что этого
достаточно для вовлечения резонансных ионов и высокоэнергичных электронов в
режим сильной диффузии.
Рис. 1 Минимальные амплитуды флуктуирующих электрического и магнитного
полей, необходимые для рассеяния протонов (+) или электронов (-) в режиме
сильной диффузии на L=6. При других значениях L необходимые амплитуды
изменяются как [pic].
Однако, за исключением случаев, когда плотность плазмы очень велика,
резонансные энергии электронов будут лежать заведомо выше 1 МэВ.
Чисто электростатические волны наблюдались во внешней магнитосфере в
частотных полосах, центрированных между гармониками электронной
гирочастоты. Их часто называют верхними гибридными волнами. Как правило,
волны поляризованы, причем волновой вектор k почти перпендикулярен к
вектору магнитного поля B , и продольная составляющая волнового вектора
k сравнима с величиной обратного ларморовского радиуса горячих электронов
плазменного слоя. Типичные значения резонансных энергий электронов
составляют несколько кэВ. В самом деле, такие волны неэффективны при
рассеянии высокоэнергичных электронов.
1.1. Анализ отдельных случаев.
1.1.1. Явление, связанное с волнами типа свистов. Первоначально анализ
был ограничен поиском рассеяния в режиме сильной диффузии электронов с
энергиями выше 235 кэВ. Вероятно, в силу жесткости этого критерия удалось
выявить только семь случаев, которые можно было отнести к рассеянию,
связанному со свистовыми волнами. Во всех случаях они относились к позднему
утреннему сектору, где появление хоров максимально. Рассеяние наиболее
значительно в самом низкоэнергичном (33 кэВ) канале, ослабевая при
переходе к более высоким энергиям. Не обнаружено никакого одновременного
высыпания ионов.
1.1.2. Явление, связанное с электромагнитной ионно-циклотронной
волной. В данных за 14 месяцев только четыре события удовлетворяют
критерию, определяющему рассеяние электронов электромагнитными ионно-
циклотронными волнами. Все они наблюдались на малых L вблизи вечернего
меридиана, где такие волны предпочтительно возбуждаются. Не наблюдалось
никакого высыпания электронов при энергиях ниже 160 кэВ. При 235 кэВ
имеются данные, что конус потерь частиц частично заполнен. По мере
увеличения энергии электронов интенсивность рассеяния прогрессивно растет,
достигая уровня рассеяния в режиме сильной диффузии на энергиях более 850
кэВ. Ограниченная по широте область высыпания релятивистских электронов
погружена в более широкую зону высыпания ионов в режиме сильной диффузии.
1.1.3. Явление, связанное с электростатической ионно-циклотронной
волной. Большая часть (302 случая) выявленных событий имеет особенность,
характерную для рассеяния частиц электростатическими ионно-циклотронными
волнами: широкий интервал энергий изотропного потока высыпающихся
электронов, сопровождающихся высыпанием ионов в режиме сильной диффузии.
Как правило, такие высыпания имеют место вблизи верхнего предела значений L
для области захваченных энергичных электронов, однако, заведомо в
пределах внешней границы захвата, связанной с переходом в область
незамкнутых геомагнитных силовых линий полярной шапки. Такие события сильно
преобладают на ночной стороне в пределах интервала широт, характерного для
овала полярных сияний (рис 2) (1). Это согласуется с процессом паразитного
рассеяния высокоэнергичных электронов, которые переносятся градиентным
дрейфом в зону постоянно существующей сильной турбулентности, связанной с
ионными модами, на широтах ночного сектора овала полярных сияний. Смещение
к экватору области высыпаний релятивистских электронов во время возмущений
согласуется с установленным смещением овала полярных сияний во время
суббурь.
Итак, осаждение энергичных электронов в атмосферу может быть как основным
источником ионизации области D , так и привести к образованию добавочного
количества молекул водорода и азота, которые, как известно, могут выполнять
роль разрушающих озон катализаторов на высотах средней атмосферы. В
результате возрастания количества водорода чрезвычайно жесткие по энергиям
и интенсивные ВРЭ, описанные выше, могут привести к локальному уменьшению
озона (~30 %) в мезосфере на субавроральных широтах. При наблюдаемой 5 – 10
% частоте появлений подобные события становятся также основным источником в
течение года окиси азота в субавроральной мезосфере, и их воздействие может
быть существенным даже в верхней стратосфере. Более того, поскольку наш
анализ данных спутника ограничен небольшим числом типов событий,
характеризующихся наличием режима сильной диффузии в высыпании
релятивистских (> 230 кэВ) частиц, приведенные выше оценки сопутствующих
атмосферных эффектов является весьма умеренными. События в режиме слабой
диффузии, а также события с участием электронов меньших энергий, происходят
гораздо чаще, и становятся существенными эффекты постепенного накопления.
Реальность этого предположения подтверждена экспериментами.
(Основным источником энергии ионизации D слоя ионосферы являются
энергичные частицы: электроны и протоны.)
Рис 2. Общая морфология ВРЭ, наблюдаемых на спутнике S3-3 в периоды средних
(A<20) и высоких (A>20) возмущений. Отмечены события, связанные с
рассеянием на свистовых ([pic]) и электромагнитных ионно-циклотронных
([pic]) волнах. Все остальные события относятся к рассеянию
электростатическими ионно-циклотронными волнами.
2.Изучение кинетических методов исследования.
(Здесь будут рассмотрены воздействие высокоэнергичных частиц,
высыпающихся из магнитосферы, и ионосферы в кинетическом рассмотрении, т.е.
без учета плазменных волн или колебаний магнитной силовой трубки.)
Взаимодействие между магнитосферой и ионосферой происходит по двум
каналам, один из которых можно назвать корпускулярным, связанный с
вторжением энергичных частиц, а другой – волновым, осуществляющим передачу
электрических полей и продольных токов. Сначала рассмотрим первый.
Некоторое количество протонов и электронов, захваченных на силовой линии
геомагнитного поля, будут иметь зеркальные точки в атмосфере на высоте не
менее 100 км. Проникающие в атмосферу частицы сталкиваются с атомами и
молекулами атмосферы и постепенно отдают свою энергию нейтральным атомам и
молекулам. Главным стоком энергичных заряженных частиц магнитосферы
является атмосфера, по крайней мере, в области, характеризующейся высокими
значениями L (например, L>5).
Заряженные частицы при вторжении испытывают ряд упругих и неупругих
столкновений с атомами и молекулами атмосферы. Они постепенно расходуют
свою энергию: а) на ионизацию и возбуждение нейтральных частиц воздуха и б)
на излучение энергии при ускорении в кулоновском поле атомных ядер
(тормозное рентгеновское излучение). Для частиц низких энергий (т.е.
электронов с энергиями <1 МэВ) второй процесс потери энергии несущественен,
но его эффект весьма важен , поскольку при этом процессе генерируются
рентгеновские лучи, которые можно использовать для косвенных исследований
энергичных частиц.
Следствия процесса ионизации и возбуждения в верхней атмосфере можно
исследовать по изменениям диэлектрической постоянной верхней атмосферы и
оптических излучений из этих областей. Наблюдались оптические полярные
сияния, для возбуждения которых необходима энергия, превосходящая общую
энергию всех энергичных электронов, запасённых во всей магнитосфере. Это
доказывает, помимо всего прочего, эффективность атмосферы как стока для
энергичных частиц.
Чтобы количественно исследовать влияние столкновений частиц на различные
явления в верхней атмосфере, необходимо знать, как происходит в верхней
атмосфере диссипация энергии частиц. Кроме того, детальное влияние
морфологии нерегулярной, вызванной частицами ионизации в верхней атмосфере
может способствовать лучшему пониманию временных вариаций потоков частиц.
Примерная глубина проникновения протонов и электронов различных энергий
представлена на рис. 3 (2), поскольку высыпание частиц – процесс
статистический, фактическая глубина проникновения не постоянна для всех
частиц с одинаковыми начальными условиями. Значения, приведённые на рис. 3
(2), следует, таким образом, рассматривать как средние высоты на которых
большая часть энергии поглощается при неупругих столкновениях в
предположении, что частицы проникают в атмосферу вертикально.
Поскольку глубина проникновения в значительной степени зависит от энергии
(рис. 3) (2), различные участки энергетического спектра частиц влияют на
различные слои атмосферы. Только электроны и протоны с энергиями более 10
кэВ и 200 кэВ соответственно могут проникнуть ниже 100 км и ионизировать
область D, а ионизация области F может вызываться только частицами с
энергиями сотни эВ.
Статистически энергетический спектр электронов и протонов с возрастанием
широты становится мягче. Поэтому следует ожидать, что вклад вторгающихся
частиц в ионизацию имеет место в полярных областях на большей высоте, чем в
средних широтах. Высыпание частиц в средних широтах влияет, по-видимому,
только на область D . В зоне полярных сияний ионизация областей D и F до
некоторой степени поддерживается частицами, тогда как внутри полярных шапок
вторгающиеся частицы в нормальных условиях, по-видимому, ионизируют только
верхнюю часть ионосферы. Спорадическая ионизация может изменять эту
картину, особенно в полярных областях, где высокоэнергичные протоны
солнечного происхождения временами вызывают значительное усиление ионизация
в нижней части области D.
2.1. Электроны.
2.1.1. Потеря энергии и рассеяние. Энергичный электрон, проникающий в
верхнюю атмосферу, в результате неупругих столкновений с молекулами воздуха
постепенно теряет свою энергию W . Средняя потеря энергии на одно неупругое
столкновение составляет для энергичных электронов (т.е. W>500 эВ)
Рис. 3. Глубина проникновения частиц при вертикальном вхождении в атмосферу
Земли.
около 90 эВ. Эта энергия сообщается связанному электрону, который оторвется
от исходного атома с энергией, достаточно высокой, чтобы ионизовать еще два
атома.
Средний атомный номер в верхней атмосфере равен 7,3, при этом
предполагается, что относительное содержание молекул кислорода и азота
составляет 3:7. Кроме того, что сечение рассеяния двухатомной молекулы
вдвое больше, чем сечение одного атома (что не всегда справедливо).
Скорость потери энергии в воздухе показана на рис. 4 (2). По этим данным
можно установить остаточный пробег электрона с данной энергией W ,
определяемый формулой:
[pic]. (3)
Если отклонения траектории электрона, вызванные упругими столкновениями,
были незначительными, по формуле (3.) легко определить полную глубину
проникновения. Но траектория электрона сильно отличается от прямой линии,
поэтому в общем случае
|
