Исследование реакции нижней ионосферы на высыпание энергичных частиц из радиационных поясов Земли

Курсовая работа Исследование реакции нижней ионосферы на высыпание энергичных частиц из радиационных поясов Земли

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

1.   Оценки параметров энергичных электронов и протонов, которые высыпаются на средних широтах (обзор

1.1 Анализ отдельных случаев

1.1.1. Явление, связанное с волнами типа свистов

1.1.2. Явление, связанное с электромагнитной ионно-циклотронной волной

1.1.3. Явление, связанное с электростатической ионно-циклотронной волной

2.   Изучение кинетических методов исследования

2.1. Электроны

2.1.1. Потеря энергии и рассеяние

2.1.2. Обратное рассеяние энергичных электронов атмосферой

2.1.3.Поглощение высокоэнергичных электронов в атмосфере2.2. Протоны

3.   Изучение гидродинамических методов исследования

3.1. Модуляция потоков энергичных частиц гидромагнитными волнами

3.1.1. Случай быстрой изотропизации3.1.2. Случай сохранения адиабатических инвариантов;………………….22

3.1.3. Модуляция инкремента нарастания свистовой моды

3.1.4. Модуляция потоков высокоэнергичных частиц

3.2. Продольные электрические поля

4.   Теоретические оценки эффектов в нижней ионосфере

Заключение

Литература

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  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

. (1)

Ионы для резонанса должны иметь энергию:

(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 .

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.