Ускорение космических лучей

2
Оглавление
Введение 4
Глава 1. Ускорение космических лучей ударной волной конечных размеров в квазилинейном приближении 10
1.1. Уравнение переноса космических лучей............ 11
1.2. Граничные условия для функции распределения кос-
мических лучей ................................... 19
1.3. Уравнения динамики альфвеиовской турбулентности 25
Выводы.......................................... 28
Глава 2. Алгоритм численного решения задачи 29
2.1. Замена переменных в уравнении переноса космических лучей..................................... 30
2.2. Замена переменных в уравнениях динамики альфве-
иовской турбулентности.......................... 35
2.3. Метод численного решения уравнения переноса кос-
мических лучей ................................... 38
2.4. Метод численного решения уравнения переноса для
плотности энергии альфвеиовской турбулентности . 41
2.5. Общая схема численного решения задачи........... 42
Выводы.......................................... 44
Глава 3. Ускорение космических лучей на фронте околоземной головной ударной волны 45
3.1. Развитие процесса ускорения во времени.......... 46
з
3.2. Влияние фоновой альфвеиовской турбулентности сол-
нечного ветра и а-частиц на протекание процесса ускорения.......................................... 63
3.3. Сравнение результатов расчета с экспериментальны-
ми данными ........................................ 71
Выводы............................................. 78
Глава 4. Ускорение космических лучей межпланетными ударными волнами от солнечных вспышек во внутренней гелиосфере 80
4.1. Развитие процесса ускорения с изменением гелиоцен-
трического расстояния ............................. 81
4.2. Влияние геометрических и адиабатических эффектов
па процесс ускорения............................... 88
4.3. Анализ экспериментальных данных и сравнение с ре-
зультатами расчета ................................ 94
Выводы............................................. 97
Заключение 99
Библиографический список использованной литературы 102
4
Введение
Исследование процессов генерации (ускорения) быстрых заряженных частиц — космических лучей (КЛ) — является одним из актуальных направлений в современной физике космической плазмы.
Быстрые заряженные частицы играют важную роль в протекании различных физических явлений в бесстолкповителыюй космической плазме. Частицы с энергиями намного превышающими тепловую повсеместно регистрируются в различных областях межпланетного пространства. Наличие большого количества релятивисте их частиц в астрофизических объектах установлено методами рентгеновской, радио- и гамма-астрономии.
Энергосодержание небольшого количества быстрых частиц может быть сравнимо или даже превышать энергию других форм. Поэтому К Л являются важным динамическим фактором, определяющим эволюцию системы.
Особый интерес представляют процессы ускорения КЛ, протекающие вблизи фронтов ударных воли. Связано это с тем, что во взры во подобных процессах, приводящих к образованию ударных волн, таких как солнечные вспышки или взрывы сверхновых звезд, выделяется большое количество энергии в форме направленного крупномасштабного движения среды. Существенная доля этой энергии может передоваться небольшой доле частиц, энергия которых может па несколько порядков превосходить характерную тепловую энергию в среде.
Регулярное ускорение заряженных частиц является наиболее эффективным процессом, перерабатывающим энергию направлен-
5
иого движения в ударной волне в энергию КЛ. Так, именно с этим процессом, осуществляющимся в остатках сверхновых, связывают сегодня происхождение основной части галактических КЛ.
Применительно к гелиосфере проблема исследования ускорения частиц ударными волнами состоит в необходимости детального объяснения наблюдаемых в эксперименте закономерностей генерации энергичных частиц вблизи ударных фронтов. Важность этих исследований определяется еще и тем, что межпланетное пространство по отношению к астрофизическим объектам выслушает в качестве лаборатории. Проведение прямых измерений с помощью аппаратуры, установленной па космических аппаратах, позволяет проводить детальную проверку адекватности тех или иных теоретических построений, на основе чего делать надежные предсказания о характере процессов в удаленных астрофизических объектах, где проведение прямых измерений невозможно.
Ускоренные К Л существенно модифицируют среду* в окрестности ударного фронта, что в свою очередь оказывает влияние на сам процесс ускорения. Поэтому последовательное описание процесса регулярного ускорения должно быть самосогласованным, включающим учет нелинейных эффектов, производимых ускоренными КЛ.
В случае ударных воли в межпланетном пространстве основным эффектом модификации среды частицами КЛ является интенсивная генерация ими альфвеиовских воли. Уровень альфве-повской турбулентности определяет рассеивающие свойства среды и тем самым влияет на темп ускорения КЛ. Самосогласованное описание ускорения КЛ ударными волнами в межпланетной среде и генерации альфвеиовской турбулентности может быть последовательно осуществлено в рамках квазилинейного подхода.
Выполненные к настоящему времени исследования процесса
б
регулярного ускорения КЛ в межпланетном пространстве ограничиваются рассмотрением плосковолпового подхода и ряда других приближений, адекватность которых трудно заранее оцепить.
Основной целью настоящей работы является теоретическое исследование процесса регулярного ускорения заряженных частиц во внутренней гелиосфере с последователиым учетом геометрических и адиабатических эффектов.
В первой главе диссертации выполнена постановка нестационарной задачи ускорения заряженных частиц па фронте квазипа-раллеьпой ударной волны самосогласованно с генерацией альфве-повских воли на основе квазилинейного подхода.
В постановке задачи учтена конечность размеров ударной волны, ипжекция небольшой доли частиц солнечного ветра па ударном фронте в режим ускорения, влияние направленности распространения фоновых альфвеповских воли в солнечном ветре, ускорение а-частиц.
Обоснована применимость квазилинейного подхода при описании процесса регулярного ускорения заряженных частиц па фронтах межпланетных ударных воли.
Детально описаны исследуемые уравнения и краевые условия.
Вторая глава диссертации посвящена разработке численного алгоритма решения поставленной задачи. Описана и обоснована замена переменных в уравнениях переноса для частиц и воли, а также методы их численного решения. Использование неявных численных методов позволило сформулировать алгоритм, осуществление которого может быть выполнено на обычном персональном компьютере.
В третьей главе диссертации рассматриваются результаты решения задачи применительно к околоземной головной ударной волне. Выполнен анализ решения нестационарной задачи, а также
7
рассматриваются пределы применимости положенных в ее основу приближений.
Выявлен новый эффект — переускореиия КЛ, сопровождающий развитие процесса регулярного ускорения во времени.
Выполнено сравнение результатов расчета с имеющимися экс-пе ри м е і ггал ы і ы м и да и иы м и.
Показано, что экспериментально установленные статистические закономерности наблюдаемых спектров энергичных попов и альф-веповских волн, а также их пространственное распределение, удовлетворительно воспроизводятся теорией регулярного ускорения. Сделан вывод о том, что условиям эксперимента отвечает пеуста-повившийся процесс регулярного ускорения, типичное время развития которого обусловлено временем соединения силовой магнитной трубки с фронтом ударной волны.
В четвертой главе диссертации самосогласованная задача ускорения КЛ решается для межпланетных ударных воли от солнечных вспышек. Полученные результаты сравниваются с экспериментальными данными. Исследуется роль нестационарных, геометрических и адиабатических эффектов.
Особое внимание уделяется исследованию зависимости предельной энергии ускоренных частиц от гелиоцентрического расстояния.
В заключении приводятся основные результаты, полученные в диссертации.
Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на ‘2‘2-й (Dublin, 1991), 24-й (Roma, 1995) и 25-й (Durban, 1997) Международных конференциях по космическим лучам; па 12-ом (Nottingham, 1990) и 14-ом (Balatonfured, 1994) Европейских симпозиумах; на 1-ом симпозиуме SOLTIP (Liblice, 1991) был представлен приглашенный доклад; на Международной конфереи-
8
ции по космическим лучам (Москва, 1996); на 4-ой Всесоюзной школе по космической физике (Суздаль, 1990); па научных семинарах в институте ИКФИА, а также опубликованы в работах [1| -[10].
9
Автор выносит на защиту:
1. Алгоритм численного решения нестационарной квазилинейной задачи ускорения заряженных частиц и самосогласованной генерации альфвеновской турбулентности бесстолкпови-тельными ударными волнами во внутренней гелиосфере.
2. Результаты решения задачи ускорения частиц на фронте околоземной головной ударной волны выявившие новый эффект в процессе регулярного ускорения состоящий в немонотонности установления спектра ускоренных частиц и самосогласованного спектра альфвеиовских волн, а также результаты анализа экспериментальных данных, показывающие, что экспериментально установленные статистические закономерности наблюдаемых спектров энергичных ионов и альфвеиовских воли отвечают пеустаповившемуся процессу регулярного ускорения и обусловлены временем соединения силовой магнитной трубки с фронтом ударной волны.
3. Результаты расчетов, свидетельствующие о важной роли геометрических и адиабатических факторов на протекание процесса ускорения К Л межпланетными ударными волнами от солнечных вспышек, а также результаты анализа экспериментальных данных, показывающие, что наблюдаемые особенности спектров КЛ вблизи фронтов межпланетных ударных воли удовлетворительно воспроизводятся теорией регулярного ускорения.
4. Результаты исследования зависимости предельной энергии ускоренных частиц от гелиоцентрического расстояния показывающие, что предельная энергия определяется уровнем фоновой турбулентности солнечного ветра и мало зависит от уровня самосогласованной, генерируемой ускоренными част ица м и ту7 рбулеI гтп ости.