1
8
К)
23
28!
29
29
35
41
48
51
53
51
60
69
81
83
87
Содержание
Результаты наблюдений кап па-распределений в магнитосфере Земли и механизмы, приводящие к формированию канна-распределений
Каппа-распределения и их основные свойства Результаты наблюдении каппа-распределений Механизмы, приводящие к формированию каппа-распределении Обсуждение и выводы к Главе I
Продольное ускорение частиц при каппа-распределениях
Продольное ускорение частиц на авроральных силовых линиях Ускорение частиц классическими прямыми двойными слоями Ускорение частиц двойными слоями ловушечного типа без учета вклада конуса потерь и модификация соотношения Леш мюра Зависимость продольного тока магпитосферных электронов от продольной разности потенциалов для каппа-распредслеиия Обсуждение и выводы к Главе 2
Среднемасштабное расслоение вытекающих продольных токов и каппа распределение ионов магнитосферы
Расслоение авроральной плазмы и возникновение ду! и полос полярного сияния
Модификация теории горячего расслоения магнитосферпои плазмы при учете каппа-распределений
Сравнение предсказании теории с данными спутниковых наблюдений
Обсуждение и выводы к Главе 3
Введение
К основным свойствам космической плазмы относится бесстолкновительный характер движения частиц Длина свободною проба а частиц машитосфсры Земли и солнечного ветра, например, превышает расстояние от Земли до Солнца
Распределение Максвелла является равновесным распределением Однако, бесстолкновительная космическая плазмы, как правило, далека от термодинамического равновесия, и рет итерируемые функции распределения частиц сильно отличаются oi максвелловских В хвосте магнитосферы Земли и на авроралытых магнитных силовых линиях, в погранобластях магнитосферы наблюдаются пучки частиц Во внутренних областях магнитосферы возникают блинообразные функции распределения, в которых средняя перпендикулярная магнитному нолю скорость движения частиц намното превышает параллельную Анизотропные функции распределения в магнитосферах Земли и планет солнечной системы возникают в результате высыпаний частиц в конус потерь Неравновесный характер функций распределения приводит к развитию различных плазменных неустойчивостей и турбулизации плазмы (см [Арцимович и Сагдеев, 1979, Кадомцев, 1988]) В результате, функции распределения релаксируют к менее неравновесным распределениям Пучковые распределения частиц превращаются в функции распределения с плато в пространстве скоростей, происходит изотропизация анизогропных распределений Время, необходимое для возникновения равновесною состояния и максвелл и заци и функций распределения обычно намного превышает характерное время процессов в данной плазменной системе Поэюму максвелловские функции распределения наблюдаются сравнительно редко
В бссстолкновительной космической плазме возникают условия, приводящие к формированию знерт ичных немаксвелловских хвостов на функциях расиредс тения, т е к
1
ускорению частиц до больших терши включая энергии космических лучей Последней проблеме посвящена обширная литература Здесь можно только о «метить, то большинство разработанных механизмов ускорения космических лучей связываки процессы ускорения с диффузией в пространстве скоростей, обусловленной турбулентное 1ЬЮ космической плазмы
Ряд результатов эксперимснильных наблюдений (см приводимый ниже обзор) демонстрируют возможность аппроксимации квазиравновесных функций распределения частиц в космических плазменных объектах каппа-распределениями Каппа-распределение близко к максвелловскому при малых скоростях и имеет синенной хвост при больших скоростях Каппа-распределения использукмся при описании функций распределения в плазменных сис«емах (см., например, [Maksimovic et al, 1997a,b, Newell and Wing, 2000, Leubner, 2004, Vinas et al, 2005] и материалы Главы 1 данной pa6oibi) и применяется при описании систем с далыюдействующимн корреляциями (например, при анализе термодинамики на ранних этапах эволюции Вселенной [Torres et al, 1997], описании распределения по скоростям кластеров тактик ILavagno et al, 1998], процессов формирования солнечных нейтрино [Kaniadakis et al 1996|)
Каппа-распределение в большинстве случаев хорошо описывают функции распределения плазменного слоя и кольцевою тока в магннюсферс Земли в Mai нитоспокойных условиях и в ряде случаев в магиитовозмущенных условиях, когда функции распределения близки к изотропным. Однако описание с использованием изотропных каппа-распределений неприменимо к таким, например, плазменным объектам как тонкие анизотропные токовые слои (см [Kropotkin and Domnn , 1996, Kropotkin et al, 1997; Домрин и Кропоткин, 2002, Zclenyi et al, 2002])
Форма функции распределения определяет многие машитосферныс процессы, прежде всего, инкременты нарастающих волн (см, например, (Тверской, 1968, Фешин и Якименко, 1969, Feygin et al, 1979]) Необходимость использования каппа-распределений
2
в качестве исходных распределений при анализе процессов в бссстолкнови тельной космической плазме .экспериментально обоснована Однако икос использование несколько затруднено при проведении аналитического рассмотрения Полому сравнительно мало работ используют каппа-распределения в качестве базовых при описании космофизических процессов Традиционно теоретический анализ процессов в авроразытой плазме магнитосферы Земли опирается на предположении о максвелловской форме функций распределения частиц плазменного слоя, что вносит определенную ошибку в получаемые результаты 1аким образом, возникла задача, проведения теоретического рассмотрения основных процессов в авроральной плазме с учетом каппа-распредсления Настоящая работа относится к числу первых работ в данном направлении В ней проведен теоретический анализ ускорения частиц двойными слоями на апроральных силовых линиях с учегом каппа-распределений частиц магнитосферы Получена вольт-амиерная характеристика, определяющая связь продольного тока с потоком высыпающихся частиц при каипа-распредслениях ускоряемых олектронов, рассмотрены процессы расщепления полосы вытекающею из ионосферы продольного тока на мультиплетные структуры с учетом каппа-распределения мат нитосфсрных ионов
Актуальность работы связана с необходимостью разработки теоретических методов описания космической плазмы с учетом каппа-формы исходной функции распределения Такая разработка необходимо для усовершенствования существующих моделей космической плазмы и создания более адекватных моделей
Целью работы является создание теории продольного ускорения частиц на авроралытых силовых линиях с учетом каппа-распределений и рассмотрение процессов расщепления вытекающих полос продольного тока на мультиплетные структуры с учеюм каппа-распределения ионов мат нитосферы.
3
Задача работы состоит в
- построении теоретических моделей ускорения частиц двойными слоями с учеюм каппа-распределений ускоряемых чаежц,
- определении зависимости продольною тока от продольною падения потенциала (определении вольт-амперной характеристики) в области вытекающего продольного зока на авроральных силовых линиях с учетом каппа-распределений электронов, ускоряемых в продольном падении потенциала,
- разработке теории расщепления полосы вытекающего из ионосферы продольного тока на мультиилетные структуры с учетом каппа-распределения;
- сравнении полученных теоретических результатов с данными экспериментальных наблюдений
Все полученные результаты являются новыми, что обуславливает научную новизну работы
Научная значимость работы связана с получением резулыаюв, позволяющих сущеегвенио уточнить разработанные ранее теории ускорения частиц па авроральных силовых линиях и среднемасштабного расслоения авроралытой плазмы
Практическая ценность работы связана с решениями прикладных задач при освоении околоземного космического пространства Так, например, при решении задач об электризации космических аппаратов важно знать формы функций распределения частиц в авроральной плазме Решение задач предсказания «космической погоды» фебует изучения взаимосвязи процессов на авроральных силовых линиях
Личный вклад автора в данную рабо!у связан с разработкой теории ускорения частиц двоимыми слоями с учеюм каппа-распределений, получением вольт-ампернои харамеристики для продольного тока с учетом каппа-распределний, модификацией теории горячею расслоения авроральной плазмы с учетом каппа-распределений, сравнением предсказаний теории с результатами наблюдений на снуIниках Интсркосмос-Ьолгария-1300 и Ореол-3
Рабо1а состоит из введения, 3 птв, заключения и списка литературы В днссермции принята следующая нумерация формул: первая цифра соответствует номеру главы, вторая - номеру раздела в главе, третья - номеру формулы в разделе. Аналогично нумеруююя рисунки Библиография составлена в алфавитном порядке, причем вначале помещены работы, написанные на русском, а затем на английском языках
Можно выделить следующие основные результаты, выносимые на защиту
• Развита теория ускорения частиц в высокоширотной магнитосфере, учитывающая возмож'ноечь аппроксимации функций распределения ионов и тек фонов маг нитосфсры каппа распределениями.
• Получены решения для классическою одномерного двойного слоя и двойного слоя ловушечного гина с учетом каппа-распределений.
• Получена зависимость плотности продольного тока от продольною падения поднимала при учете канпа-расиределения ускоряемых электронов
• Проведена модификация теории «горячего расслоения» с учетом существования немаксвслловских «хвостов» функций распределения ионов
• Получено значение основного параметра теории «горячею расслоения», зависящего при канна распределении не только от температуры основною ядра функции распределения, но и от величины показателя спектра при энергиях, значительно превышающих тепловые
5
• Показано, что в 70% случаев предсказания модифицированной теории «горячего расслоения» лучше описывают данные экспериментальных наблюдении
Апробации рабшы.
Результаты работы опубликованы в рецензируемых журналах и iрудах конференций Они докладывались и обсуждались на научных семинарах НИИЯФ МГУ им Д В Скобельцына и ПКИ РАН, а также на конференциях
- COSPAR Colloquium “Plasma processes in the near-Earth space INTERBALL and beyond”, Sofia, Bulgaria, 5-10 February, 2002;
- Ломоносовских чтениях МГУ в апреле 2002 г,
- 4-th International conference “Problems of Geocosmos”, St Peterburg, Russia, June 3-8,2002,
- International Symposium in memory of Professor Yuri Galperin "Auroral Phenomena and Solar-Terrestrial Relations", February 4-7, 2003;
- Chapman Conference on Physics and Modeling of the Inner magnetosphere, Helsinki, Finland, August 25-29, 2003,
- 5th International Conference “Problems of Geocosmos”, St Petersburg, Petrodvorets, 24-28 May 2004,
- 35th COSPAR Scientific Assembly, Pans, Franse, 18-25 July 2004,
- 14th Annual Conference of Doctoral Study (VVDS’05), Prague, Czech Republic, 7-10 June 2005,
- 1AGA-2005, Toulouse, France, 18-29 July 2005,
- 8-lh International Conference on Subslorms (1CS8), Banff, Canada, 26-30 April, 2006,
- Ломоносовских Ч1ениях МГУ в апреле 2006 г.;
- 6-th International Conference Problem of Geocosmos, St Peterburg, Russia, 23-27 May, 2006,
- 36th COSPAR Scientific Assembly, Beijing, China, 16-23 July 2006
6
Настоящая диссергация выполнена в Институте ядерной фи гики им Д В Скобельцына Московскою ГосудареIвенною университета им. МВ Ломоносова Работа в процессе выполнения поддерживалась грантами РФФИ и прсираммой Университеты России
7
- Київ+380960830922