2
Оглавление
Введение 4
Глава 1. Формирование функции распределения энергичных ионов при дрейфе на фронте околоземной головной ударной волны 11
1.1. Формирование функции распределения ионов при дрейфе на плоском ударном фронте...................... 13
1.2. Формирование спектра отраженных ионов при дрей-
фе на плоском фронте в присутствии области с магнитным широм..................................... 26
1.3. Формирование спектра отраженных ионов при дрей-
фе на плоском фронте в присутствии магнитной трубки........................................... 28
1.4. Формирование спектра отраженных ионов при дрей-
фе на плоском фронте в присутствии альвеновской турбулентности в области перед фронтом........... 32
1.5. Интенсивность энергичных ионов, ускоренных при дрейфе на фронте околоземной ударной волны. ... 37
1.6. Влияние турбулентности магнитного поля в области за ударным фронтом на амплитуда спектра отраженных ионов......................................... 43
Выводы................................................ 51
Глава 2. Динамика интенсивности СКЛ в присутствии межпланетной ударной волны 53
2.1. Расчет функции распределения частиц па фронте методом поколений...................................... 60
3
2.2. Определение функции распределения частиц в пространстве............................................... 65
2.3. Временная динамика спектра частиц для постоянных
во времени коэффициентов диффузии.................. 66
2.4. Временная динамика спектра частиц для переменных
во времени коэффициентов диффузии.................. 73
2.5. Сопоставление модельных расчетов с событиями 2-го
мая и 24-го августа 1998 года ..................... 77
Выводы.................................................. 84
Глава 3. Динамика интенсивности КЛ в присутствии возмущений солнечного ветра 86
3.1 Области траекторий К Л в окрестности орбиты Земли 88
3.2. Вероятность регистрации предвестников возмущений
солнечного ветра в К Л.............................102
3.3. Временная динамика интенсивности КЛ в присутствии межпланетной ударной волны .......................104
3.4. Свойства предвестников возмущения..................115
Выводы..................................................124
Заключение 127
Библиографический список использованной литературы 130
4
Введение
Исследования процесса ускорения заряженных частиц бесстолк-новительными ударными волнами представляют значительный интерес вследствие большой распространенности ударных волн в космических явлениях. Уникальность околоземной ударной волны заключается в том. что это самая близко расположенная ударная волна в естественных условиях. Полученные в течение 40 лет результаты измерений используются для изучения процессов протекающих на ударных волнах.
В середине 90-х годов вследствие улучшения энергетической и временной точностей измерений начали регистрировать потоки отраженных ионов достаточно больших энергий (> 100 кэВ) на фоне событий частиц.
Удовлетворительного объяснения происхождения таких ионов до настоящего времени нет.
В настоящее время общепринятой модели происхождения солнечных космических лучей постепенных событий нет. Отчасти это объясняется недостатком сведений о характеристиках ударных волн вблизи Солнца и свойствах плазмы солнечной короны, прямые измерения которых недоступны. Сложность теоретического исследования процесса ускорения и распространения солнечных космических лучей постепенных событий состоит в том, что весь процесс происходит в среде с сильно различающимися свойствами.
В большом количестве исследований рассчитывается только распространение частиц на основе уравнения переноса с фокусировкой, а описание ускорения заменяется источником частиц с заданными свойствами и расположенным на ударном фронте. Расчет
5
ускорения солнечных космических лучей ударной волной проведен для сильно упрощенных моделей, главным недостатком которых является отсутствие зависимости коэффициентов диффузии от энергии.
Изучение динамики интенсивности космических лучей (КЛ) в присутствии крупномасштабных возмущений солнечного ветра представляет большой интерес в связи с возможностью использования результатов при прогнозировании появления возмущений. Проведенные исследования по данным мюонных телескопов показывают, что около 90% интенсивных геомагнитных возмущений, обусловленных крупномасштабными возмущениями солнечного ветра, имеют явные предвестники.
Идея о возможности использовать космические лучи для прогноза появления возмущений высказана давно. Однако реализовать эту возможность до настоящего времени должным образом не удалось. Одной из главных причин этого является отсутствие подходящей теории, которая могла бы помочь выявлять возмущения и заранее предупреждать о их появлении.
Актуальность темы:
Исследования процессов ускорения космических лучей представляет интерес, главным образом, по двум причинам. Во-первых, свойства генерированных частиц несут сведения о явлениях, протекающих в среде, и величинах параметров области их ускорения. Во-вторых, ускоренные частицы часто сами являются активным компонентом, существенно влияющим на динамические процессы плазмы.
Исследование процессов ускорения необходимо как для понимания фундаментальных свойств космической плазмы, для воссоздания целостной картины разнообразных явлений в природе, так и для решения многих прикладных проблем.
б
Особый интерес представляет исследование процессов ускорения, протекающих в межпланетном пространстве, поскольку в этом случае имеется возможность сопоставления результатов расчетов и прямых или косвенных измерений, что позволяет проводить детальную проверку адекватности различных гипотез и на этой основе делать обоснованные предсказания о характере аналогичных процессов в удаленных астрофизических объектах.
Цель диссертационной работы:
Целью диссертации является изучение ускорения энергичных ионов дрейфовым механизмом ударными волнами с кривизной.
Конкретно, целями диссертации являются:
1) Исследование ускорения энергичных ионов при дрейфе на фронте околоземной головной ударной волны.
2) Изучение динамики интенсивности частиц в присутствии плоской движущейся ударной волны.
3) Разработка метода траекторий релятивистских частиц как средство описания свойств предвестников крупномасштабных возмущений солнечного ветра.
Научные результаты и новизна работы:
Впервые посредством численного моделирования определено влияние формы фронта околоземной головной ударной волны на спектр энергичных ионов, ускоренных дрейфовым механизмом. Получены свидетельства существенной зависимости амплитуды спектра отраженных ионов от турбулентности магнитного поля в области за ударным фронтом.
Впервые получены результаты аналитических расчетов динамики интенсивности частиц в присутствии плоской движущейся ударной волны в случае коэффициентов диффузии, зависящих от энергии. Результаты применены для интерпретации динамики интенсивности солнечных космических лучей постепенных событий.
7
Разработан метод траекторий релятивистских частиц в применении к описанию свойств предвестников возмущения солнечного ветра в космических лучах. На основе модельных расчетов впервые: дана оценка регистрации предвестников; определены свойства предвозрастаний интенсивности; определена интенсивность космических лучей от времени, регистрируемая наземным детектором в идеализованном событии.
Достоверность научных результатов:
Достоверность результатов обусловлена использованием адекватных физических моделей, применимость которых ограничена четко сформулированными критериями. Использованием общепринятых, апробированных численных методов расчета с определением их точности. Там где это возможно полученные результаты сопоставлены с результатами других авторов.
Практическая и научная ценность работы:
Разработанные модели будут использоваться для выяснения вклада различных процессов в ускорение энергичных ионов при дрейфе на фронте околоземной головной ударной волны.
Результаты расчетов динамики интенсивности частиц в присутствии бегущей ударной волны будут использоваться для анализа динамики солнечных космических лучей постепенных событий.
Метод траекторий релятивистских частиц будет использоваться при идентификации возмущений и для прогноза появления возмущений солнечного ветра в задачах космической погоды.
Личный вклад автора:
Автор внес значительный вклад в разработку моделей ускорения ионов на фронте околоземной головной ударной волны и отладку численных программ расчетов.
При его участии были проведены численные расчеты аналитической модели динамики интенсивности заряженных частиц в
8
присутствии бегущей плоской ударной волны с коэффициентами диффузии зависящими от энергии, а так же выполнено сопоставление результатов расчетов с данными измерений конкретных событий.
Является соавтором метода траекторий релятивистских частиц и его применения к анализу свойств предвестников возмущений солнечного ветра.
Вклад автора в разработку численных моделей, проведение расчетов и представлении результатов на конференциях и симпозиумах является преобладающим.
Апробация работы:
Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались
На 27-й (Hamburg, 2001), 28-й (Tsukuba, 2003) и 29-й (Pune, 2005) международных конференциях по космическим лучам.
На симпозиуме Solar and Galactic Composition SOHO-ACE Workshop (Bern, 2001)
Ha COSPAR Colloquium. (Sofia 2002, Beijing 2006)
На Всероссийской конференции Проблемы физики космических лучей и солнечно земных связей (Якутск, 2002)
На Международной Байкальской школе по фундаментальной физике (Иркутск 2002, 2005)
На ISCS Symposium 2003. Solar Variability as an Input to the Earth’s Environment. (Tatranska Lomnica, 2003)
На 28-ой и 29-ой Всероссийских конференциях по космическим лучам (Москва 2004 и 2006)
На конференции памяти Ю.И. Гальперина. Conference in Memory of Yuri Galperin (Москва, 2004)
На Всероссийской конференции "Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизиче-
9
ской активности "(Москва, 2005)
На научных семинарах в ИКФИА (2000-2007), ИСЗФ(2005), ФИ АН (2005), а также опубликованы в рецензируемых журналах и трудах Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах [1] - [11].
Структура работы:
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Содержит 38 рисунков. Список литературы включает 141 наименование. Объем диссертации составляет 147 страниц.
10
Автор выносит на защиту:
1. Результаты моделирования дрейфа энергичных ионов на фронте околоземной ударной волны, выявившие существенное влияние формы фронта на спектр ускоренных частиц. Вывод о зависимости амплитуды спектра отраженных ионов от уровня турбулентности магнитного поля в области за ударным фронтом.
2. Результаты расчетов временной динамики интенсивности частиц в присутствии плоской движущейся ударной волны в рамках диффузионного уравнения переноса с коэффициентами диффузии, зависящими от энергии и времени, выявившие 3 варианта поведения интенсивности частиц в пространстве.
3. Разработку метода траекторий релятивистских частиц для описания свойств предвестников возмущений солнечного ветра в космических лучах и выводы, полученные на его основе: оценку вероятности регистрации предвестников; определение свойств предповышений интенсивности; расчет интенсивности космических лучей во времени, регистрируемой наземным детектором, в идеализированном событии.
11
Глава 1
Формирование функции распределения энергичных ионов при дрейфе на фронте околоземной головной ударной волны
Исследования процесса ускорения заряженных частиц бесстолк-новительными ударными волнами представляют значительный интерес вследствие большой распространенности ударных волн в космических явлениях. Уникальность околоземной ударной волны заключается в том, что это самая близко расположенная ударная волна в естественных условиях. Полученные в течение 40 лет результаты измерений используются для изучения процессов протекающих на ударных волнах. Регистрация всплесков энергичных электронов с энергиями (1 — 40) кэВ в окрестности околоземной ударной волны была первым прямым доказательством ускорения частиц бесстолкновительными ударными волнами [27, 28]. Для объяснения происхождения таких электронов Ву использовал модель адиабатического отражения частиц от квазиперпен-дикулярного участка фронта [29]. Асбридж и др. зарегистрировали потоки ионов с энергией несколько кэВ, распространяющиеся вдоль магнитного поля по направлению от ударного фронта [31,13]. Для объяснения их происхождения была использована модель адиабатического отражения сверхтепловых ионов солнечного ветра [32, 15]. Позднее были зарегистрированы ионы с энергией 30-100 кэВ в области перед квазипараллельным участком ударного фронта [33, 14]. Стационарный и нестационарный варианты самосогласованной теории регулярного ускорения ионов и генерации альвеновских волн достаточно хорошо воспроизводят резуль-
12
таты измерений [34, 26, 66, 16]. В отдельных событиях в области перед квазиперпендикулярным участком ударного фронта регистрировались кратковременные всплески ионов с энергией вплоть до 2 МэВ [36, 37, 38]. Ионы таких энергий могут выходить в область перед ударным фронтом из магнитосферы [39, 40, 133]. В середине 90-х годов вследствие улучшения энергетической и временной точностей измерений начали регистрировать потоки отраженных ионов достаточно больших энергий (> 100 кэВ) на фоне событий частиц: эксперимент ДОК-2 в проекте Интербол-1 [22]— [25], [17]; эксперимент Плазма и Энергичные частицы на космическом аппарате \VIND-3D [41, 42, 18]. Особенность отмеченных событий в том, что в них зарегистрированы спектры отраженных ионов изначально достаточно энергичных: в событиях [18, 41] в процесс ускорения вступают ионы из коротирующей области взаимодействия; в событии [42] принимают участие ионы 3Яе из потока вспышечных СКЛ. В данной главе моделируется дрейфовое ускорение ионов изначально достаточно энергичных. Это предположение допускает: 1) рассматривать ионы в виде тестовых частиц; 2) толщину ударного фронта для частиц принимать бесконечно тонкой; 3) электромагнитное поле по обе стороны от ударного фронта считать заданным.
- Київ+380960830922