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 (
) и электромагнитных ионно-циклотронных (
) 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.
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:
. (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 решить эту задачу аналитически очень трудно, и только в нескольких численных решениях полностью учтены эффекты сложного движения электронов.
Отклонения траектории электрона обусловлены главным образом упругими столкновениями с атомами атмосферы (т.е. кулоновским рассеянием). Сечения упругих и неупругих столкновений достаточно хорошо известны вплоть до энергий, превышающих несколько кэВ. Известно, что на каждое неупругое столкновение электрона приходится от 5 до 10 упругих столкновений. Если средняя потеря энергии на одно неупругое столкновение составляет около сотни эВ. То электрон должен испытывать приблизительно 100 упругих столкновений, прежде чем потеря энергии достигнет 1 кэВ. Следовательно, с начальной энергией около 50 кэВ «забудет» об исходном направлении своего движения задолго до того, как он остановится, даже если средний угол рассеяния при каждом упругом столкновении мал. Все вычисления основаны на предположении о горизонтальной стратификации атмосферы и о вертикальном расположении силовых линий геомагнитного поля (что достаточно хорошо выполняется на высоких широтах).
Сначала находят траекторию электрона. Выбираются три произвольных параметра, которые дают: а) расстояние, проходимое до следующего упругого или неупругого соударения; и б) направление движения после столкновения. Распределение этих трех произвольных чисел определяется сочетаниями, представленными на рис. 5 (2).
Процесс продолжается до тех пор, пока: а) первичный электрон не израсходует всю свою энергию или; б) электрон не уйдет из атмосферы как электрон альбедо. Чтобы получить статистически достоверные результаты, необходимо рассмотреть достаточно большое число первичных электронов, больше чем 10 000.
2.1.2. Обратное рассеяние энергичных электронов атмосферой. Электроны альбедо не дают существенного вклада в ионизацию верхней атмосферы, поэтому для количественного сопоставления ионосферных процессов и потоков частиц над атмосферой важно знать, какая часть вторгающихся электронов отражается атмосферой. Коэффициент отражения не зависит существенно от энергии. Однако средняя потеря энергии для электронов альбедо существенно изменяется с изменением угла вхождения в атмосферу от 30 до 10 % для электронов с первоначальными питч-углами 30 и 80* соответственно.
2.1.3. Поглощение высокоэнергичных электронов в атмосфере. Влияние атмосферного рассеяния на пучок моноэнергетических электронов приведено на рис. 6,(2), где показано вертикальное ослабление пучка электронов, первоначально имеющих одно и тоже направление, с энергией 50 кэВ, входящего в атмосферу под углом 55*.Электроны, прежде чем успеют израсходовать всю свою энергию, проникают до высоты 80 км, но уже на высоте 150 км пучок обнаруживает значительное угловое расширение. Уширение пучка еще яснее видно на высоте 100 км, где начинается уменьшение энергии электронов. На высоте 90 км «непоглощенные» электроны можно наблюдать только в направлении, близком к вертикальному, в то время как малоэнергичные электроны имеют очень широкое распределение по углам. На основании этого приема модно заключить, что энергетический спектр первоначально параллельного и моноэнергетического пучка электронов, который рассеялся и поглотился в атмосфере, имеет очень сложные питч-уговое и высотное распределения. Изотропные потоки электронов наблюдаются только при самых низких энергиях почти в конце траектории, т.е. между 80 и 85 км для
Рис. 4. Характерные потери энергии для электронов в воздухе.
Рис. 5 Полное сечение дифференциального рассеяния электронов с энергиями от 1 до 500 кэВ.
Рис. 6. Угловое распределение рассеянных электронов (W0=50 кэВ, угол вхождения 55*) в интервалах энергий: а) 44 – 54 кэВ, б) 36 – 44 кэВ, в) 30 – 36 кэВ, г) 17 – 30 кэВ.
использованных в данном приеме электронов. При тщательном анализе данных, представленных на рис. 6, (2), видны очень незначительные высотные вариации в потоках электронов альбедо (на высоте более 100 км). Следовательно, рассеяние, заставляющее возвращаться электроны назад в космическое пространство, имеет место почти в конце траектории.
Ограничимся тем, что представим высотный профиль потери энергии для первичных электронов некоторых энергий и нескольких углов входа их в атмосферу.
Зависимость высотных профилей потери энергии электронов с энергией 6 и 50 кэВ от угла падения показана на рис. 7 и 8 (2) соответственно. Электроны, пересекающие атмосферу в почти вертикальном направлении, создают максимум ионизации, который в 100 – 1000 раз больше максимума, вызванного электронами, входящими в атмосферу под большими зенитными углами. Сильная зависимость от зенитного угла объясняется отчасти тем, что энергия быстрого электрона, движущегося под большим зенитным углом, будет распределяться по горизонтальной площади, которая пропорциональна секансу зенитного угла. Однако более существенны значительные вариации потока электронов альбедо в зависимости от питч-углов.
В образовании ионизации на больших высотах наиболее эффективны электроны, входящие в атмосферу под зенитным углом 60*. Является до некоторой степени неожиданным отсутствие зависимости максимума высоты от первоначального питч-угла электронов в отличие то подобных вариаций, наблюдаемых в ионосферном слое, образованным солнечным излучением. Причина кажущегося постоянства максимума, заключается в том, что: а) вследствие небольшого отношения сечений упругих и неупругих столкновений энергичные электроны сильно отклоняются от начального направления движения задолго до того, как поглотятся и б) возможные незначительные различия в высоте максимума трудно обнаружить из-за большого градиента плотности нейтральной атмосферы.
Протоны.
Вторжение энергичных протонов вызывает ионизацию и возбуждение в верхних слоях атмосферы в основном тем же путем, что и вторжение электронов. Однако, обладая большой массой, они почти не испытывают сколько-нибудь заметных отклонений при столкновении с атомами атмосферы. Таким образом, в первом приближении можно полагать, что угол между вектором локального магнитного поля и вектором скорости протона остается постоянным в рассеивающей среде, по мере того как скорость протона постепенно уменьшается.
Проблема вычисления диссипации энергии протона могла бы показаться тривиальной, если бы не процесс перезарядки. По мере проникновения во внешнюю область атмосферы протоны выбивают связанные электроны из атомов. Эффективные сечения перезарядки водорода и кислорода почти одинаковы, но вторая более важна, так как содержание кислорода на несколько порядков величины превосходит содержание водорода.
Основной эффект процесса перезарядки заключается в том, что вторгающиеся протоны распределяются по большой горизонтальной площади. Ионизированный атом водорода направляется магнитным полем, тогда как нейтральный атом может двигаться на большие расстояния, не испытывая воздействия поля. Важность процесса перезарядки усиливается тем фактором, что средняя длина свободного пробега нейтрального водорода с энергией 5 кэВ до перезарядки на высотах от 150 до 500 км возрастает в 5 – 20 раз по сравнению с длиной свободного пробега протона с той же энергией. Следовательно, атом водорода пребывает большую часть времени в нейтральном состоянии. Первоначально узкий пучок протонов может быть «размазан» вследствие процессов перезарядки по большому интервалу широт.
Из-за процесса перезарядки проблема вычисления диссипации пучка становится двумерной. Только когда вторжение протонов происходит на большой горизонтальной площади, связь энергетического спектра частиц с вертикальным профилем потерь энергии имеет смысл. В этом случае можно не учитывать процесс перезарядки, поскольку эффективные сечения столкновений для нейтрального водорода и протонов почти одинаковы.
Глубина проникновения в атмосферу протонов различных энергий показана на рис. 9 (2). Поскольку упругие столкновения несущественны для протонов средних энергий, глубина проникновения изменяется в зависимости от угла вхождения в атмосферу, в противоположность тому, что происходит с энергичными электронами. Протон,
Рис. 7. Профили скорости потери энергии для электронов с Wо=6 кэВ и углом падения Q.
 |
 |
Рис. 8. профили скорости потери энергии для электронов с Wо=50 кэВ.
Рис. 9. Глубина проникновения протонов в атмосферу в функции питч-угла.
входящий вертикально в атмосферу, проникает приблизительно на 20 км глубже, чем протон с зенитным углом 80*.
На рис. 10 (2), представлены вертикальные профили скорости потери энергии первоначально изотропных моноэнергетических потоков протонов. Горизонтальное рассеяние, вызванное процессами перезарядки, в вычислениях не учитывалось. Вычисления основаны на коэффициентах поглощения, приведенных на рис. 11 (2).
Высота максимальной потери энергии уменьшается от ~ 200 км до ~ 90 км, в то время как энергия протонов возрастает от 1 до 1000 кэВ. Новые модели атмосферы, возможно, каким-то образом уменьшать эти высоты, но маловероятно, чтобы в результате этого профили сместились более чем на 5 км.
Вследствие существования градиента плотности в атмосфере «толщина» профилей потери энергии уменьшается с возрастанием энергии протонов, и к тому же максимум в профиле резко возрастает. Следовательно, при изменении энергии протонов от 1 до 1000 кэВ максимальные потери энергии увеличиваются в 60 000 раз.
(Электроны и протоны по-разному ведут себя, проникая в ионосферу. Электроны, после небольшого числа столкновений, «забывают» о своем первоначальном направлении. Протоны же, в процессе перезарядки, проникают гораздо глубже, так как нейтральный атом не испытывает кулоновского рассеяния.)
Рис. 10. Профили скорости потерь энергии протонов с начальной энергией Wо, кэВ.
Рис. 11. Скорость потери энергии для протонов в воздухе в зависимости от энергии.