Вопросы распространения и взаимодействия с энергичными частицами низкочастотных волн в ионосфере и магнитосфере Земли

• Автор: Кузичев, Илья Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 123 с. : ил.

Содержание
Введение

1 Волновое описание распространения свистовых волн с углом волновой нормали

внутри конуса прохождения в ионосфере

1.1 Введение

1.2 Математическая постановка задачи

1.3 Приближённые уравнения для поля

1.4 Решение уравнений в переходной области. Сшивка решений

1.5 Поляризация волны, закон сохранения и коэффициент отражения

1.6 Численные результаты и обсуждение

2 Рассеяние свистовых волн на неоднородностях плотности в ионосфере и выход

волны на поверхность Земли
2.1 Введение
2.2 Математическая постановка задачи
2.3 Функция Грина и интегральное уравнение для поля
2.4 Борновский ряд
2.5 Борцовское приближение и рассеяние в конус прохождения
2.6 Численные результаты
2.7 Обсуждение
2.А Приложение: Вычисление плотности потока энергии
3 Волновое описание НГР отражения свистовых волн в ионосфере
3.1 Введение
3.2 Геометрооптическое описание НГР отражения
3.3 Вывод уравнений, описывающих НГР отражение в волновом приближении
3.4 Численные результаты
3.5 Заключение
4 Особенности резонансного взаимодействия релятивистских электронов с моно-
хроматическими свистовыми волнами, распространяющимися под углом к геомагнитному полю, во внешнем радиационном поясе Земли
4.1 Введение

4.2 Моделирование распределения параметров свистовых волн от монохроматического источника
4.3 Резонансное взаимодействие релятивистских электронов со свистовой волной
4.4 Численные результаты
4.5 Обсуждение
5 Ускорение ионов при взаимодействии с низкочастотным излучением от молниевых разрядов
5.1 Введение
5.2 Распределение поля
5.3 Резонансное взаимодействие ионов с волной
5.4 Обсуждение
Заключение
Литература

Введение
Данная работа посвящена исследованию некоторых вопросов, связанных с распространением низкочастотных волн в магнитосфере и ионосфере Земли и с взаимодействием этих волн с энергичными частицами. Волны очень низкочастотного диапазона (ОНЧ), которые распространяются в ионосфере и магнитосфере Земли в свистовой моде, являются распространённым волновым явлением в околоземной плазме. Такие волны возникают в результате развития циклотронной неустойчивости в радиационных поясах Земли [1], генерируются молниевыми разрядами [2] и наземными ОНЧ передатчиками [3], а также возбуждаются вследствие модулированного с соответствующей частотой нагрева нижней ионосферы высокочастотными нагревными стендами [4,5]. Свистовые волны существенно влияют на динамику околоземной плазмы, в частности, они играют важную роль в процессах ускорения и высыпания частиц в радиационных поясах Земли [6-8].
Свистовые волны представляют собой одну из волновых мод в магнитоактивной плазме [9], которой, в частности, является магнитосфера Земли - заполненная плазмой область пространства вокруг Земли, в которой плазма удерживается магнитным полем Земли, Ве- Свистовый диапазон частот - это частоты ш значительно превышающие ионные циклотронные частоты и>1 = qlBEІшгc, где р = л/47ге2пе/т, где т и е - масса и заряд электрона (абсолютная величина), а пс - плотность электронов: сп2 <п2 < тт(ш2, сд2). В магнитосфере и ионосфере Земли этим соотношениям удовлетворяют частоты ОНЧ диапазона / г сп/27г = 3-30 [кГц]. Отправной точкой при выводе большинства уравнений в данной работе будут служить уравнения Максвелла в плазме, описываемой тензором диэлектрической проницаемости [10] е г ец, где г, ^ - тензорные индексы.
Приведённая в уравнениях (1) связь между электрической индукцией Т> и напряжённостью электрического поля £, задаваемая тензором диэлектрической проницаемости, имеет наиболее общий для линейной стационарной (однородной по времени) среды вид [11]. Рассматривая проблемы распространения свистовых волн, мы будем использовать приближение холодной плазмы, то есть будем пренебрегать тепловыми эффектами, приводящими к пространственной диспер-
(Ну В = 0 ; ейу Х> = 0 ,
Т>(Г,г) = /ё (Ь — Г, г, г') £ {£,г') М^г'.

Рисунок 1.5: Профили эффективной ионной массы (5) дневной (слева) и для ночной (справа) ионосферы.
моничсского осциллятора с медленно изменяющейся частотой), который определяет изменение амплитуды с высотой. Естественно, наши вычисления сохраняют адиабатический инвариант, так что изменение амплитуды А] на больших высотах на Рис. 1.7 полностью согласуется с выполнением этого приближённого закона сохранения.
Наиболее важный результат первой главы состоит в вычислении коэффициента отражения волны Я в рамках развитого метода. Результаты соответствующих вычислений представлены на Рис. 1.8 и 1.9 для ночной и дневной ионосферы. На приведённых графиках точками отмечены те случаи, когда волна имеет угол падения вне конуса прохождения и, следовательно, не выходит на поверхность Земли. Коэффициент отражения для волн внутри конуса прохождения отмечен кружками. На каждом рисунке приведены зависимости коэффициента отражения от частоты волны для шести различных углов падения. На верхних панелях, где представлены случаи малых углов падения, когда волна распространяется в полости Земля-нижние слои ионосферы, мы можем видеть очень интересную особенность поведения коэффициента отражения, а именно, квазипериодическую зависимость от частоты. С увеличением угла падения волны в нейтральной атмосфере перестают распространяться, и осцилляции коэффициента отражения сглаживаются. Поэтому можно предположить, что такая зависимость коэффициента отражения от частоты возникает вследствие неких резонансных свойств полости Земля-нижние слои ионосферы. Отметим, что подобное квазипериодическое поведение коэффициента отражения было обнаружено в работе [88] при исследовании случая чисто вертикального падения волны на ионосферу.
Чтобы объяснить квазипериодическую зависимость коэффициента отражения от частоты, вспомним сначала, что вблизи Земли полная плотность потока энергии (Л-компонснты, (1.46))