Немаксвелловский характер функций распределения частиц в высокоширотной магнитосфере и проблемы образования авроральных структур

• Автор: Ермакова, Наталья Олеговна
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 110 с. : ил.

Глава 1. Результаты наблюдений каппа-распределений в магнитосфере

Земли и механизмы, приводящие к формированию капна-распределений

11. Каппа-распределения и их основные свойсгва К

1 2. Результаты наблюдении каппа-распределений

1 3. Механизмы, приводящие к формированию каппа-распределении

1 4 Обсуждение и выводы к Главе 1 28!

Глава 2. Продольное ускорение частиц при каппа-распределениях

2 1 Продольное ускорение частиц на авроральных силовых линиях

2 2 Ускорение частиц классическими прямыми двойными слоями

2 3 Ускорение частиц двойными слоями ловушечного типа без учета

вклада конуса поэерь и модификация соотношения Леш мюра

2 4 Зависимость продольного тока магиитосферных электронов от
продольной разносш поэенциалов для каппа-распределения
2 5 Обсуждение и выводы к Главе 2
Глава 3. Среднемасштабное расслоение вытекающих продольных токов
и каппа распределение ионов магнитосферы
3 1 Расслоение авроральной плазмы и возникновение дуг и полос
полярного сияния
3 2 Модификация теории горячего расслоения магнитосферпои плазмы
при учеге каппа-распределений
3 3 Сравнение предсказании теории с данными спутниковых
наблюдений
3 4 Обсуждение и выводы к Главе 3
Заключение
Литература
К основным свойствам космической плазмы относится бесстолкповителытый характер движения частиц Длина свободною пробега часгиц магнитосферы 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 регистрируемые функции распределения часгиц сильно опгичаюгся ог максвелловских В хвосте магнитосферы Земли и на авроралыгых магнитных силовых линиях, в погранобластях магнитосферы наблюдаются пучки часгиц Во внутренних областях магнитосферы возникают блинообразные функции распределения, в которых средняя перпендикулярная магнитному полю скорость движения часгиц намного 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 анизотропных распределений Время, необходимое для возникновения равновесного состояния и максвеллизации функций распределения обычно намного превышает характерное время процессов в данной плазменной системе Поэтому максвелловские функции распределения наблюдаются сравнительно редко
В бесстолкновителыюй космической плазме возникают условия, приводящие к формированию энергичных немаксвелловских хвостов на функциях раенреде гения, г е к

ускорению частиц до больших энергий включая энергии космических лучей Последней проблеме посвящена обширная литература Здесь можно только оi метить, чю большинство разработанных механизмов ускорения космических лучей связывазш процессы ускорения с диффузией в пространстве скоростей, обусловленной турбулентное 1ЬЮ космической плазмы
Ряд результатов эксперименыльных 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 степенной хвост при больших скоростях Каппа-распределения использукпся при описании функций распределения в плазменных сиаемах (см., например, [MaksTinovic et al, 1997а,b, Newell and Wing, 2000, Leubner, 2004, Vinas et al, 2005] и материалы Главы 1 данной рабозы) и применяется при описании систем с дальнодействующими корреляциями (например, при анализе термодинамики на ранних этапах эволюции Вселенной [Torres et al, 1997J, описании распределения по скоростям кластеров залактик [Lavagno et al, 1998], процессов формирования солнечных нейтрино [Kamadakis et al 1996])
Каппа-распределение в большинстве случаев хорошо описывают функции распределения плазменного слоя и кольцевою гока в магниюсфере Земли в маз нитоспокойных условиях и в ряде случаев в магнитовозмущенных условиях, когда функции распределения близки к изотропным. Однако описание с использованием изо1ропных каппа-распределений неприменимо к таким, например, плазменным объектам как тонкие анизотропные токовые слои (см [Kropotkin and Domrin , 1996, Kropotkin et al, 1997; Домрин и Кропоткин, 2002, Zelenyi et al, 2002])
Форма функции распределения определяет многие Mai нитосферныс процессы, прежде всего, инкременты нарастающих волн (см, например, [Тверской, 1968, Фейзин и Якименко, 1969, Feygin et al, 1979]) Необходимость использования каппа-распределений

область продольного ускорения частиц, в которой соблюдается ус говие ква^нейтральности Однако данный вопрос пока не исследован в должной мере
2.4 Зависимость продольного тока магнитосферных электронов от продольной разности потенциалов для каппа-распределения
Большое значение в физике магнитосферно-ионосферных взаимодействий имее1 зависимость вытекающего из ионосферы продольного тока, переносимого элекфоначи магнитосферного происхождения от продольною падения потенциала В отсутствии продольного падения потенциала максимальный ток, переносимый горячими магнитосферными электронами составляет в случае каппа распределения (в данном случае символ у означает плотность продольною тока)
Оценки с применением соотношении (2.4.1), (2 4.2) показывают, что при наблюдаемых параметрах плазменного слоя плотность продольного тока не может превышать 106 А/м2, что значительно меньше плотностей наблюдаемых продольных токов Наличие продольною падения потенциала приводит к возрастанию возможной величины
(2 4 1)
Данное выражение при переходит в
(2 4 2)