Динамика низкочастотных электромагнитных волн и энергичных электронов в магнитосферном циклотронном мазере

• Автор: Пасманик, Дмитрий Львович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 160 с. : ил.

1. Распространение и циклотронное взаимодействие свистовых волн в магнитосферных плазменных волноводах (дактах)
1.1. Дисперсионные свойства свистовых волн, распространяющихся в маг-нитосферном дакте
1.1.1. Модель магнитосферного дакта и его собственные моды
1.1.2. Зависимость параметров собственных мод от свойств дакта
1.1.3. Дисперсионные свойства свистовых волн, сгенерированных молниевым разрядом
1.2. Линейная теория циклотронного усиления свистовых волн анизотропными распределениями энергичных электронов

' 2. Моделирование различных режимов работы магнитосферного циклотронного мазера
2.1. Основные уравнения квазилинейной теории
2.2. Автоколебания в циклотронном мазере при учете прогрева фоновой плазмы
2.3. Формирование квазистационарных пространственных областей высыпаний энергичных частиц
2.3.1. Описание модели
2.3.2. Решение исходных уравнений в случаях сильной и слабой диф-
^ фузии
2.3.3. Результаты анализа полученных решений, сопоставление с экспериментальными данными
2.3.4. Учет конечного разброса частиц по скоростям
2.4. Динамические режимы генерации ОНЧ волн; формирование спектра излучения
2.4.1. Самосогласованная модель циклотронного взаимодействия с учетом различных механизмов потерь частиц из области генерации
2.4.2. Особенности режимов генерации при учете конуса потерь

2.4.3. Влияние характеристик источника энергичных электронов на режим генерации в модели проточного циклотронного мазера (ПЦМ)
2.4.4. Сопоставление с экспериментальными данными
3. Квазилинейная теория циклотронного взаимодействия волн и частиц в магнитосферных плазменных волноводах
3.1. Особенности циклотронного взаимодействия в среде с цилиндрической симметрией
3.2. Самосогласованная модель циклотронного взаимодействия в цилиндрическом плазменном волноводе
3.3. Формирование пространственной структуры пульсирующих пятен полярных сияний
Заключение
Приложения
Список литературы

Современные исследования процессов, происходящих в магнитосфере Земли, включают в себя количественное сопоставление теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными при помощи спутников и наземных станций. С одной стороны, такое сопоставление позволяет проверить те или иные имеющиеся теоретические модели. С другой стороны, постоянное развитие экспериментальных методов исследований и появляющиеся новые данные указывают на то, что существующие теоретические модели часто дают только качественное объяснение этих данных. Таким образом, возникает необходимость проведения более строгих теоретических исследований.
Хорошо известно, что важное значение в магнитосфере Земли играет циклотронное взаимодействие волн и частиц. Циклотронная неустойчивость регулирует потоки частиц, определяет их угловые и энергетические спектры, является источником различных типов электромагнитных излучений. Одним из широко представленных в земной магнитосфере излучений является шумовое низкочастотное излучение в диапазонах КНЧ (крайне низкие частоты, / ~ 0.1-3 кГц) и ОНЧ (очень низкие частоты,
/ ~ 3-30 кГц) (см., например, [1-5]). Данные излучения могут быть как стационарными (“шипения”), так и с модулированной во времени интенсивностью (например, квазипериодические излучения). Значительная часть этих излучений генерируется в магнитосфере при циклотронном взаимодействии волн с энергичными частицами радиационных поясов Земли.
Сложность исследования данного процесса в магнитосферных условиях обусловлена как сложной пространственной конфигурацией системы, так и наличием различных типов источников и стоков этих частиц и волн. При исследовании подобных явлений большую роль играют особенности распространения электромагнитных волн в магнитосфере, где неоднородные распределения плазмы могут формировать волноводные структуры. Это приводит к необходимости отдельного анализа данной проблемы. В других ситуациях важную роль играет источник энергичных частиц, от характеристик которого существенно зависит динамика развития неустойчивости. Также важна связь шумового широкополосного излучения с узкополосными, так называемыми, дискретными излученями (триггерные и хоровые излучения).
Диссертация посвящена решению ряда из обозначенных выше проблем. В частности, (1) в диссертации предложена и исследована модель плазменного волновода с
рс = а~1/2 - граница конуса потерь, а І - длина силовой трубки (между сопряженными ионосферами); здесь сг = Втлх/Втт - пробочное отношение в геомагнитной ловушке, в приближении дипольного магнитного поля равное а = Ь3(4 — 3/Т)1/2.
В уравнении (2.4) учтены потери, вызванные объемным затуханием волн
где 1/„ характеризует локальную величину объемного затухания, и потери при отражении волн от торцов геомагнитной ловушки, определяемые коэффициентами отражения и Дг- Координата точки резонансного взаимодействия 2гез волн и частиц является корнем уравнения и — о/'в(2ге8) — йщу'Т — цо’в(2Гет)/а>в£, = 0; эффективная
Усредненная функция распределения нормирована на полное число частиц в силовой трубке с сечением 1 см2 у основания
Приведенную выше систему квазилинейных уравнений можно еще существенно упростить в случае достаточно плотной холодной плазмы, когда
В этом случае эффективное циклотронное усиление свистовых волн происходит лишь в области низких частот и ~ и>вь/Д., что позволяет ограничиться рассмотрением лишь низкочастотной части спектра и <£ швь- Тогда, как видно из уравнения (2.4), преобладающей является диффузия по питч-углам, а диффузия по энергиям ослаблена в оовь/а» раз. В результате система квазилинейных уравнений может быть записана в следующем виде:
(2.11)
(2.12)
(2.13)
(2.14)

(2.15)
ШВ1,/Г/ТГ71