Процессы ускорения и потери энергичных электронов во внешнем радиационном поясе Земли за счет резонансного взаимодействия с ОНЧ волнами

• Автор: Орлова, Ксения Геннадьевна
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 112 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Внешний электронный радиационный пояс Земли: характеристики, процессы ускорения и потери частиц
1.1 Электронные радиационные пояса Земли: процессы ускорения и потери частиц
1.2 Уравнение Фоккера-Планка
1.3 Ускорение энегричных электронов за счет резонансного взаимодействия с ОНЧ волнами
1.4 Высыпание энергичных электронов в атмосферу Земли за счет резонансного взаимодействия с ОНЧ волнами
1.5 Обсуждение Г лавы
Г лава 2. Расчет баунс периода и баунс-усредненных коэффициентов диффузии в дипольном и недипольном магнитных полях
2.1 Расчет баунс периода в недипольном магнитном поле
2.2 Расчет баунс периода в дипольном магнитном поле
2.3 Расчет локальных коэффициентов диффузии
2.4 Расчет баунс-усредненных коэффициентов диффузии в дипольном магнитном поле
2.5 Расчет баунс-усредненных коэффициентов диффузии в недипольном магнитном поле
2.6 Обсуждение и выводы Главы
Глава 3. Баунс-усредненные питч-угловые коэффициенты диффузии мэвных электронов за счет циклотронного резонанса с продольно распространяющимися свистовыми волнами
3.1 Реалистичная модель магнитного поля, параметры плазмы и свистовых волн, используемые в расчетах
3.2 Баунс-усредненные питч-угловые коэффициенты диффузии в дипольном и реалистичных магнитных полях
3.3 Объяснение зависимости баунс-усредненных питч-угловых коэффициентов диффузии от модели магнитного поля

3.4 Обсуждение и выводы Главы

Глава 4. Баунс-усредненные питч-угловые, перекрестные коэффициенты диффузии и баунс-усредненные коэффициенты диффузии по импульсу в случае циклотронного резонанса электронов с косыми свистовыми волнами
4.1 Параметры плазмы, свистовых волн и реалистичная модель магнитного поля,
используемые в расчетах
4.2 Баунс-усредненные коэффициенты диффузии на дневной стороне магнитосферы
4.3 Баунс-усредненные коэффициенты диффузии на ночной стороне магнитосферы
4.4 Зависимость баунс-усредненных коэффициентов диффузии от радиального расстояния
4.5 Выводы Главы
Приложение 4.1: О знаке баунс-усредненных и локальных перекрестных коэффициентов
диффузии
Заключение
Благодарности
Список опубликованных работ автора по теме диссертации
Список литературы

Введение
Вопрос о появлении, возрастании и падении мощных потоков энергичных электронов в магнитосфере Земли относится к наиболее актуальным проблемам физики магнитосферы. Орбиты геостационарных спутников связи локализованы в областях, где во время умеренных магнитных бурь наиболее часто наблюдаются высокие потоки релятивистских электронов. Такие электроны принято называть электронами-киллерами. Решение задачи о природе электронов-киллеров входит в число основных задач программ Космической погоды. Большие возрастания потоков релятивистских электронов-киллеров приводят к сбоям работы космических аппаратов и в ряде случаев приводили к выходу из строя спутников. Во время одних магнитных бурь наблюдаются большие возрастания потоков энергичных электронов, а во время других магнитных бурь большие спады потоков частиц. Понимание роли различных механизмов ускорения и потерь энергичных электронов во время периодов геомагнитной активности является исключительно важным для объяснения и предсказания динамики радиационных поясов Земли.
Внешний радиационный пояс Земли формируется в результате действия процессов радиального переноса, ускорения и потерь, которые в большинстве случаев имеют диффузионный характер (обзор литературы содержится в Главе 1). Важную роль в происходящих процессах играют взаимодействия волна-частица. Для описания динамики радиационных поясов Земли решается трехмерное (ЗБ) диффузионное уравнение Фоккера-Планка. Так как диффузия - это сравнительно медленный процесс, то локальные диффузионные коэффициенты, которые задаются на входе моделей при численном решении этого уравнения, традиционно усредняются по быстрым баунс-колебаниям (колебаниям частиц между магнитными пробками) в предположении дипольности магнитного поля магнитосферы Земли. Однако во внешних областях магнитосферы Земли магнитное поле сильно отличается от дипольного. Кроме того, во время геомагнитновозмущенных периодов происходит сильное изменение геомезрии и величины магнитного поля, что может существенным образом изменять баунс-усредненные коэффициенты диффузии. Поэтому проблема ускорения и потерь энергичных электронов не может быть решена без учета изменений магнитного поля Земли, особенно во время геомагнитных возмущений. Ранее учитывалась только зависимость радиальных коэффициентов диффузии от геометрии магнитного поля, но не проводилось учета зависимостей питч-угловых, перекрестных

N Аппроксимации Т(у) Оригин./ Пересмотр. С;I с2 Сз п а тах | £> |, %
I С + С? у О П 1.3 1.3001 -0.56 -0.5716 0.0155 0.0132 5.8089 5.8017
II С+Съ ул/2 4- Сз У О п 1.38 1.3936 -0.32 -0.321 -0.32 -0.3333 0.0062 9.37 10'4 1.0014 0.9728
III Сх+С2уп О п 1.3802 1.3767 -0.6397 -0.6351. 0.75 0.744 0.0025 0.0015 0.5832 0.2543
IV О] + С2у1/2 + Сяуп п 1.3809 -0.1851 -0.4559 0.863 3.73 10-4 0.0784
V 1.38 + 0.055 г//3 —0.32 «у1/2 — 0.037 у2/3 —0.3942/ + 0.056 у4/3 О 3.86 10~* 0.0676
Таблица 2.1 Сравнение «оригинальных» и «пересмотренных» аппроксимаций Т(у).
В Таблице 2.1 приведено сравнение «оригинальных» аппроксимаций (2.15а)-(2.15г) и параметризаций, имеющей такую же функциональную зависимость, но с коэффициентами, полученными методом наименьших квадратов («пересмотренные» аппроксимации). Для теоретического анализа лучше всего использовать параметризации, которые дают точные значения для аналитически вычисляемых случаев при аеч=0° и 90°. Однако для численных расчетов более важна высокая точность приближения относительно всего диапазона экваториальных питч углов. В Таблице 2.1 также приведены среднеквадратические отклонения а и максимальное значение из абсолютных отклонений тах ]Б| для каждой аппроксимации. Отклонение Б вычислялось как (ТаррГох(у) - Техас,(у))-( 100% / ТаррЮ1(у)), где Тарргох(у) И Техасцу) - Приближенное И ТОЧНОе Значения функции Т(у). Функция Телас,(у) вычислялась численно с большой точностью (использовалось 1000 точек в интеграле) используя выражение (2.13) для экваториальных питч углов от 0.5° для 89.9° с шагом 0.1°, также были добавлены два аналитических значения Г(0) и 7X1). «Оригинальная» и «пересмотренная» аппроксимации I имеют наименьшую точность по сравнению с другими аппроксимациями, их отклонения показаны на Рис. 2.2а. «Оригинальные» аппроксимации II и III также имеют большие отклонения от точного решения на малых экваториальных питч углах по сравнению с соответствующими «пересмотренными» аппроксимациями (Рис. 2.26).