Быстрые вариации потоков высокоэнергичных заряженных частиц в окрестности Земли солнечной и геофизической природы

• Автор: Мурашов, Алексей Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 120 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ
ГЛАВА 1 ВВЕДЕНИЕ
1.1 Обзор экспериментальных работ по быстрым вариациям потоков заряженных частиц в окрестности Земли
1.2 Распространение высокоэнергичных заряженных частиц в геомагнитном поле Земли: методы расчета и анализа
ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ БЫСТРЫХ ВАРИАЦИЙ ЧАСТИЦ ПРИБОРОМ МАРИЯ-2 В ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ
2.1 Описание эксперимента МАРИЯ
2.2 Описание телескопа-спектрометра МАРИЯ
2.3 Регистрация солнечных частиц 31 октября 1991 года
2.4 Экспериментальное наблюдение'квайиперйодических пульсаций заряженных частиц на атмосферной границе РП Земли
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 3 МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ТРАЕКТОРИИ ЗАРЯЖЕННОЙ
ЧАСТИЦЫ В ГЕОМАГНИТНОМ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
3.1 Численная модель и методика расчета
3.2 Уравнение движения заряженной частицы в ГМП и методы решения
3.3 Физическая модель окружающего пространства
3.3.1 Модель геомагнитного поля
3.3.2 Модель плотности атмосферы Земли
3.4 Процессы взаимодействия высокоэнергичных заряженных частиц с атмосферой Земли
3.5 Алгоритм моделирования распространения высокоэнергичных заряженных частиц на атмосферной границе РП Земли
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦ В
РЕАЛЬНОМ ГЕОМАГНИТНОМ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
СОДЕРЖАНИЕ
4.1 Движение частиц в реальном ГМП без учета атмосферы
4.2 Эффективность дрейфа частиц вокруг Земли с учетом энергетических потерь
4.3 Эффективные энергетические диапазоны и конус потерь
4.4 Квазипериодические затухающие пульсации потоков
частиц
4.5 Влияние изменений геомагнитных и атмосферных условий
на процессы распространения частиц
4.5.1 Долговременные вариации ГМП Земли
4.5.2В ариации плотности атмосферы Земли
4.6 Влияние числа используемых гармоник в представлении
ГМП на движение частиц в области БМА
4.7 Анализ точности решения уравнений движения
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 5 АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ
КВАЗИПЕРИОДИЧЕСКИХ ПУЛЬСАЦИЙ ПОТОКОВ ЧАСТИЦ, ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫХ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ МАРИЯ-2 НА БОРТУ ОК МИР И НА ИСЗ СККЕБ
5.1 Эксперимент МАРИЯ-2 на борту ОК МИР
5.2 Эксперимент на борту ИСЗ СККЕб
5.2.1 Описание ИСЗ СЛЕЕ Б и научной аппаратуры
5.2.2 Регистрация электронных и протонных пульсаций в событии 24 марта 1991 г
5.2.3 Моделирование пульсаций частиц в событии
марта 1991 г
5.2.4 Обсуждение результатов
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ГЛАВА 1 ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 Введение
1.1 Обзор экспериментальных работ по быстрым вариациям потоков заряженных частиц в окрестности Земли
Исследование пространственных, временных и энергетических характеристик космических лучей в геомагнитном поле (ГМП) представляет значительный интерес для решения ряда проблем физики космических лучей, радиационного пояса (РП) Земли.
Значительный интерес представляют собой быстрые вариации (от нескольких секунд до нескольких минут) в потоках заряженных частиц в окрестности Земли и их взаимосвязь с разного рода гелио и геофизическими процессами. К ним можно отнести проникновение высокоэнергичных частиц от солнечных вспышек вглубь магнитосферы Земли [1], пульсации электронов и протонов во внешнем РП Земли [2, 3], высыпания частиц из внутреннего РП Земли, вызванные геофизическими причинами [4], образование нестационарного радиационного пояса высокоэнергичных электронов и протонов в зазоре между внешним и внутренним РП Земли [5]. Эти вариации могут иметь сложную временную структуру.
Быстрые вариации (пульсации) заряженных частиц сравнительно невысоких энергий (менее 1-ь2 МэВ) во внешнем РП Земли, связанные с многократным дрейфом частиц через область регистрации, известны достаточно давно. В 1967 г. была опубликована работа [2], посвященная экспериментальной регистрации пульсаций потоков электронов (энергия не превышает 2 МэВ) прибором АТ Б 1 на геосинхронной орбите (Ь~6.6). В работе [3] было опубликовано сравнение результатов экспериментальных наблюдений быстрых пульсаций электронов на геосинхронной орбите прибором АТБ 1 и прибором ОСЮ 3 в интервале Ь оболочек от 5 до 8, т.е. в окрестности геосинхронной орбиты, после магнитных суббурь.
Другие экспериментальные наблюдения быстрых пульсаций заряженных частиц также с энергией менее 1 МэВ были проведены на геосинхронной орбите приборами 1976—059А и 1977—007А [6, 7]. Приборы зарегистрировали
ГЛАВА 3 МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ТРАЕКТОРИИ ЗАРЯЖЕННОЙ ЧАСТИЦЫ В ГМП ЗЕМЛИ

Существует несколько алгоритмов реализации метода Рунге-Кутта 4-го порядка (схема Гилла, схема Мерсона и др. [31]). В данной работе использовалась схема численного решения уравнения (3.2.1), которая, по выполненным предварительно оценкам, дает максимальную устойчивость решения при одинаковом шаге.
Очевидно, что уравнение (3.2.1) является системой дифференциальных уравнений 2-го порядка относительно координат (траектории) частицы. В общем виде уравнение (3.2.1) можно переписать следующим образом [42]:
у" = Г(х,у,у') (3.2.4)
Тогда, при начальных условиях: у(х0) = у0, у'(хо) = Уо получаем выражение для следующего значения ук+1, ук+1:
1 (3.2.5)
Уы =Ук +У:Лх + -(к, + к2 +к3)Дх
Ук+1 = Ук +1 +2к2 + 2к3 +к4)
к, =Г(хк>ук,у()Ах
Ах Дх к,
к2 =Г(хк+-у>Ук+У’у‘1+У)
.. Дх ,4х к, к2ч
11=+у.У1+у;у+уА-'.у; +у) к
к4 = Г(хк +Дх,у1;+у(Ах + ~Ах,у(+кз)
где: хк = х0 +кДх, ук=у(хь), у(=у'(хк), к = (0,1,2,3...), Дх
интегрирования.
Основной недостаток метода Рунге-Кутта связан с трудностью определения ошибки интегрирования. В данной работе ошибка интегрирования определялась исходя из устойчивости решения (сохранение первого адиабатического инварианта) и получения одинаковых энергетических и пространственных распределений при дроблении шага интегрирования (подробнее смотри п.4.7).
3.3 Физическая модель окружающего пространства
Как уже упоминалось выше, точность восстановления реальной траектории высокоэнергичной заряженной частицы в РП Земли зависит не