Исследование реакции нижней ионосферы на высыпание энергичных частиц из радиационных поясов Земли (стр. 5 из 6)

. (12)

Сравнение (12) с (8) показывает, что коэффициент анизотропии

обеспечивает диффузию, промежуточную между сильной и слабой. Уменьшение приводит к уменьшению диффузии и к увеличению глубины модуляции. В данном случае глубина увеличивается за счет уменьшения фононовоо потока.

3.1.4. Модуляция потоков высокоэнергичных частиц. При рассмотрении трех предыдущих случаев предполагалось, что частицы колеблются вместе с магнитной трубкой. При характерном диаметре трубки в экваториальной плоскости

и периоде колебаний условие сохранения частиц в трубке выполняется для энергий . Частицы больших энергий будут протекать через трубку (вследствие градиентного дрейфа), почти не реагируя на ее колебания. Можно считать, что магнитная силовая трубка колеблется на неподвижном фоне энергичных частиц. Колеблющаяся трубка, подобно зонду, будет проектировать в свое основание частицы из разных областей ионосферы. Магнитосфера заселена энергичными частицами неоднородно. Поэтому поток частиц, высыпающихся из трубки, будет флуктуировать. Полагая, что фоновый поток энергичных частиц меняется по закону:

, (13)

получаем глубину модуляции:

. (14)

Последнее равенство выполняется при характерных значениях

, , . Изменение потока происходит в фазе или противофазе с может быть выражено через магнитное поле стоячей альвеновской волны:

, (15)

где

-северная компонента поля над ионосферой; и внешнее магнитное поле в экваториальной плоскости и на уровне ионосферы соответственно. При выводе (15) предполагалось, что альвеновская скорость постоянна вдоль силовой трубки, трубка совершает колебания на основной гармонике, концы трубки закреплены на ионосфере.

Поле

не проникает ниже ионосферы, так как полностью экранируется педерсеновскими токами. Под ионосферой чувствуется магнитное возмущение , связанное с холловскими токами:

, (16)

где

и - проинтегрированные по высоте холловская и педерсеновская проводимости; поле считается положительным, если оно направлено на восток. Подставляя (16) в (15) и полагая , и , получаем:

, (17)

где выражено в нТл.

Возвращаясь к выражениям (8), (10), (12) и (14), запишем с учетом (17) относительную вариацию потока:

, (18)

где величина коэффициента

для четырех рассмотренных случаев принимает соответственно решения ; и . Наиболее благоприятен для модуляции случай 2 (сохранение инвариантов); при амплитуде колебаний получаем в этом случае . Случаи 1,3 и 4 способны вызвать только 10 –20 %-ную модуляцию потоков частиц. Напомним, что случай 1 (быстрая изотропизация) дает нижний предел для глубины модуляции низкоэнергичных (<30 кэВ) частиц; уменьшение питч-угловой диффузии приведет к увеличению глубины модуляции.

Следует отметить своеобразие случая 4. Несмотря на почти полное отсутствие взаимодействия колеблющейся трубки с высокоэнергичными частицами, высыпающийся поток испытывает довольно сильную модуляцию.

3.2. Продольные электрические поля.

Наиболее убедительным доказательством существования продольных электрических полей являются часто наблюдаемые потоки частиц с питч-углами, сосредоточенными вблизи

. Такие потоки наблюдаются как в ионосфере, так и в магнитосфере, свидетельствуя о наличии продольной разности потенциала порядка нескольких киловольт. Механизм возникновения продольного поля неясен, но можно выделить несколько возможных источников : 1) различная питч-угловая анизотропия электронов и протонов; 2) термоэлектрический эффект на границе между горячей магнитосферой и холодной ионосферной плазмой; 3) продольный ток, переносимый горячими электронами с учетом сходимости магнитных силовых линий; 4) аномальное сопротивление; 5) двойной сой; 6) нехватка холодной плазмы.

(Из вышеизложенного видно, что волновое взаимодействие нельзя не учитывать, рассматривая высыпание высокоэнергичных частиц. Такое взаимодействие вносит ощутимый вклад в ионизацию ионосферы.)

4. Теоретические оценки эффектов в нижней ионосфере.

(В этой главе будут даны оценки различным магнитосферно-ионосферным взаимодействиям)

Рассмотрев два метода исследования нижних слоев ионосферы, можно сделать некоторые оценки различных эффектов и сравнить их. Оценим корпускулярное взаимодействие.

Глубина проникновения частиц в ионосферу в значительной степени зависит от их энергии. Как видно из рис. 3 (2), различные участки энергетического спектра частиц влияют на различные слои атмосферы. Только электроны и протоны с энергиями более 10 кэВ и 200 кэВ соответственно могут проникнуть ниже 100 км и ионизировать область D, а ионизация области F может вызываться только частицами с энергиями сотни эВ.

Так, чтобы проникнуть вглубь ионосферы до высоты 100 км, электрон (в среднем) должен иметь энергию 9 кэВ, а протон, – должен иметь энергию 300 кэВ. Итак, не смотря на более благоприятные условия проникновения для протонов (процесс перезарядки), они все же должны иметь более высокую энергию, по сравнению с электронами, чтобы проникнуть на такую же глубину. Электрон, обладая энергией 100 кэВ, проникает до высоты 70 км, а протон, с аналогичной энергией, - только до высоты 110 км.

Статистически энергетический спектр электронов и протонов с возрастанием широты становится мягче. Поэтому следует ожидать, что вклад вторгающихся частиц в ионизацию имеет место в полярных областях на большей высоте, чем в средних широтах. Высыпание частиц в средних широтах влияет, по-видимому, только на область D. Но степень ионизации ионосферы зависит не только от энергии частиц, но и от угла, род которым частица входит. Электроны, пересекающие атмосферу в почти вертикальном направлении, создают максимум ионизации, который в 100 – 1000 раз больше максимума, вызванного электронами, входящими в атмосферу под большими зенитными углами. Сильная зависимость от зенитного угла объясняется отчасти тем, что энергия быстрого электрона, движущегося под большим зенитным углом, будет распределяться по горизонтальной площади, которая пропорциональна секансу зенитного угла. К примеру, в образовании ионизации на больших высотах наиболее эффективны электроны, входящие в атмосферу под зенитным углом 60*.

До некоторой степени является неожиданным отсутствие зависимости максимума высоты ионизации от первоначального питч-угла электронов в отличие то подобных вариаций, наблюдаемых в ионосферном слое, образованным солнечным излучением. Причина кажущегося постоянства максимума, заключается в том, что: а) вследствие небольшого отношения сечений упругих и неупругих столкновений энергичные электроны сильно отклоняются от начального направления движения задолго до того, как поглотятся и б) возможные незначительные различия в высоте максимума трудно обнаружить из-за большого градиента плотности нейтральной атмосферы.

Итак, можно сделать вывод, что максимальны вклад в ионизацию нижнего слоя D ионосферы, дают электроны, входящие в атмосферу в вертикальном направлении. Теперь оценим волновое взаимодействие.