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

К основным свойствам космической плазмы относится бесстолкновительный характер движения частиц Длина свободною пробег, а частиц магнитосферы Земли и солнечного Beipa, например, превышает расстояние от Земли до Солнца.

Распределение Максвелла является равновесным распределением Однако, бесстолкновительная космическая плазмы, как правило, далека от термодинамического равновесия, и pei истрируемые функции распределения часгиц сильно оишчакмся oi максвелловских В хвосте магнитосферы Земли и на авроральных магнитных силовых линиях, в погранобластях магнитосферы наблюдакмся пучки часгиц Во внуфенних областях магнитосферы возникают блинообразные функции распределения, в которых средняя перпендикулярная магнитному полю скорость движения часгиц намною превышает параллельную Анизотропные функции распределения в магниюсферах 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 равновесною состояния и максвеллизации функций распределения обычно намного превышает характерное время процессов в данной плазменной системе Поэюму максвелловские функции распределения наблюдаются сравнительно редко.

В бесстолкновительной космической плазме возникают условия, приводящие к формированию энер1ичных немаксвелловских хвостов на функциях расиреде юния, i 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 связывакл процессы ускорения с диффузией в пространстве скоростей, обусловленной турбулентное 1ью космической плазмы.

Ряд результатов эксперименыльных наблюдений (см приводимым 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 смененной хвост при больших скоростях Каппа-распределения использукнся при описании функций распределения в плазменных сис1емах (см., например, [Maksimovic et al, 1997a, b, Newell and Wing, 2000, Leubner, 2004, Vinas et al, 2005] и материалы Главы 1 данной рабош) 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 ¡-алактик [Lavagno et al, 1998], процессов формирования солнечных нейтрино [Kaniadakis et al 1996]).

Каппа-распределение в большинстве случаев хорошо описывают функции распределения плазменного слоя и кольцевою гока в магниюсфере Земли в Mai нитоспокойных условиях и в ряде случаев в магнитовозмущенных условиях, когда функции распределения близки к изотропным. Однако описание с использованием изогропных каппа-распределений неприменимо к таким, например, плазменным объектам как тонкие анизотропные токовые слои (см [Kropotkin and Domnn, 1996, Kropotkin et al, 1997; Домрин и Кропоткин, 2002, Zelenyi et al, 2002]).

Форма функции распределения определяет многие магнитосферные процессы, прежде всего, инкременты нарастающих волн (см, например, [Тверской, 1968, Фешин и Якименко, 1969, Feygin et al, 1979]) Необходимость использования каппа-распределений в качестве исходных распределений при анализе процессов в бесстолкновшельной космической плазме экспериментально обоснована Однако такое использование несколько затруднено при проведении аналитического рассмотрения Полому сравнительно мало работ используют каппа-распределения в качестве базовых при описании космофизических процессов Традиционно теоретический анализ процессов в аврорапыюй плазме магнитосферы Земли опирается на предположении о максвелловской форме функций распределения частиц плазменного слоя, что вносит определенную ошибку в получаемые результаты 1аким образом, возникла задача проведения 1еоретического рассмотрения основных процессов в авроральной плазме с учеюм каппа-распределения Насюящая работа относится к числу первых рабог в данном направлении В ней проведен теоретический анализ ускорения частиц двойными слоями на авроральных силовых линиях с учетом каппа-распределений частиц магнитосферы Получена вольт-амперная характеристика, определяющая связь продольного тока с потоком высыпающихся частиц при каппа-распределениях ускоряемых электронов, рассмотрены процессы расщепления полосы вытекающею из ионосферы продольного тока на мультиплетные структуры с учетом каппа-распределения мат нитосферных ионов.

Актуальность работы связана с необходимостью разработки теоретических методов описания космической плазмы с учетом каппа-формы исходной функции распределения Такая разработка необходимо для усовершенствования существующих моделей космической плазмы и создания более адекватных моделей.

Целыо работы является создание теории продольного ускорения частиц на авроральных силовых линиях с учетом каппа-распределений и рассмотрение процессов расщептения вытекающих полос продольного тока на мультиплетные структуры с учеюм каппа-распределения ионов мат нитосферы.

Задача работы состоит в.

— построении теоретических моделей ускорения частиц двойными слоями с учетом каппа-распределений ускоряемых чааиц,.

— определении зависимости продольною тока от продольною надения потенциала (определении вольт-амперной характеристики) в области вытекающего продольного тока на авроральных силовых линиях с учетом каппа-распределений электронов, ускоряемых в продольном падении потенциала,.

— разработке теории расщепления полосы вытекающего из ионосферы продольного тока на мультиплетные структуры с учетом каппа-распределения;

— сравнении полученных теоретических результатов с данными экспериментальных наблюдений.

Все полученные результаты являются новыми, что обуславливает научную новизну работы.

Научная значимость работы связана с получением результатв, позволяющих существенно уточнить разработанные ранее теории ускорения частиц на авроральных силовых линиях и среднемасштабного расслоения авроральной плазмы.

Практическая ценность работы связана с решениями прикладных задач при освоении околоземного космического пространства Так, например, при решении 5адач об электризации космических аппаратов важно знать формы функций распределения частиц в авроральной плазме Решение задач предсказания «космической погоды» фебует изучения взаимосвязи процессов на авроральных силовых линиях.

Личный вклад автора в данную рабсму связан с разработкой теории ускорения часшц двойными слоями с учеюм каппа-распределений, получением вольт-амперной характеристики для продольного тока с учетом каппа-распределний, модификациеи теории горячею расслоения авроральной плазмы с учетом каппа-распределений, сравнением предсказаний теории с результатами наблюдений на спу! никах Ишеркосмос-Ьолгария-1300 и Ореол-3.

Рабош состоит из введения, 3 1лав, заключения и списка литературы В диссерыции принята следующая нумерация формул: первая цифра соответствует номеру главы, вторая — номеру раздела в главе, третья — номеру формулы в разделе. Аналогично нумерукнся рисунки Библиография составлена в алфавитном порядке, причем вначале помещены работы, написанные на русском, а затем на английском языках.

Можно выделить следующие основные результаты, выносимые на защиту.

• Развита теория ускорения частиц в высокоширотной магнитосфере, учитывающая возможное 1ь аппроксимации функций распределения ионов и >лек фонов ма1 нитосферы каппа распределениями.

• Получены решения для классическою одномерного двойного слоя и двойного слоя ловушечного шпа с учеюм каппа-распределений.

• Получена зависимость плотности продольного тока от продольною падения погенциала при учете каппа-распределения ускоряемых электронов.

• Проведена модификация теории «горячего расслоения» с учетом существования немаксвелловских «хвостов» функций распределения ионов.

• Получено значение основного параметра теории «горячею расслоения», зависящего при каппа распределении не только от температуры основною ядра функции распределения, но и от величины показателя спектра при энергиях, значительно превышающих тепловые.

• Показано, что в 70% случаев предсказания модифицированной теории «горячего расслоения» лучше описывают данные экспериментальных наблюдении.

Апробация рабогы.

Результаты работы опубликованы в рецензируемых журналах и фудах конференций Они докладывались и обсуждались на научных семинарах НИИЯФ МГУ им Д В Скобельцына и ИКИ РАН, а также на конференциях.

— COSPAR Colloquium «Plasma processes in the near-Earth space INTERBALL and beyond», Sofia, Bulgaria, 5−10 February, 2002;

— Ломоносовских чтениях МГУ в апреле 2002 г ,.

— 4-th International conference «Problems of Geocosmos», St Peterburg, Russia, June 3−8, 2002,.

— International Symposium in memory of Professor Yuri Galpenn «Auroral Phenomena and Solar-Terrestrial Relations», February 4−7, 2003;

— Chapman Conference on Physics and Modeling of the Inner magnetosphere, Helsinki, Finland, August 25−29, 2003,.

— 5th International Conference «Problems of Geocosmos», St Petersburg, Petrodvorets, 24−28 May 2004,.

— 35th COSPAR Scientific Assembly, Pans, Franse, 18−25 July 2004,.

— 14th Annual Conference of Doctoral Study (WDS'05), Prague, Czech Republic, 7−10 June 2005,.

— IAGA-2005, Toulouse, France, 18−29 July 2005,.

— 8-th International Conference on Substorms (ICS8), Banff, Canada, 26−30 April, 2006,.

— Ломоносовских чтениях МГУ в апреле 2006 г.;

— 6-th International Conference Problem of Geocosmos, St Peterburg, Russia, 23−27 May, 2006,.

— 36th COSPAR Scientific Assembly, Beijing, China, 16−23 July 2006.

Настоящая диссершция выполнена в Институте ядерной физики им Д В Скобельцына Московскою Государственною университета им. МВ Ломоносова Работа в процессе выполнения поддерживалась грантами РФФИ и про! раммой Университеты России.

Заключение

.

В диссертации проведено теоретическое и экспериментальное изучение формирования авроральных структур при учете возможности аппроксимации спектров частиц каппа-распределениями.

Проведенное в первой главе суммирование результатов наблюдений функций распределения в бесстолкновительной космической плазме продемонстрировало возможность использования каппа-распределения в качестве базового при описании космофизических объектов Такая возможность связана с постоянным присутствием в космической плазме степенных «хвостов» у функций распределения, что не наблюдается в плотной столкновительной плазме. Частицы с энергиями, превышающими 10у эВ, при этом, приняю называть космическими лучами Поэтому результаты данной работы связаны с проблемами, возникающими в физике космических лучей.

Имеющиеся в литературе результаты теоретического анализа формирования каппа-распределений показывают, что гакие распределения являются каноническими при введении нестандартного определения энтропии — энтропии по Тсаллису Такое определение энтропии связано с существованием в бесстолкновительной космической плазме дальнодействующих корреляций. Дальнодействующими корреляциями можно пренебречь, котда преобладают кулоновские столкновения и справедливо стандартное определение энтропии, каноническим распределением которого является распределение Максвелла-Больцмана.

Изучение взаимосвязи параметров каппа-распределения, включая результаты, полученные при анализе данных спутника Интербол/Хвостовой зонд, показало, чю в большинстве случаев наблюдается линейная зависимость к от Ео При этом с ростом температуры распределения нарастает показатель степенного спектра. Существование такой зависимости позволяет оценивать значение к в тех случаях, когда известно юлько значение Ео (например, когда спектр частиц измеряется только в ограниченном диапазоне вблизи теплового ядра функции распределения, как в случае использованных в Главе 3 результаюв измерений низколетящими спутниками).

Результаш, суммированные в Главе 1, чегко показывают, что при использовании в качестве базовых функций распределения максвелловских распределений при теоретическом описании бесстолкновительных космических систем може1 возникнуть ошибка, связанная с недооценкой вклада энергичных частиц Такая ошибка мала юлько при больших значениях к (при к—> °° каппа-распределение превращается в максвелловское). Поэтому в работе было проведено рассмотрение структур в авроральной плазме при учете каппа-распределений.

К хорошо наблюдаемым структурам в авроральной плазме относятся продольные скачки потенциала, приводящие к резким изменениям плотности плазмы и образованиям анизотропных функций распределения частиц сильно отличающихся от максвелловских Рассмотрение ускорения частиц в таких структурах с учетом каппа-распределений выявило ряд особенностей Изменился критерий Бома-Блока при ускорении частиц в классическом прямом двойном слое Существование немаксвелловскох хвостов у функций распределения привело к уменьшению скорости холодных пучков электронов и ионов, которые необходимы для образования слоя. Рассмотрение двойною слоя в магнитной ловушке также привело к соотношениям, отличным от случая максвелловско1 о распределения Получение вольт-амперной характеристики для продольного тока, вытекающего из ионосферы и переносимого ускоренными в продольном электрическом поле электронами магнитосферною происхождения, для случая каппа-распределения может значительно уточнить результаты работ по магнитосферно-ионосферным взаимодействиям. В таких работах ранее широко использовалась вольт-амперная характеристика, полученная при использовании максвелловскою распределения Сравнение теоретических предсказаний с полученными ранее результатами экспериментальной проверки вольт-амперной харакгерисжки в авроральнои плаше показывает, что полученные в данной работе соотношения не противоречат резулыаим наблюдений, точноегь которых не превышает 20% При получении более точных экспериментальных результатов в будущих экспериментах, результаты Главы 2 работы могут быть дополнительно проверены с учетом отличия канна-распределения 01 максвелловского распределения.

Сравнение предсказаний модифицированной с учетом каппа-распределения теории с данными наблюдений удалось провести в случае теории горячего расслоения ма (нитосферной плазмы, что было сделано в Главе 3 работы Теория юрячего расслоения и формирования авроральных структур средних масштабов (50−200 км в проекции на ионосферные высоты) удалось модифицировать. Был получен основной параметр теории, который в отличие от результатов проведенного ранее рассмотрения в случае каппа-распределения зависит не только от теплового ядра функции распределениятемпературы юрячих магнигосферных ионов — но и от показателя степени степенного хвоста каппа-распределения Результаты сравнения предсказании теории и данных измерений на спутниках Интеркосмос-Болгария-1300 и Ореол-3 показали, что в 70% случаев происходит улучшения согласия данных эксперимента с теорежческими предсказаниями.

Суммируя результаты работы в целом можно отметить, что, несмотря на то, что использование каппа-распределения вместо максвелловского распределения приводит к более громоздким аналитическим выражениям, такое использование может быть крайне полезным при проведении теоретического изучения космофизических объектов, в частности авроральнои плазмы.

В заключение, автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д ф м н Елизавете Евгеньевне Антоновой, коллективу Кафедры Физики.

Космоса физическою факультета МГУ, на которой выполнялась работа, коллективам Отдела теоретической и прикладной космофизики НИИЯФ МГУ, совместно с коюрыми был получен ряд экспериментальных результатов и лично Марине Впадимировне Степановой и Игорю Петровичу Кирпичеву.