При адиабатических условиях энергичные электроны могут совершать колебательное движение между магнитными «зеркальными» точками в неоднородном магнитном поле. Частицы будут зеркально отражаться над атмосферой, и, таким образом, являются захваченными. Частицы, оказавшиеся в конусе потерь, высыпаются в атмосферу и гибнут. Для электронов и ионов высокой энергии во внешнем радиационном поясе наиболее эффективным механизмом рассеяния по питч-углам предполагает существование резонансных взаимодействий с естественными плазменными волнами в магнитосфере, что приводит к доплеровскому смещению частоты на величину, кратную релятивистской гирочастоте.

Резонанс с электронами требует большого доплеровского смещения (или высоких скоростей электронов) и энергии

. (1)

Ионы для резонанса должны иметь энергию:

(2)

На основании теоретических аргументов можно предположить, что ионно-циклотронные волны легче всего генерируются внутри плазмосферы, имеющей высокую плотность плазмы, или в пределах отделившихся от плазмосферы плазменных областей, в которых. Ем=0.3-10 кэВ. Поэтому резонансные энергии электронов должны располагаться в ультрарелятивистской области (0,5 –50 МэВ), в то время как резонансная энергия ионов равна 1 –1000 кэВ.

Ионно-циклотронные волны наблюдались преимущественно в вечернем секторе магнитосферы с типичным значением максимальной амплитуды в несколько гамм. На основании рис. 1 (1) можно заключить, что этого достаточно для вовлечения резонансных ионов и высокоэнергичных электронов в режим сильной диффузии.

Рис. 1 Минимальные амплитуды флуктуирующих электрического и магнитного полей, необходимые для рассеяния протонов (+) или электронов (-) в режиме сильной диффузии на L=6. При других значениях L необходимые амплитуды изменяются как .

??????, ?? ??????????? ???????, ????? ????????? ?????? ????? ??????, ??????????? ??????? ?????????? ????? ?????? ???????? ???? 1 ???.

Чисто электростатические волны наблюдались во внешней магнитосфере в частотных полосах, центрированных между гармониками электронной гирочастоты. Их часто называют верхними гибридными волнами. Как правило, волны поляризованы, причем волновой вектор k почти перпендикулярен к вектору магнитного поля B , и продольная составляющая волнового вектора k сравнима с величиной обратного ларморовского радиуса горячих электронов плазменного слоя. Типичные значения резонансных энергий электронов составляют несколько кэВ. В самом деле, такие волны неэффективны при рассеянии высокоэнергичных электронов.

1.1. Анализ отдельных случаев.

1.1.1. Явление, связанное с волнами типа свистов. Первоначально анализ был ограничен поиском рассеяния в режиме сильной диффузии электронов с энергиями выше 235 кэВ. Вероятно, в силу жесткости этого критерия удалось выявить только семь случаев, которые можно было отнести к рассеянию, связанному со свистовыми волнами. Во всех случаях они относились к позднему утреннему сектору, где появление хоров максимально. Рассеяние наиболее значительно в самом низкоэнергичном (33 кэВ) канале, ослабевая при переходе к более высоким энергиям. Не обнаружено никакого одновременного высыпания ионов.

1.1.2. Явление, связанное с электромагнитной ионно-циклотронной волной. В данных за 14 месяцев только четыре события удовлетворяют критерию, определяющему рассеяние электронов электромагнитными ионно-циклотронными волнами. Все они наблюдались на малых L вблизи вечернего меридиана, где такие волны предпочтительно возбуждаются. Не наблюдалось никакого высыпания электронов при энергиях ниже 160 кэВ. При 235 кэВ имеются данные, что конус потерь частиц частично заполнен. По мере увеличения энергии электронов интенсивность рассеяния прогрессивно растет, достигая уровня рассеяния в режиме сильной диффузии на энергиях более 850 кэВ. Ограниченная по широте область высыпания релятивистских электронов погружена в более широкую зону высыпания ионов в режиме сильной диффузии.

1.1.3. Явление, связанное с электростатической ионно-циклотронной волной. Большая часть (302 случая) выявленных событий имеет особенность, характерную для рассеяния частиц электростатическими ионно-циклотронными волнами: широкий интервал энергий изотропного потока высыпающихся электронов, сопровождающихся высыпанием ионов в режиме сильной диффузии. Как правило, такие высыпания имеют место вблизи верхнего предела значений L для области захваченных энергичных электронов, однако, заведомо в пределах внешней границы захвата, связанной с переходом в область незамкнутых геомагнитных силовых линий полярной шапки. Такие события сильно преобладают на ночной стороне в пределах интервала широт, характерного для овала полярных сияний (рис 2) (1). Это согласуется с процессом паразитного рассеяния высокоэнергичных электронов, которые переносятся градиентным дрейфом в зону постоянно существующей сильной турбулентности, связанной с ионными модами, на широтах ночного сектора овала полярных сияний. Смещение к экватору области высыпаний релятивистских электронов во время возмущений согласуется с установленным смещением овала полярных сияний во время суббурь.

Итак, осаждение энергичных электронов в атмосферу может быть как основным источником ионизации области D , так и привести к образованию добавочного количества молекул водорода и азота, которые, как известно, могут выполнять роль разрушающих озон катализаторов на высотах средней атмосферы. В результате возрастания количества водорода чрезвычайно жесткие по энергиям и интенсивные ВРЭ, описанные выше, могут привести к локальному уменьшению озона (~30 %) в мезосфере на субавроральных широтах. При наблюдаемой 5 – 10 % частоте появлений подобные события становятся также основным источником в течение года окиси азота в субавроральной мезосфере, и их воздействие может быть существенным даже в верхней стратосфере. Более того, поскольку наш анализ данных спутника ограничен небольшим числом типов событий, характеризующихся наличием режима сильной диффузии в высыпании релятивистских (> 230 кэВ) частиц, приведенные выше оценки сопутствующих атмосферных эффектов является весьма умеренными. События в режиме слабой диффузии, а также события с участием электронов меньших энергий, происходят гораздо чаще, и становятся существенными эффекты постепенного накопления. Реальность этого предположения подтверждена экспериментами.

(Основным источником энергии ионизации D слоя ионосферы являются энергичные частицы: электроны и протоны.)

Рис 2. Общая морфология ВРЭ, наблюдаемых на спутнике S3-3 в периоды средних (A<20) и высоких (A>20) возмущений. Отмечены события, связанные с рассеянием на свистовых () и электромагнитных ионно-циклотронных () волнах. Все остальные события относятся к рассеянию электростатическими ионно-циклотронными волнами.

2.Изучение кинетических методов исследования.

(Здесь будут рассмотрены воздействие высокоэнергичных частиц, высыпающихся из магнитосферы, и ионосферы в кинетическом рассмотрении, т.е. без учета плазменных волн или колебаний магнитной силовой трубки.)

Взаимодействие между магнитосферой и ионосферой происходит по двум каналам, один из которых можно назвать корпускулярным, связанный с вторжением энергичных частиц, а другой – волновым, осуществляющим передачу электрических полей и продольных токов. Сначала рассмотрим первый.

Некоторое количество протонов и электронов, захваченных на силовой линии геомагнитного поля, будут иметь зеркальные точки в атмосфере на высоте не менее 100 км. Проникающие в атмосферу частицы сталкиваются с атомами и молекулами атмосферы и постепенно отдают свою энергию нейтральным атомам и молекулам. Главным стоком энергичных заряженных частиц магнитосферы является атмосфера, по крайней мере, в области, характеризующейся высокими значениями L (например, L>5).

Заряженные частицы при вторжении испытывают ряд упругих и неупругих столкновений с атомами и молекулами атмосферы. Они постепенно расходуют свою энергию: а) на ионизацию и возбуждение нейтральных частиц воздуха и б) на излучение энергии при ускорении в кулоновском поле атомных ядер (тормозное рентгеновское излучение). Для частиц низких энергий (т.е. электронов с энергиями <1 МэВ) второй процесс потери энергии несущественен, но его эффект весьма важен , поскольку при этом процессе генерируются рентгеновские лучи, которые можно использовать для косвенных исследований энергичных частиц.

Следствия процесса ионизации и возбуждения в верхней атмосфере можно исследовать по изменениям диэлектрической постоянной верхней атмосферы и оптических излучений из этих областей. Наблюдались оптические полярные сияния, для возбуждения которых необходима энергия, превосходящая общую энергию всех энергичных электронов, запасённых во всей магнитосфере. Это доказывает, помимо всего прочего, эффективность атмосферы как стока для энергичных частиц.

Чтобы количественно исследовать влияние столкновений частиц на различные явления в верхней атмосфере, необходимо знать, как происходит в верхней атмосфере диссипация энергии частиц. Кроме того, детальное влияние морфологии нерегулярной, вызванной частицами ионизации в верхней атмосфере может способствовать лучшему пониманию временных вариаций потоков частиц.

Примерная глубина проникновения протонов и электронов различных энергий представлена на рис. 3 (2), поскольку высыпание частиц – процесс статистический, фактическая глубина проникновения не постоянна для всех частиц с одинаковыми начальными условиями. Значения, приведённые на рис. 3 (2), следует, таким образом, рассматривать как средние высоты на которых большая часть энергии поглощается при неупругих столкновениях в предположении, что частицы проникают в атмосферу вертикально.

Поскольку глубина проникновения в значительной степени зависит от энергии (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.

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 . В зоне полярных сияний ионизация областей D и F до некоторой степени поддерживается частицами, тогда как внутри полярных шапок вторгающиеся частицы в нормальных условиях, по-видимому, ионизируют только верхнюю часть ионосферы. Спорадическая ионизация может изменять эту картину, особенно в полярных областях, где высокоэнергичные протоны солнечного происхождения временами вызывают значительное усиление ионизация в нижней части области D.

2.1. Электроны.

2.1.1. Потеря энергии и рассеяние . Энергичный электрон, проникающий в верхнюю атмосферу, в результате неупругих столкновений с молекулами воздуха постепенно теряет свою энергию W . Средняя потеря энергии на одно неупругое столкновение составляет для энергичных электронов (т.е. W>500 эВ)

Рис. 3. Глубина проникновения частиц при вертикальном вхождении в атмосферу Земли.

около 90 эВ. Эта энергия сообщается связанному электрону, который оторвется от исходного атома с энергией, достаточно высокой, чтобы ионизовать еще два атома.

Средний атомный номер в верхней атмосфере равен 7,3, при этом предполагается, что относительное содержание молекул кислорода и азота составляет 3:7. Кроме того, что сечение рассеяния двухатомной молекулы вдвое больше, чем сечение одного атома (что не всегда справедливо). Скорость потери энергии в воздухе показана на рис. 4 (2). По этим данным можно установить остаточный пробег электрона с данной энергией W , определяемый формулой:

. (3)

Если отклонения траектории электрона, вызванные упругими столкновениями, были незначительными, по формуле (3.) легко определить полную глубину проникновения. Но траектория электрона сильно отличается от прямой линии, поэтому в общем случае решить эту задачу аналитически очень трудно, и только в нескольких численных решениях полностью учтены эффекты сложного движения электронов.

Отклонения траектории электрона обусловлены главным образом упругими столкновениями с атомами атмосферы (т.е. кулоновским рассеянием). Сечения упругих и неупругих столкновений достаточно хорошо известны вплоть до энергий, превышающих несколько кэВ. Известно, что на каждое неупругое столкновение электрона приходится от 5 до 10 упругих столкновений. Если средняя потеря энергии на одно неупругое столкновение составляет около сотни эВ. То электрон должен испытывать приблизительно 100 упругих столкновений, прежде чем потеря энергии достигнет 1 кэВ. Следовательно, с начальной энергией около 50 кэВ «забудет» об исходном направлении своего движения задолго до того, как он остановится, даже если средний угол рассеяния при каждом упругом столкновении мал. Все вычисления основаны на предположении о горизонтальной стратификации атмосферы и о вертикальном расположении силовых линий геомагнитного поля (что достаточно хорошо выполняется на высоких широтах).