Статья: Космические циклотронные мазеры
В итоге концентрация частиц там стабилизируется в среднем на уровне, соответствующем порогу генерации (4). Излишки частиц высоких энергий высыпаются в плотные слои атмосферы, обеспечивая тем самым передачу энергии от радиационного пояса верхней атмосфере. Какова же реальная динамика волн и частиц в космическом циклотронном мазере?
Наличие фоновой холодной плазмы не единственное отличие мазера, функционирующего в магнитосферах планет и звезд, от его лабораторного аналога. К нему добавляются сильная неоднородность магнитного поля, постоянно действующие источники, которые поставляют частицы в широком интервале энергий и питч-углов. Эти факторы определяют и особенности математического описания процессов. Широкое применение здесь получила известная в физике плазмы квазилинейная теория взаимодействия волн и частиц. Так, она достаточно хорошо подходит для описания взаимодействия широкополосных КНЧ и ОНЧ излучений с электронами радиационного пояса. В нашем случае эта теория учитывает два основных физических процесса: во-первых, диффузионное изменение питч-угла частицы q и ее попадание по данной причине в конус потерь и, во-вторых, самосогласованное изменение разности населенностей, влияющее на генерацию волн. Простейший вариант оказывается близким к двухуровневому приближению в теории оптических квантовых генераторов. Таким образом удалось объяснить целый ряд наблюдательных фактов, касающихся электронных радиационных поясов и КНЧ-ОНЧ излучений [4]. Среди них - стационарные и квазипериодические режимы высыпаний электронов радиационных поясов в ионосферу и сопутствующие им КНЧ-ОНЧ шипения (рис. 2, а, б). Остановимся на них чуть подробнее.
Полярные сияния и другие всплески
О полярных сияниях в виде пульсирующих пятен на небе авроральных широт слышали, наверно, все. Экспериментальное исследование этого интересного явления свидетельствует: оптические пульсации вызываются высыпаниями электронов высоких энергий (~10-40 кэВ) в верхнюю атмосферу. Географически они тесно привязаны к основанию вытянутого вдоль магнитного поля волокна с повышенной плотностью холодной плазмы. Пульсации непосредственно коррелируют со всплесками электромагнитных КНЧ излучений. Детальный теоретический анализ показал, что весь комплекс явлений обязан своим происхождением функционированию космического циклотронного мазера внутри волокна. Последнее играет роль высокодобротной электродинамической замедляющей системы, резко усиливающей эффекты циклотронного взаимодействия электронов радиационных поясов со свистовыми волнами. Источником активного вещества здесь служат электроны, которые ускоряются во время магнитных бурь на ночной стороне магнитосферы и затем в процессе магнитного дрейфа на утреннюю сторону пересекают волокна плотной холодной плазмы. Схема такого генератора (его естественно назвать проточным циклотронным мазером), изображена на рис.3 [5]. Пульсации высыпаний электронов, вызывающие всплески оптического свечения атмосферы, обусловлены автоколебательным режимом работы мазера. Расчет этого режима надо вести уже в рамках более сложной модели, чтобы учесть нелинейный рост числа осцилляторов, участвующих в генерации волн [5].
Рис. 3. Схема работы проточного космического циклотронного мазера. Электроны высоких энергий с инверсией населенностей входят в процессе магнитного дрейфа в область генерации (внутри волокна повышенной плотности). “Отработанные” электроны (без инверсии) выходят через противоположную стенку волокна.
До сих пор мы полагали, что прозрачность ионосферных зеркал остается постоянной. На самом деле под действием потоков высыпающихся через “конус потерь” частиц высоких энергий происходит дополнительная ионизация ионосферы и ее прозрачность изменяется. Роль подобных эффектов особенно велика в случае ионного (протонного) космического циклотронного мазера, поскольку длина возбуждаемых в нем волн сравнима с толщиной ионосферы. При этом коэффициент отражения альвеновских волн от ионосферы R(w) как функция частоты носит ярко выраженный резонансный характер: на рис. 4 приведен пример такой зависимости для средних параметров ионосферы [4]. Там же изображена линия усиления Г(w) = gtg для протонного мазера. Генерация будет происходить в узкой полосе вблизи частоты, где полное усиление G(w)–|lnR(w)| максимально. Возникающая в процессе развития циклотронной неустойчивости дополнительная ионизация ионосферы приводит к смещению кривой R(w) относительно линии G(w), а следовательно, к перестройке частоты генерации w(t).
 | Рис. 4. Частотные зависимости модуля коэффициента отражения альвеновских волн R(w) от ионосферы и логарифмического усиления волн G(w) при однократном прохождении радиационного пояса в протонном мазере (мгновенная картина). |
Как видно из рис.4, при таком дрейфе R(w, t) относительно G(w) возможна ситуация, когда величина G – |lnR| по мере возбуждения волн в космическом циклотронном мазере не уменьшается, а растет, пока максимум G(w) в процессе дрейфа кривой не встретится с ближайшим максимумом R(w, t). Когда полное усиление мазера ведет себя подобным образом, последний переходит в автоколебательный режим пичковой генерации. С данным режимом удается связать широкий класс наблюдаемых короткопериодных геомагнитных пульсаций типа “жемчужины” в диапазоне Рс 1 (0.1-5 Гц - см. рис. 5).
| Рис. 5. Примеры динамических спектров в диапазоне короткопериодных геомагнитных пульсаций (Pc 1), которые удается объяснить на основе автоколебательного режима генерации в протонном мазере. Борок (Ярославская обл.) и Кергелен (Kerguelen - остров в южной части Индийского океана, владение Франции) - названия наблюдательных пунктов. Заметим, что эти пункты находятся в противоположных полушариях в окрестности одной и той же силовой линии магнитного поля (как говорят, они магнитно сопряжены) |  |
О недосказанном
Мы видим, что разработанная теория функционирования космического циклотронного мазера в магнитосфере Земли находит убедительное экспериментальное подтверждение. Удается количественно объяснить самые разные типы электромагнитных излучений, которые приходят к нам из ближнего космоса. Космический циклотронный мазер играет ключевую роль в понимании динамики радиационного пояса Земли и количественной интерпретации процессов высыпания частиц высоких энергий в верхнюю атмосферу. Аналогичные процессы наблюдаются и в радиационных поясах других планет.
В то же время остаются очень важные и не понятые до конца проблемы объяснения тонкой структуры излучения. Новые подходы к их решению предложены в работах [6-7]; они опираются на то, что в процессе развития циклотронной неустойчивости деформируется функция распределения электронов радиационных поясов, возникают движущиеся ступени - своеобразные ударные волны в фазовом пространстве скоростей. При этом возможны новые режимы генерации волн в космическом мазере, способные объяснить возникновение дискретных КНЧ-ОНЧ излучений, пример которых показан на рис. 2, в.
За пределами данной статьи остались и чрезвычайно интересные новые приложения теории к таким объектам, как активные области в солнечной короне и атмосферах звезд. Условия существования плотной плазмы, которые там реализуются, радикально меняют динамику мазера, приводя к возникновению взрывных явлений в генерации волн и обмену энергией между горячей и холодной компонентами плазмы [8]. Но об этом - как-нибудь в другой раз.
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований. Проект 99-02-16175.
Список литературы
1. Гапонов-Грехов А.В., Петелин М.И. Мазеры на циклотронном резонансе // Наука и человечество. М., 1980. С.283-290.
2. Тверской Б.А. Динамика радиационных поясов Земли. М., 1968.
3. Helliwell R.A. Whistlers and Related Ionospheric Phenomena. Standford, 1965.
4. Беспалов П.А., Трахтенгерц В.Ю. Альвеновские мазеры. Горький, 1986.
5. Demekhov A.G., Trakhtengerts V.Y. // Journal of Geophysical Research. 1994. V.99. P.5831-5841.
6. Trakhtengerts V.Y. // Journal of Geophysical Research. 1995. V.100. P.17205-17210.
7. Демехов А.Г., Трахтенгерц В.Ю. // Изв. вузов. Радиофизика. 2001. Т.44. №1-2. С.111-126.
8. Трахтенгерц В.Ю. // Изв. вузов. Радиофизика. 1996. Т.39. С.699-712.