
книги из ГПНТБ / Гульельми А.В. Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы
.pdf1193, 198—200, 203]. Вопрос о реальных источниках, возбуждаю щих альвеновские колебания, довольно сложен и до конца не решеи. Одним из механизмов трансформации энергии солнечного ветра в энергию альвеновских колебаний магнитосферы является неустойчивость границы магнитосферы [204—206]. В этой связи весьма интересна работа [164], в которой показано, как поверх ностные волны, возникающие на границе магнитосферы, могут возбуждать гофрированные колебания далеких магнитных оболо
чек 8 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Амплитуда |
длиниопериодных пульсаций |
в некоторых |
случаях |
||||||
составляет десятки |
— сотни |
гамм. Поэтому |
существует |
необходи |
|||||
мость |
в учете тем |
или иным способом |
нелинейности |
колебаний. |
|||||
В работе [208] показано, что в определенных условиях |
решения ли |
||||||||
неаризованной задачи о спектре альвеновских колебаний |
магни |
||||||||
тосферы справедливы и при колебаниях конечной |
амплитуды. |
||||||||
Общая задача о спектре |
колебаний |
магнитосферы. |
Исследова |
||||||
нию |
спектра |
полоидалытых |
колебаний |
посвящены |
работы [155, |
159, 160, 165]. Не приводя здесь результатов, отметим только сле дующее.
Д л я того чтобы решить задачу методом разделения переменных, приходится вводить довольно жесткие ограничения на вид функ
ции |
р (Я, |
х). |
Если за внешнюю поверхность резонансной полости |
|||
принять поверхность плазмосферы, то в сферических |
координатах |
|||||
эта |
поверхность не будет совпадать с координатной поверхностью. |
|||||
Е с л и же решать задачу в дипольных |
координатах, то с координат |
|||||
ной |
поверхностью не будет |
совпадать поверхность Земли. Чтобы |
||||
обойти возникающую при этом трудность с граничными |
условиями, |
|||||
в работе |
[159] |
плазмопауза |
считается |
сферой. Т а к а я |
деформация |
|
реальной |
границы должна |
привести |
к сильному ч искажению ре |
зультатов. Наконец, с полоидалыгами колебаниями труднее, чем с альвеновскими, отождествить какой-либо тип геомагнитных пуль саций.
Итак, из исходного волнового уравнения (10.4) были извлечены три одномерных уравнения (10.13), описывающих альвеновские колебания магнитосферы. К этой «коллекции» можно добавить двумерное волиовое уравнение (10.17), которое описывает аксиаль но симметричные колебания магнитозвукового типа. Попытки вый ти за рамки этих упрощенных уравнений н решить общую задачу о связанных альвеновских и магнитозвуковых колебаниях не при
вели до сих пор к существенному |
прогрессу. Причину |
неудачи, на |
|
наш |
взгляд, можно сформулировать следующим образом. |
||
В |
резонаторах, с которыми |
обычно имеют дело, |
существует |
бесконечное, но счетное множество собственных частот. В нашем же
идеальном случае собственные колебания магнитосферы как |
цело |
||
го |
образуют множество |
мощности континуума, т. е. несчетное мно- |
|
8 |
См. также работу [207], |
в которой численными методами решена |
задача |
|
о возбуждении в магнитосфере трехмерных гпдромапштных воли в резуль |
||
|
тате импульсной деформации границы магнитосферы. |
|
|
|
|
|
S1 |
жество. Методы решения внутренних задач, разработанные приме нительно к счетномериым пространствам, т. е. к пространствам со счетномерным базисом, в данном случае неприменимы.
С другой стороны, континуальность спектра колебаний замкну того объема, по-видимому, физически бессмысленна. Это есть ре зультат чрезмерной идеализации задачи. Таким образом, оказы вается, что в результате переупрощений мы пришли к математи чески более сложной задаче, чем исходная. Естественно поэтому вернуться к исходному уравнению (10.4), сохранив в нем отброшен ные ранее члены, и пытаться решить задачу численно. Хотя этим и устраняются принципиальные трудности, связанные с несчет ностью спектра, вычислительные трудности исследования колеба ний в неоднородной анизотропной среде со сложной геометрией, очевидно, весьма" велики.
Таким образом, проблема, как в рамках идеальной магнитной гидродинамики найти полный спектр колебаний резонатора слож ной формы, пока не имеет четкого решения. Наиболее обещающий путь — отказ от чрезмерной идеализации, приводящей к конти нуальности спектра. Возможно, это позволит применить стандарт ную технику численного решения краевых задач такого класса,,
например, вариационные |
методы. |
|
§ 12. Возбуждение волн энергичными частицами |
||
Существует большое |
разнообразие |
конкретных механизмов |
возбуждения воли в магнитосфере °. Их |
можно разделить на две |
категории: возбуждение сторонними источниками и самовозбуж
дение волн в результате неустойчивости |
исходного |
состояния |
|||
плазмы. |
|
|
|
|
|
В некоторых случаях можно выделить в плазме систему пере |
|||||
менных токов , / с т |
(ж, |
t) |
и рассматривать |
ее как заданную в том |
|
смысле, что je-,, (х, |
t) |
не |
зависит от поля Е |
(х, I) волн, |
излучаемых |
этими токами. Задача заключается в отыскании этого волнового поля . В магнитосфере гидромагнитные волны могут возбуждаться, например, пульсирующей токовой струей, текущей вдоль зоны сияний. К этому же классу относится задача об излучении волн отдельной заряженной частицей, движущейся по винтовой траек
тории |
во внешнем магнитном поле. |
Д л я |
магнитосферы более типичным, однако, является случай |
генерации или усиления волн в результате различного рода неустойчивостей плазшл. Состояние плазмы неустойчиво, если воз никающие в ней возмущения нарастают со временем. Потеря устой чивости может произойти в неоднородной плазме, если градиенты макроскопических параметров (плотности, температуры и т. п.) превысят некоторое критическое значение. Неустойчивость в та-
9 О возбуждении низкочастотных волн в солнечном ветре см., например, [209-212].
8?
к их случаях называют гидродинамической. Пространственно одно родная плазма неустойчива при условии, что функция распределе ния заряженных частиц по скоростям / (ѵ) в достаточной мере не равновесна. Неравновесные распределения, легко реализующиеся в плазме с редкими соударениями частиц, приводят к так называе мым кинетическим иеустойчпвостям.
Характер нарастающих возмущений определяется конкретны ми условиями и чрезвычайно разнообразен, что соответствует из вестному разнообразию собственных колебаний и типов деформа ций плазмы. Линейная теория неустойчивости позволяет отыскать критерии устойчивости плазмы по отношению к бесконечно малым возмущениям, указать типы нарастающих волн и рассчитать на чальную эволюцию возмущений.
В данном параграфе рассматриваются кинетические неустой чивости, приводящие к возбуждению гидромагнитных и ионноциклотроиных волн в диапазоне Pel, 2, Pi 1. Этой проблеме посвя щены работы [215—234] 1(>.
Во всех случаях, за исключением особо оговоренных, предпо лагается применимым приближение геометрической оптики. У н и версального критерия применимости этого приближения указать нельзя . Рассмотрим все же известный критерий [110]
|
па- |
dl |
СО |
' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Б котором |
положим |
п. — |
/7.4, а под |
/ будем понимать |
координату |
||||||||
вдоль магнитной силовой линии. В |
дипольном |
поле |
d |
In n/dl |
< |
||||||||
<^ d |
In B/dl |
~ |
3/Z0, |
где |
l0 |
— длина силовой |
линии. Учитывая, |
что |
|||||
время пробега т пакета волн вдоль |
I от одной сопряженной точки |
||||||||||||
до другой и обратно порядка — 6 |
reL/A, |
перепишем |
критерий в |
||||||||||
виде |
т / ^ > |
3reL/l0. |
Д л я жемчужин, |
например, |
т/ — 102 |
(см. § |
4). |
||||||
Так |
как |
1 < |
10/ге <^ 1,5L, |
то использование геометрической опти |
|||||||||
ки в данном |
случае, |
по-видимому, |
оправдано. |
|
|
|
Формирование неустойчивых распределений частиц. Время от времени распределение заряженных частиц в магнитосфере стано вится неустойчивым. Потерю устойчивости можно ожидать при питч-угловой анизотропии распределения частиц, при наличии
пучков, при немонотонной зависимости |
распределения от энергии |
и при протекании по плазме тока. К а к |
правило, инкремент нара |
стания возмущений пропорционален отношению плотности энергии резонансных частиц к плотности магнитной энергии, и тем выше, чем сильнее распределение частиц отличается от равновесного:
уГплотность энергии резонансных частиц j
ш \ плотность энергии магнитного поля I
1 0 Возбужденно понно-циклотроппых воля энергичными протонами в магни тосфере во многом аналогично возбуждению волн типа свистящих атмо- •сферпков энергичными электронами [213, 214].
33
Здесь л — некоторый параметр, характеризующий отклонение распределения частиц от равновесного. (При максвелловом рас пределении и = 0.)
Прежде чем приступить к анализу усиления и генерации низко частотных волн, обсудим кратко общий характер распределения энергичных частиц в физически различных областях магнитосферы.
Во внешнем радиационном поясе распределение энергичных частиц по скоростям анизотропно. Во-первых, как и во всякой ловушке с магнитными пробками, в геомагнитной ловушке имеется конус потерь.Частицы с малыми питч-углами гибнут в плотных сло ях ионосферы. Во-вторых, к анизотропии приводит сам характер формирования внешнего пояса. Вследствие бетатрониого ускоре ния поперечная энергия частнц в среднем несколько выше продоль ной [16]. Если распределение протонов с энергиями ер — 100 кэв вблизи максимума пояса (L — 3 —4) аппроксимировать двухтемпературным максвелловым распределением, то степень анизотро пии т| = (Tj_ —Т(УТц порядка единицы.
Во время суббурь в зону сияний из хвоста магнитосферы вторга ются мощные пучки заряженных частнц. IIa силовых линиях, примыкающих к нейтральному слою хвоста, характерным является распределение в впде двух встречных пучков. Пучки частиц могут инжектироваться также через нейтральные точки на дневной сто роне границы магнитосферы.
Частицы, инжектированные в магнитосферу, дрейфуют по ази муту. Интересно, что в процессе дрейфа формируется спецпфнчекое неустойчивое распределение. В самом деле, скорость дрейфа частицы пропорциональна энергии. Поэтому на ведущем крае сгустка с течением времени накапливаются частицы с относительно большей энергией, т. е. формируется немонотонная зависимость распределения от энергии. Так как скорость азимутального дрейфа зависит и от питч-угла, то распределение в инжектированном сгустке становится еще и анизотропным.
Разнообразные типы неустойчивых распределений формируются в геомагнитном хвосте. Рассмотрим, например, медленные сжатия и расширения хвоста под действием неоднородностей солнечного ветра. Пусть вначале магнитное поле равно Вп, а функция рас пределения максвеллова
/ о ( * ) =
Если сжатие происходит в поперечном направлении с сохранением магнитного момента, то после с ж а т и я , очевидно,
где В —магнитное поле после сжатия . Степень анизотропии здесь
ц=(В/В0)-1.
глО |
ml |
іп2 |
тЗ £ |
Р и с. 19. Зависимость энергии резонансных протонов от L при раз
личных / в диапазоне Pc 1
Штриховой кривой показан вертикальный профиль альвеновскоіі скорости; па левой вертикальной оси отмечены значения гнрочастоты про тонов в вершине силовых линий
Менее тривиальным является случай, когда неустойчивые рас пределения формируются поверхностными волнами, возбуждаемы ми при обтекании хвоста солнечной плазмой. Здесь следует ожи дать появления сложной пространственно-временной модуляции локальных инкрементов.
По наблюдениям на спутнике, летящем перед фронтом ударной волны, из фронта навстречу солнечному ветру вырываются пучки протонов и электронов с энергиями порядка ~ 1 кэв [235]. Неустой чивость этих пучков, вероятно, приводит к возбуждению низко частотных волн в межпланетной среде в окрестности магнито сферы.
Альвеновскне волны в протонном поясе. Рассмотрим в линей ном приближении циклотронную неустойчивость протонов внеш него радиационного пояса. Неустойчивость возникает вследствие анизотропии распределения энергичных протонов по скоростям.
Д л я оценки спектра нарастающих волн можно воспользоваться условием резонанса (7.14) [215, 216, 219,222]. Н а рис. 19 показана зависимость энергии резонансных протонов от параметра L маг нитной оболочки при различных значениях частоты Ä-воли, рас пространяющихся строго вдоль магнитных силовых линий вблизи экваториальной плоскости [257]. Видно, что в области внешнего
радиационного |
пояса (L |
— 3—6) |
протоны с |
энергиями -— 10 — |
||
100 кэв могут |
возбуждать |
волны |
в диапазоне |
Pel. |
Характерный |
|
излом |
кривых |
на рисунке обусловлен наличием |
плазмопаузы |
|||
(L* « |
4). |
|
|
|
|
|
Н а циклотронную неустойчивость протонов внешнего радиа ционного пояса, приводящую к возбуждению Ж-воли в диапазоне
P e l, обращено внимание в работе [218] 1 1 . Эта неустойчивость аналогична неустойчивости электронов внешнего пояса, приводя щей к возбуждению J/2-волн в диапазоне У Н Ч [213]. Л п н е й н а я теория неустойчивости в приближении продольного распростране ния ЛС-волп построена в работах [224, 226] (см. также [227—229]).
При анализе неустойчивости п расчете инкрементов необходимо учитывать неоднородность и конечные размеры радиационного по яса. Д л я расчета локального инкремента воспользуемся формулой (8.11). (Следует иметь в виду, что эта формула выведена в предпо
ложении Ѳ ~-- 0.) |
Удобно ввести локальный коэффициент усиления |
||||||||||||||
к" -- |
I m к, |
который |
|
характеризует |
пространственное нарастание |
||||||||||
волн |
и |
связан с |
инкрементом, |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
к" |
= |
- |
Т / у г р . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Подставляя |
сюда |
(6.42) |
н (8.11), |
получаем |
|
|
|
|
|||||||
к"(.о) = |
|
^ * £ - { 4 ( f + i> |
kit ,, |
— |
" f i l |
+ |
1) X |
||||||||
|
P p |
||||||||||||||
|
|
|
|
" |
I I «'Il |
|
|
L |
-i_ I |
m |
|||||
|
|
|
|
г |
с |
h |
ku, |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
X |
exp |
|
|
|
|
1 |
со |
|
|
|
|
|
|
(12.1) |
|
|
k-w\ |
|
|
p |
о |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L:P |
J |
|
|
|
|
|
Положим q = 0, |
H и = 0 . Тогда при w± ^> шц, как это имеет |
место |
|||||||||||||
в протонном |
поясе, |
нарастают |
Ä-волны |
[верхний |
знак |
в |
(12.1)]. |
||||||||
В диапазоне |
CÙ <«Ç Qp (альвеновские волігы) коэффициент |
усиления |
|||||||||||||
имеет |
вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А:" (со) |
|
|
|
-1 |
|
\ |
— |
|
2 |
|
«•„ |
- т - е х р |
|
|||
|
|
|
«л |
У |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
где |
іі = (иЛ/ц>|) |
— 1, |
и л = с/А. |
|
|
|
||
|
Максимум |
к" (со) |
достигается |
на |
|
частоте |
||
|
~ О |
А |
|
|
|
|
|
|
и |
равен |
|
|
|
|
|
|
|
|
km-àsi |
2е |
V i |
l 1 |
! |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(12.2)
(12.3)
(12.4)
Из |
(12.3) |
видно, что неустойчивость |
разовьется |
в альвеновском |
|||
диапазоне, |
если и>ц ^ > А. |
Усиления |
альвеновских |
воли протонами |
|||
с |
энергией — 100 |
кэв можно ожидать |
при L <С |
(рис. 19). |
|||
Из |
(12.4) |
следует, |
что |
усиление |
происходит главным образом |
Следует отметить более раннюю работу [215]. в которой рассматривалась циклотронная неустойчивость релятивистских протонов внутреннего ра диационного пояса. Однако, судя по всему, плотность потока протонов во внутреннем поясе слишком мала для возбуждения волн в диапазоне Pel.
86
вблизи экваториальной плоскости. Сделаем оценку интегральногокоэффициента усиления:
Q (•,)) = —\ к" (ч>, I) dl
(О
при двукратном прохождении пакета альвеновских воли через раднациоиный пояс. Пусть I отсчитывается вдоль силовой линии от
плоскости экватора |
и со = |
с о ш а х (/ = |
0). Положим р (/) GO В (I). |
|||||||
Тогда зависимость к" |
от |
как это видно лз (12.2), будет определять |
||||||||
ся фактором — ехр [— [В {1)1В |
(О)]3 }. Раскладывая В (/) в ряд в |
|||||||||
окрестности |
точки 1 — 0, |
|
найдем длину отрезка силовой линии, |
|||||||
на котором усиление |
эффективно: /0 ф ~ |
1,3 - 10s L см,. Соответствен |
||||||||
но |
коэффициент |
усиления |
|
A |
—4/с1 П а х £Эф на частоте со т равен |
|||||
Q |
{дб) ^ |
10"и L 4 |
/ T J , |
где |
/ |
= |
N'w\\ |
— П Л О Т Н О С Т Ь потока энергич |
||
ных |
протонов. Зависимость |
а>тах |
от L приближепно дается форму |
|||||||
лой |
œ m . i x |
^ |
300/L3 рад/сек. |
(Напомним, что речь идет о неустой |
||||||
чивости |
внутри |
плазмосферы.) |
|
|
Неустойчивость имеет конвективный характер, т. е. протонный пояс работает как усилитель гидромагнитных сигналов. Посколь ку, однако, усиленный сигнал после отражения от ионосферы возвращается в систему, то возникает положительная обратная связь и пояс может перейти в режим генерации. Если Р — коэф фициент отражения от ионосферы, то суммарный коэффициент усиления
Q {дб) Ä 10-B L*/r) - 401g (1/Р). |
(12.5) |
Генерация возникает при Q > 0. Переход в надкритическое состоя ние возможен как при возрастании /г), так и при уменьшении по терь энергии волн в ионосфере. Интегральный инкремент нараста ния амплитуды волн
т = <?/*, |
С 1 2 - 0 ) |
где |
|
Iѵ^
До сих пор речь шла об усилении и генерации волн в простей
шем случае |
продольного распространения (Ѳ = 0 ) . Предположение |
о том, что |
Ѳ = 0 вдоль всей траектории пакета может быть оправ |
дано при анализе неустойчивости в плазменных слоях или волок нах, вытянутых вдоль силовых линий (в так называемых дактах). Однако интерес представляет также анализ неустойчивости и в тех областях магнитосферы, где дакты неэффективны или вообще от сутствуют.
Прежде чем рассчитывать коэффициент усиления, |
необходимо |
отыскать траекторию волн п рассчитать изменение |
ориентации |
вектора к вдоль траектории (рефракцию). Н и ж е мы |
рассмотрим |
87
случай, когда траектория задана (силовая линия), но учтем реф
ракцию и найдем коэффициент усиления при |
не очень |
больших |
|||||
углах Ѳ. |
|
|
|
|
|
|
|
Локальный показатель преломления |
может |
быть задан в виде |
|||||
и — >іл/ I cos |
0 I . Движение |
волнового |
пакета |
вдоль |
траектории |
||
(СИЛОВОЙ лшига) описывается уравнением d\/dt |
= А, |
где |
£ (і) — |
||||
координата |
пакета. Изменение вектора /.• вдоль |
луча |
(рефракция) |
||||
определяется |
из уравнения |
[236] |
|
|
|
|
|
dkjdt = |
- |
к (дА/дІ1). |
|
|
|
|
(12.7) |
Проинтегрируем (12.7) в |
системе координат |
(.с; у; |
I), |
где I — |
расстояние вдоль выбранной силовой линии, ось х направлена по
главной |
нормали, |
а у |
— по бинормали. |
Если кручение силовых |
|||
линий |
отсутствует, |
то ненулевые компоненты |
метрического |
тензо |
|||
ра £ n |
= |
g2.2 = 1, |
g33 |
= (1 — х.г)2 , где |
X (/) |
— кривизна |
осевой |
линии. Зададим распределение плотности плазмы в окрестности
луча в виде р = |
р 0 (/) [1 |
-f ах], |
где а (/) характеризует крутизну |
спада р поперек |
силовых |
линий |
(индекс «О» у р 0 (/) в дальнейшем |
опускается). При этих допущениях из (12.7) получается следующая формула, описывающая изменение і|э = kjk, вдоль луча при рас пространении в меридиональной плоскости (ки = 0) от вершины силовой линии к Земле:
о |
|
t g ö 0 . Ѳ 0 — угол между 7с и В в вершине траектории . |
|||||
Здесь і|)(0) |
= |
||||||
Используем (12.7) для расчета коэффициента усиления Q пакета |
|||||||
альвеновскых |
волн на |
участке |
траектории |
от вершины |
силовой |
||
линии (I = |
0) |
до |
Земли |
(/ = |
|
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
(;(со,Ѳ0 ) |
= 5 |
[T (со, |
Q)/A]dl. |
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
При малых |
Ѳ основной |
вклад |
в инкремент |
будут давать |
первые |
гармоники циклотронного резонанса. В этом приближении коэф
фициент |
усиления |
[232] |
|
|
|
||
Q(», ѳ0 ) = Д ^ - |
%n°w/] |
Ф ( с о ' Ѳо)' |
|
( 1 2 - 9 ) |
|||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ß (I) |
P(0) |
о |
VT |
|
|
I |
ß(0) |
.P(0 |
|
|
|
|
|||||
F Ä 1 + ^ |
2 |
|
1,4 |
|
|
|
|
|
+ ( Q p / 2 C O ) I | ; |
|
|
|
|||
Здесь £ = |
(Qp(0)/co) |
(Л(0)/й?„). |
|
|
|
88
Р и с. 20. Коэффициент усиления альвеновскнх волн в магнитосфере
0о — стартовый угол между
ви fc в экваториальной
ПЛОСКОСТИ
|
|
|
0,2 |
0,6 |
1,0 |
|
1,4- 1,3 Ç |
|
|
|
На рис. 20 представлена зависимость |
Ф |
от £ |
и |
0О . Расчет сделан |
||||||
при следующих значениях параметров: А (0)/н>ц |
= |
|
0,1, н = |
1, а — |
||||||
= х, |
р (/) со |
В |
(/). Нормировочный коэффициент |
равен |
Ф т а х |
= |
||||
= 5,7-107 L . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К а к |
видно |
из |
рисунка, рефракция |
приводит |
к |
тому, |
что |
при |
Ѳ0 = 0 коэффициент усиления почти в два раза меньше, чем при
строго продольном |
распространении вдоль геомагнитной |
силовой |
||||||||
линии (штриховая кривая) . Интересно, что при |
Ѳ0 |
= |
10° |
коэффи |
||||||
циент усиления больше, чем при |
0 = 0 . |
Расчет |
по |
формуле (12.9) |
||||||
дает максимум Q при 0О = 30°, однако при таких углах |
точность |
|||||||||
недостаточна |
для |
количественного |
анализа. |
Зависимость |
Ф / Ф т а х |
|||||
от L весьма |
слабая, так что Q оо |
ZATn, |
где |
/ |
= |
N'w\\. |
|
|||
Влияние ионов гелия. Околоземная плазма содержит несколько |
||||||||||
сортов ионов с различными отношениями заряда |
к массе. До высот |
|||||||||
одпа-две тысячи |
километров |
присутствуют |
ионы |
кислорода, |
азота, гелия и водорода. Однако па этих высотах в диапазоне маг нитных пульсаций (со <sgj Qo=) многокомпонентный состав плазмы элементарно учитывается соответствующим выражением для mt в формуле альвеновской скорости. С удалением от Земли концент
рация тяжелых |
ионов быстро падает практически до нуля . Что же |
||
касается ионов |
Н е + , |
то их наличие обнаружено до высот ~ |
30000 |
км (относительная |
концентрация £ = N (Не+ )/уѴ — 3-10- 3 ) |
[237]. |
Оказывается, что даже небольшая примесь этих ионов может су щественно повлиять на возбуждение и распространение геомагнит
ных пульсаций |
в диапазоне |
Pel |
[227, 238—241]. |
||||||
Формула |
для |
показателя |
преломления |
плазмы, состоящей из |
|||||
электронов |
и ионов |
двух |
сортов, |
получена |
в |
работе [2381 |
|||
2 |
. _ |
с'/Я» |
f, |
N,IN |
|
ге .2 |
1 + CÙ/QX |
• T\ |
, |
» 1 , 2 |
- |
|
J 1 |
=С щ / Й |
1 |
|
ilpu/Q., |
\ ] j |
' X - |
Здесь A = B/Y~A nmxN, предполагается строго продольное рас пространение (Ѳ = 0), верхний и нижний знаки относятся к волнам
89
левой и правой |
круговой |
поляризации. При |
£• <§;1 |
в протоино- |
||||
гелневой |
плазме |
имеем |
|
|
|
|
|
|
п \ л = |
. ^ І Л І п |
( l + |
3 ; n |
1 |
+ |
1. |
|
(12.10) |
Заметим, что |
наличие |
небольшой |
|
примеси |
ионов |
Н с + сильно |
влияет на поведение дисперсионных кривых лишь в непосредствен
ной окрестности гирочастоты йне- |
Н а |
рис. 21 дано изменение |
|||||||||||||
квадрата показателя преломления понно-циклотроиных |
волн |
||||||||||||||
вдоль |
силовой |
линии, |
пересекающей |
поверхность |
|
Земли |
ira |
||||||||
шпроте |
Ф 0 |
= |
63,5°. |
Относительная |
концентрация ионов |
гелия |
|||||||||
равна |
£ = |
0,01. |
Кривые па верхнем рисунке |
соответствуют |
слу |
||||||||||
чаю, когда |
частота волны |
меньше гирочастоты Й'не+ с^. |
6 |
радісек |
|||||||||||
в |
вершине |
траектории. |
Н а |
нижнем |
рисунке частота |
волны |
|||||||||
больше |
гирочастоты |
гелия, но |
меньше |
гирочастоты |
протонов |
||||||||||
£2не+ <С с о <С £2™"- |
П р и распространении |
из |
одного |
п о л у ш а р и я |
|||||||||||
в |
другое сигнал |
во втором случае |
должен |
пересечь две |
полосы |
не |
прозрачности, расположенные симметрично относительно плос
кости |
экватора. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Сделаем оценку ослабления D амплитуды сигнала после про |
|||||||||||
хождения |
этих |
двух |
областей |
[239, 240]. |
Воспользуемся |
для |
||||||
этого |
известной |
формулой |
|
|
|
|
|
|
||||
|
D |
= e-"P, |
|
|
|
|
|
|
|
(12.11) |
|
|
где |
ß |
= (Ù':A)\V— |
I " I — |
ширина |
полосы |
непрозрачности в |
еди |
|||||
ницах |
альвеновских |
длин |
воли; |
V — координата |
полюса |
/г, |
||||||
I " — координата |
н у л я |
/г . Н а рис. |
22 показана зависимость тун |
|||||||||
нельного |
множителя D от |
концентрации И е + при |
распростране |
|||||||||
нии |
ионно-цпклотронных |
волн |
с |
частотами со ^> Q"H'i вдоль СИ |
||||||||
ЛОВОЙ |
Л И Н И И , пересекающей |
поверхность Земли на |
широте Ф 0 |
= |
=63,5°.
Д л я |
ориентировочных оценок удобно пользоваться следую |
||||||||||||
щей |
формулой. Координаты |
Г |
и I" определяются соотношениями |
||||||||||
) |
н е + |
{I') |
= |
со и |
Q H e + |
(Г) |
= |
(0/(1 + |
3|). |
|
|
||
Производя |
разложение й Ы е + |
0) |
А ; й н е + (I') + |
(I — l')dQns+/dl |
|і=г, |
||||||||
находнм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
17' |
7" |
~ - |
|
— |
|
|
|
|
|
|
|
||
I 4 |
|
|
I ~ |
дыаЯе+/ді\1=1, |
|
• |
|
|
|
|
|
||
Подставляя |
|
численные |
значения |
параметров, |
получаем |
|
|||||||
D(do) |
= |
20 lg в»* œ 4 • 1 0 й |
[ / ^ М ] . |
|
(12.12) |
||||||||
П р и |
/ А |
1 |
|
гц, |
А ж |
108 |
смісек |
и |
| |
ж 10~2 |
ослабление |
весьма |
|
велико: D — 40 дб. |
Если же £ |
на порядок меньше, то влиянием |
|||||||||||
ионов гелия |
можно |
пренебречь. |
|
|
|
|
90