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).

Сначала находят траекторию электрона. Выбираются три произвольных параметра, которые дают: а) расстояние, проходимое до следующего упругого или неупругого соударения; и б) направление движения после столкновения. Распределение этих трех произвольных чисел определяется сочетаниями, представленными на рис. 5 (2).

Процесс продолжается до тех пор, пока: а) первичный электрон не израсходует всю свою энергию или; б) электрон не уйдет из атмосферы как электрон альбедо. Чтобы получить статистически достоверные результаты, необходимо рассмотреть достаточно большое число первичных электронов, больше чем 10 000.

2.1.2. Обратное рассеяние энергичных электронов атмосферой. Электроны альбедо не дают существенного вклада в ионизацию верхней атмосферы, поэтому для количественного сопоставления ионосферных процессов и потоков частиц над атмосферой важно знать, какая часть вторгающихся электронов отражается атмосферой. Коэффициент отражения не зависит существенно от энергии. Однако средняя потеря энергии для электронов альбедо существенно изменяется с изменением угла вхождения в атмосферу от 30 до 10 % для электронов с первоначальными питч-углами 30 и 80* соответственно.