(Из вышеизложенного видно, что волновое взаимодействие нельзя не учитывать, рассматривая высыпание высокоэнергичных частиц. Такое взаимодействие вносит ощутимый вклад в ионизацию ионосферы.)

4. Теоретические оценки эффектов в нижней ионосфере.

(В этой главе будут даны оценки различным магнитосферно-ионосферным взаимодействиям)

Рассмотрев два метода исследования нижних слоев ионосферы, можно сделать некоторые оценки различных эффектов и сравнить их. Оценим корпускулярное взаимодействие.

Глубина проникновения частиц в ионосферу в значительной степени зависит от их энергии. Как видно из 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.

Так, чтобы проникнуть вглубь ионосферы до высоты 100 км, электрон (в среднем) должен иметь энергию 9 кэВ, а протон, – должен иметь энергию 300 кэВ. Итак, не смотря на более благоприятные условия проникновения для протонов (процесс перезарядки), они все же должны иметь более высокую энергию, по сравнению с электронами, чтобы проникнуть на такую же глубину. Электрон, обладая энергией 100 кэВ, проникает до высоты 70 км, а протон, с аналогичной энергией, - только до высоты 110 км.

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. Но степень ионизации ионосферы зависит не только от энергии частиц, но и от угла, род которым частица входит. Электроны, пересекающие атмосферу в почти вертикальном направлении, создают максимум ионизации, который в 100 – 1000 раз больше максимума, вызванного электронами, входящими в атмосферу под большими зенитными углами. Сильная зависимость от зенитного угла объясняется отчасти тем, что энергия быстрого электрона, движущегося под большим зенитным углом, будет распределяться по горизонтальной площади, которая пропорциональна секансу зенитного угла. К примеру, в образовании ионизации на больших высотах наиболее эффективны электроны, входящие в атмосферу под зенитным углом 60*.

До некоторой степени является неожиданным отсутствие зависимости максимума высоты ионизации от первоначального питч-угла электронов в отличие то подобных вариаций, наблюдаемых в ионосферном слое, образованным солнечным излучением. Причина кажущегося постоянства максимума, заключается в том, что: а) вследствие небольшого отношения сечений упругих и неупругих столкновений энергичные электроны сильно отклоняются от начального направления движения задолго до того, как поглотятся и б) возможные незначительные различия в высоте максимума трудно обнаружить из-за большого градиента плотности нейтральной атмосферы.

Итак, можно сделать вывод, что максимальны вклад в ионизацию нижнего слоя D ионосферы, дают электроны, входящие в атмосферу в вертикальном направлении. Теперь оценим волновое взаимодействие.

Распространяясь в магнитосферу, гидромагнитная волна взаимодействует с частицами, заставляя их при некоторых условиях высыпаться. Можно предложить два варианта передачи этой энергии частицам. В первом варианте волна меняет магнитное поле в силовой трубке, модулируя поток энергичных частиц. Во втором – происходит ускорение «холодных» частиц в продольном электрическом поле волны.

Случаи «быстрой изотропизации», «модуляции инкремента нарастания силовой моды» и «модуляции потоков высокоэнергичных частиц» (все случаи описаны выше) способны вызвать только 10 –20 %-ную модуляцию потоков частиц. Следует отметить своеобразие случая «модуляции высокоэнергичных частиц». Несмотря на почти полное отсутствие взаимодействия колеблющейся трубки с высокоэнергичными частицами, высыпающийся поток испытывает довольно сильную модуляцию. Частицы больших энергий будут протекать через трубку, почти не реагируя на ее колебания. Можно считать, что магнитная силовая трубка колеблется на неподвижном фоне энергичных частиц. Колеблющаяся трубка, подобно зонду, будет проектировать в свое основание частицы из разных областей ионосферы.

Из рассмотренного видно, что более весомый вклад в ионизацию нижних слоев ионосферы дает корпускулярное взаимодействие, но и волновым взаимодействием не стоит пренебрегать; так как в первом случае частицы высыпаются из радиационного пояса под углом близким к 0* (давая максимальную ионизацию), а во втором – частицы модулируются из различных слоев ионосферы под различными углами (не имея яркой зависимости от угла вхождения в атмосферу).

(Самый большой вклад в ионизацию верхней атмосферы дают высокоэнергичные электроны, высыпающиеся вертикально, или близко к 0*.)

Заключение.

Рассмотрев некоторые из видов ионосферно-магнитосферных взаимодействий, можно сделать вывод, что взаимодействие происходит, по крайней мере, по двум каналам: волновому и корпускулярному. Оба вида взаимодействий достаточно подробно были рассмотрены.

Высыпание энергичных частиц в ионосферу на средних широтах требует особых условий. Таких как: высокая энергия, которой должна обладать частица, малый питч-угол, чтобы иметь возможность вырваться из магнитной силовой трубки, или необходимы сильные возмущения магнитных силовых линий, вдоль которых движутся частицы в магнитосфере. Такие высыпания редки

Чтобы вызвать такие высыпания искусственно, необходимо излучить в ионосферу радиоимпульс большой мощности.

Подобные высыпания дополнительно локально ионизируют верхние слои атмосферы, увеличивая степень неоднородности. Такие события не слишком благоприятно влияют на прохождение и отражение радиоволн, так как в ионосфере появляются дополнительные неоднородности, искажающие фазовый фронт волны.

В данной курсовой работе проведены исследования методов изучения взаимодействия энергичных частиц с нижними слоями ионосферы. Сделаны оценки взаимодействий различных частиц (отдельно электронов и протонов) с ионосферой; также рассмотрены причины их высыпаний и следствия в зависимости от параметров частицы и волны, которая взаимодействует с такой частицей. Это может быть глубина проникновения, степень ионизации от энергии частицы, ее питч-угла, или же от вида этой частицы (протон или электрон0

Представленные в данной работе методы исследования высыпаний энергичных частиц – далеко не большая часть из всех существующих. Здесь были рассмотрены только самые основные.

Литература.

1. Либов Р. Введение в теорию кинетических уравнений. –М,: Мир, 1974. – 371 с.

2. Ляцкий В.Б., Мальцев Ю.П. Магнитосферно-ионосферное взаимодействие. –М.: Наука, 1988 – 192 с.

3. Полярная верхняя атмосфера. –М,: Мир, 1983 – 456 с.

4. Хир К. Статистическая механика, кинетическая теория и стохастические процессы. –М,: Наука 1988 – 600 с,