Введение к работе
Актуальность темы исследований
Диссертация посвящена изучению стохастических и регулярных закономерностей динамики заряженных частиц в дальней области геомагнитного хвоста на основе современных методов нелинейной механики, а также численного моделирования движения частиц в двумерных моделях, магнитосферы Земли. Актуальность исследований, проведенных в диссертации, определяется тем, что изучение свойств движения частиц в дальней области хвоста, в его плазменном слое важ-но для понимания природы крупномасштабных физических процессов, происходящих в бесстолкновительной плазме магнитосферы Земли. Несмотря па большое количество работ, посвященных движению частиц в геомагнитном хвосте, до сих пор существуют разные точки зрения по поводу механизма бесстолкновительной хаотизации частиц, а также разные подходы к объяснению резонансного эффекта, численно полученному в некоторых моделях магнитного хвоста. Изучение динамических свойств основывается па квазиадиабатической теории движения частиц в магнитосферном хвосте, основополагающую роль в которой играет теория адиабатических инвариантов. В диссертации рассматриваются малоизученные вопросы нелинейной механики, связанные со свойствами адиабатических инвариантов, условиями их сохранения, и изменения при пересечении сепаратрисы. При помощи численного интегрирования уравнения движения в диссертации изучаются различные предельные случаи скачков'адиабатических инвариантов, соответствующие реальным физическим условиям пересечения заряженных частиц с тонкими и толстыми токовыми слоями. Большое внимание в диссертации уделяется изучению механизма хаотизации частиц при их взаимодействии с токовыми слоями. Движение частиц (ионов) рассматривается главным образом в Харрис-модели-магнитного поля Земли:
В = В0 tanh{Z/L)ex + B„ez.
При этом предполагается, что движение частиц происходит в достаточно удаленной от Земли области магнитного хвоста, чтобы частицы
оставались нсзамагничсшіьіми, то ость предполагается, что для этих частиц известный к параметр меньше единицы. Для реалистичных значений перпендикулярной В„ и продольной Д) компонент магнитного поля Земли, а также полутолщины области обращения L и постоянной энергии частицы первый адиабатический инвариант fi не сохраняется при взаимодействии частиц с токовым слоем. Поэтому вместо первого адиабатического инварианта вводится адиабатический инвариант 1г, с хорошей точностью сохраняющий свое значение вдоль траектории частиц, за исключением момента пересечения сепаратрисы, при котором значение инварианта резко меняется. На основе этого квазиадиабатического инварианта и осуществляется изучение дина-. мических свойств системы.
Цели и задачи работы:
При помощи численного моделирования уравнений движения исследовать свойства скачков адиабатического инварианта в токовых слоях. Качественно и количественно сопоставить свойства движения частиц в токовых слоях, вытекающие из квазиадиабатической теории, с результатами чисто численного интегрирования уравнений движения. Изучить различные предельные случаи малых и нулевых начальных значений адиабатического инварианта, при которых частица инжектируется в токовый слой практически вдоль магнитных силовых линий. Рассмотреть применимость квазиадиабатической теории для таких типов пересечения сепаратрисы.
Исследовать динамические свойства системы при наложении линейно изменяемого со временем электрического поля в перпендикулярном плоскости обращения направлении ( по оси Y)'. В качестве временной зависимости в диссертации будет использован простейший случай линейной зависимости от ремени электрического поля. Изучить, насколько это изменяемое со временем электрическое поле влияет на механизм стохастизации частиц.
Исследовать резонансный эффект, наблюдаемый при численном моделировании движения частиц в области обращения магнитного поля. Рассмотреть возможные механизмы этого резонансного явле-
ніш. Выяснить возможность применения диффузии Фоккорн-Плннкн. для описании резонансного эффекта. Разработать не диффузионную модель хаотического блуждания частиц п области обращения магнитного поля.
Используя численное интегрирование уравнений движения частиц, исследовать свойства скачков адиабатического инварианта в "тонких" токовых слоях, включая предельный случай бесконечно нулевой толщины области обращения магнитного поля, что соответствует "клиновидной" конфигурации токового слоя. Поскольку в таких системах движение частиц контролируется двумя.параметрами: Ьп = В„/Во - отношением перпендикулярной и продольной компонент магнитного поля, а также а = -'корнем от отношения полутолщины области обращения L и гирорадиуса вращения частицы р в поле Bq, то выяснить влияние каждого из этих параметров на динамические свойства системы.
Исследовать динамическую систему с тонким токовым слоем в отношении существования эффекта резонансного рассеяния по питч-углам. В случае существования этого эффекта выявить резонансное условие его возникновения. Изучить возможное влияние питч-углового рассеяния частиц на физические свойства динамической системы. Провести сравнительный анализ резонансного эффекта в толстых токовых слоях и питч-углового рассеяния в тонких токовых слоях.
Научная новизна и практическое значение работы
Предложенный в диссертации новый, не диффузионный резонансный механизм может быть использован для объяснения аналогичных резонансных эффектов, численно полученных в более реалистичных и масштабных моделях магнитосферы Земли (модель Цыганенко). Предложенная модель динамики частиц может также быть использована при изучении динамических свойств частиц в области /с « 1.
Проведенное в диссертации исследование скачков адиабатического инварианта для малых начальных значений, а также для случая тонких токовых слоев может быть использовано для построения бо-
лее общей ызазиадиабатичсской теории движения заряженных частиц в геомагнитном хвосте.
Полученные в диссертации свойства движения частиц п системе с линейно зависящим от времени электрическим полем могут быть использованы для дальнейшего изучения влияния на динамические свойства частиц зависящего от времени электрического поля более сложной природы.
В диссертации впервые проведен сравнительный анализ результатов, вытекающих из квазиадиабатической теории, с результатами, полученными при помощи численного интегрирования уравнения движения для различных предельных случаев малых начальных значений адиабатического инварианта, а также впервые рассмотрены и численно изучены свойства скачков адиабатического инварианта в тонких токовых слоях.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях и совещаниях: II Всесоюзном совещании "Математические модели ближнего космоса", посвященном памяти В. П. Шабанского, (Москва, 1991), на четвертой международной конференции по космическому моделированию "The 4th International School for Space Simulation (ISSS-4), 2nd week Simposium", (Киото, 1991), на международной конференции по физике космической плазмы "Chapman Conference on Micro and Meso Scale Phenomena in Space Plasmas" (Гаваи, 1992), на III всесоюзном совещании "Математические модели ближнего космоса", посвященном памяти В. П. Шабанского (Москва, 1992), на международном симпозиуме по физике космической плазмы "MIT Symposium on the Physics of Space Plasmas" (Бостон, 1993), на международной конференции по физике космической плазмы "Cambridge Symposium-Workshop Multiscale phenomena in Space Plasmas" (Бермуды, 1995), на международная конференции "Проблемы геокосмоса" (Санкт-Петербург, 199G ).
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и име-
от объем 132 страницы, включая 12 графика. Список цитируемой литературы включает 91 работы.
