Введение к работе
L
Диссертационная работа посвяшепа теоретическому исследованию процессов взаимодействия электронпых и протонно-водороддых (е-р-Н) пучков с начальными энергиями больше 50эВ и 1кэВ, соответственно, с атмосферой Земли.
Актуальность проблемы. Теоретическое описание взаимодействия пучков заряженных частиц с веществом является одной го фундаментальных задач для многих областей науки и техники - ядерной физики н (ризики элементарных частиц, радиационной физики твердого тела и радиобиологии, (ризики плазмы и астрофизики, новейших технологий и методов анализа. Одно из центральных мест данная задача занимает и в области физики вькокоширошой ионосферы Земли. Сегодня ни у кого пе вызывает сомнения тот факт, чго потоки авроральных электронов и протонов являются одним из основных, а в неосвещепной Солнцем ионосфере доминирующим источником, определяющим как ее структуру, так н динамику протекающих в ней физико-химических и химических процессов.
Одним из наиболее ярких "следов" корпускуляршх высыпаний в полярной ионосфере являются полярные сияния, изучение которых представляет собой эффективное средство как для исследования свойств ионосферной плазмы, так и для задач диагностики процессов, протекающих в различных областях магнитосферы.
Исследования последних лег позволяют считать, что авроральпью корпускулярные высыпания способны оказывать влияние и на процессы, протекающие в пограничных мезосфегжо-теглюсферпых областях.
Рассматриваемая область исследований включает в себя две крупные задачи, носящие фунцамеїггальньш характер: а) решение задачи прохождения е-р-Н пучков через атмосферу Земли и, как следствие, количественное исследование тонкой структуры и механизмов формирования базовых шфререшщальных и шггегралыгых характеристик переноса; б) исследование процесса распределения кинетической энергии, запасенной в е-р-Н пучках, по уровням внутреннего возбуждения (эдектрсшо-котебательным термам) молекул, атомов, ионов возмущенной ионосферной плазмы.
Изучепие характеристик взаігмодействия авроральных е-р-Н пучков с атмосферой Земли, кроме фуцдаменгалыюго аспекта, имеет и большое прикладное значеіше. Связано это, в первую очередь, с проблемой диагаостики, контроля и прогноза состояния полярной ионосферы. Далный круг вопросов, как правило, представляет собой прямые (или обратные) задачи, решение которых базируется на больших массивах данных наземных или спутннковьк ггзмерений. Одним из возможных путей для успешного решения этих задач является попытка представления основных характеристик взаимодействия авроральных е-р-Н частиц с атмосферой
Земли в виде достаточно простых фушашональных (или алгоритмических) зависимостей от начальных параметров высьшаюшихся пучков и основных параметров модели среды.
В настоящее время, несмотря на многолетние исследования в данной области солнечно-земной физики, в литературе существуют не только отдельные прогаворечия в результатах, полученных при теоретическом рассмотрении задачи прохождения е-р-Н частиц в атмосфере Земли, но и ряд нерешенных задач, решение которых, в первую очередь, требует:
- создания вьнислительного алгоритма для расчета характеристик переноса в
3-х мерной модели атмосферы с учетом неоднородного магнитного поля Земли, что
необходимо для исследования процессов формирования альбедо-потоков и эффектов,
связанных с радиальным расплыванием инжектированного в газ пучка заряженных
частиц, в особенности для р-Н пучков;
- детального представления в вычислительной модели всего спектра
возможных каналов потерь энергии, что крайне важно для: а) корректного учета
дискретного характера потерь энергии в элементарных актах рассеяния, в
особенности для потоков малоэнергачных (надтешювых) электронов, рожденных в
среде в процессах ионизации; б) решения задачи о распределении энергии
вькыпаюшихся частиц по возбужденным термам молекул, атомов и их ионов в
атмосфере Земли.
Целью данной работы является решение трех крупных проблем в области исследования процессов взаимодействия авроралъных электронных и протонных пучков с атмосферой Земли:
-
Разработка единой трехмерной модели переноса е-р-Н пучков в атмосфере Земли и исследование в ее рамках фундаментальных транспортных характеристик и основных функционалов, связанных с прохождением е-р-Н частиц в атмосфере.
-
Исследование процесса распределения кинетической энергии, вносимой е-р-Н пучками в атмосферу Земли, по уровням внутреннего возбужцешга (колебательным и электрошгым уровням) молекул, атомов, их ионов и продуктов диссоциации.
3. Создание эффективных вычислительньк алгоршмов, устанавливающих
непосредственную связь между начальными параметрами потока высьшаюшихся е-р-Н
частиц и основными функционалами, связанными с прохождением потока е-р-Н
частиц в атмосфере Земли.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
- поставлена и впервые с единых позиций решена задача переноса
авроралъных е-р-Н пучков в атмосферных газах и атмосфере Земли в рамках
трехмерной модели среды с учетом неоднородного магнитного поля.
- рассчитаны и исследованы зависимости интегральных характеристик
переноса авроральпых е-р-Н пучков от начальных параметров высыпающегося потока
в широком диапазоне начальных энергий: а) для электронов с E(j>5(bB; б) для
протопов с Е(р1кэВ.
количественно исследована роль электронов ионизационного каскада в процессах: а) формирования характеристик днффереппиальных потоков электронов на всем пут их прохождения в атмосфере Земли; б) распределения выделившейся в атмосфере энергии по злектрошїо-колебательпьм степеням свободы N2, (. О и их ионов.
впервые получены высотные зависимости эффективных радиусов р-Н пучков на всем пути их прохождения в атмосфере Земли с учетом неоднородного магнитного поля и проведен анализ влияния поперечного расплывания р-Н пучка на скорость новообразования и пространственное распределение электронной концентрации в зоне чисто щхжяшых высыпаний па высотах 10О-2ООкм.
проведено количественное исследование влияния магнитного поля Земли на высотное распределение выделившейся в атмосфере энергия, величины альбедо-потоков для е-р-Н пучков и на эволюцию зарядового состава в р-Н пучке.
исследован процесс распределения кпиетическоп энергии авроральпых е-р-Н пучков по этектрстшо-кшебателышм уровням атмосферных составляющих N2, (. О, их йшов и продуктов диссопиащш. Орормулирована коппеппия даффереігяиальньк энергетических цен еІЕ0) и впервые рассчитаны s(e0) как
функции высоты и начальной энергии электронного пучка.
Достоверность полученных теоретических выводов опирается в перзую очередь на детальное описание возможных каналов диссипации энергии авроральпых е-р-Н пучков в атмосфере Земли и подтверждается согласием как с результатами лабораторных экспериментов, так и с результатами юмерения параметров вьюыпающихся е-р-Н частиц, полученными па ракетах и спутниках над областями полярных сияний.
Научная и практическая ценность работы заключается в том, что развитая в диссертации модель позволяет делать содержательные предсказания о характере и роли столкповгггелыюго эпергообмепа между потоками авроральпых е-р-Н часпгц и атмосферными газами.
Полученные в работе результаты позволяют: а) установить количествеїшую связь между начальными параметрами электронного и протонного пучков и основными характеристиками, описываюшвмн их взаимодействие с атмосферой Земли; б) разработать необходимую теоретическую основу для диагностики начальных
параметров потоков высыпающихся частиц; в) значительно улучшить методику проведения и интерпретации результатов регастрацин высыпающихся е-р-Н частиц.
Предложенный в диссертации новый метод для расчета вьюотных профилей скоростей образования N2, Оь О и их ионов в различных возбужденных состояниях позволяет создать эффективцыс вычислительные алгоритмы для исследования кинетики физико-химических процессов в возмущенной ионосферной плазме.
На защиту выносятся
1. Трехмерная математическая модель переноса электронных и протонно-водородных пучков с начальными энергиями больше 50эВ и 1кэВ, соответственно, в атмосфере Земли с учетом неоднородного магнитного поля. 2. Результаты расчета шпетральных характеристик переноса е-р-Н пучков в атмосферных газах и атмосфере Земли и их зависимость от начальных энергетического и углового распределений частиц в источнике при наличии магнитного поля.
3. Теоретический анализ роли алектронов ионизационного каскада в
процессах формирования энергетического спектра и углового распределения потоков
электронов в различных диапазонах энерпй на всем пути их прохождения через
атмосферу Земли.
-
Особенности распльшаїшя-фокусироЕКи р-Н пучков и эволюция вькопюго распределения зарядового состава частиц в пучке при наличии магнитного поля Земли.
-
Функции, описывающие распределение выделившейся в газе энергии по электронным и колебательным уровням N2, СЬ, О и их ионов, дйффереіщиальнью энергетические цены возбуждения атмосферных газоз в атмосфере Земли и результаты теоретического анализа роли электронов ионизационного каскада в формировании данных характеристик.
Реализация результатов,.
Результаты работы уже использовались и могут быть использованы в ряде научных учреждении, занимающихся разработками моделей фонового оптического излучения; проектироватшем устройств для инжекции е-р-Н частиц в околоземном космическом пространстве, и в учреждениях, исследующих физические процессы в ионосфере и магнитосфере Земли: ИКИ, ИЗМИРАН, СПгУ, ДАНИИ, СибИЗМИР, ИКФИА, ИПГ, ГОИ, КБ "Салют".
Лишиш вклад автора определяется тем, что постановка задач принадлежит автору дассертацйи, вклад автора в решение всех рассмотренных вопросов является основополагающим.
Апробация работы.
Результаты работ, сообщенных в диссертации, докладывались на Международной ассамблее МАГА, Ванкувер 1987г.; ца Всесоюзном семинаре по
математическому моделированию ионосферы, Ростов-на-Дону 1988г.; на Международной конференции "Оптические эмиссии средней н верхней атмосферы", Стара-Заюра 1989г.; на Европейских международных симпозиумах по исследованию атмосферы оптическими методами, Тромсе 1991г., Кируна 1992г., Апатиты 1993г., Хельсинки 1995г.; па Европейском международном симпозиуме EUROPTO, Тромсе 1993г.; на Международной ассамблее EGS, Гренобль 1994г., а также на ежегодных всероссийских семинарах ПГИ.
Публикщиих Всего по теме диссертации опубликовало 22 работы, включая 2 монографии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключешія, содержит 219 страшщ машинописного текста, 165 рисунков, 56 таблиц. Список литературы состоит из 247 названий.
