Введение к работе
Актуальность проблеми.
Теоретическое описание взаимодействия потоков энергичных частиц с газовой средой является одной из фундаментальных проблем физики плазмы, астрофизики и физики околоземного космического пространства. Известно, что высокоширотная ионосфера Земли-подвергается непрерывному воздействию потоков энергичных частиц солнечного и магнитосферного происхождения. D большинстве случаев высыпания протонов являются фонон для более интенсивных высыпаний электронов. Однако в ряде случаев (например, в вечернем секторе авроралыюй зоны) имеют место чисто протонные высыпания.
Высыпавшиеся в ионосферу потоки энергичных частиц вызывают целый ряд физико-химических процессов, причем процессы, происходящие в полярной ионосфере, во многом определяют состояние ионосферы на чсех широтах. Таким образом, построение физической модели полярной ионосферы необходимо для решения задач, связанных с контролем я прогнозом состояния ионосферы, а также всей экосистемы Земли. Одной из ключевых частей такой модели является нодель взаимодействия потоков высыпающихся частиц с верхней атмосферой Земли.
Несмотря на многолетние исследования, в литературе существует ряд противоречий в результатах, полученных при теоретической рассмотрении прохождения протонно-водородных потоков как в атмосферо, так и в одвородиои газе. Как наиболее принципиальные, ножно выделить следующие вопросы:
- возможно ли ввести для р-Н пучков стандартну» (не зависящую от
энергии) нормированную функцию распределения выделившейся
энергии;
- имеет ли зависимость энергетических затрат на образование
ионно-электронной пары ог начальной энергии частиц для пучков
протонов в атмосферных газах принципиальные отличия от подобной
- г -
зависимости для пучков электронов*.
Особое место занимает вопрос о влиянии геомагнитного поля, на характеристики переноса р-Н потоков в атмосфере. Известно, что вследствии процессов перезарядки, часть своей траектории в аткосфере р-Н частица пролетает в виде нейтрального атома водорода, и на этих участках траектории магнитное поле на частицу на действует. Поэтону траектории р-Н частиц в агносфере чрезвычайно усложняются, что находит отражение в характеристиках переноса. Однако, последовательного исследования влияние магнитного поля на характеристики переноса р-Н пучков в атмосфера Земли до сих пор сделано не было.
Цель» диссертационной работы является построение
математической модели переноса р-Н пучков в газовых поглотителях и исследование на ее основе :
- пространственного распределения выделенной пучком энергии в однородном газе;
влияния магнитного поля Земли на основные характеристики переноса р-н пучков в атмосфере: пространственное распределение выделенной энергии, альбадо-потокн, зарядовый состав пучка;
влияния эффектов расилывания-фокусировки р-н пучка в
магнитном поле Земли на пространственные распределения скорости выделенния энергии и скорости ионизации в зоне протонного высыпания.
В диссертации выносятся на защиту следующие положения:
1. Реализация алгоритма метода Монте-Карло в рамках схемы
индивидуальных столкновений для моделирования трехмерной задачи
переноса протонно-водородных пучков с Начальными энергиями от 1
кзВ до 1 Нов в атмосфере Земли с учетом дипольности
геомагнитного поля.
-
Поведение функции энерговыделения при прохождении р-Н пучка в однородном молекулярном азоте и в атмосфере Земли в зависимости от начальной энергии в пучке и от наличия магнитного поля.
-
Особенности расплывания-фокусировки р-Н пучка в атмосфере при наличии магнитного поля.
-
Зависимость между начальными параметрами протонного пучка и величиной альбедо-потока при прохождении в атмосфере.
5. Упрощенный алгоритм для расчета пространственного
J - з -
распределения скорости энерговыделения и скорости
новообразования а зоне чисто протонного высыпания.
Реализованный в диссертации алгоритм базируется на данных лаботаторных измерений и теоретических расчетов сечений столкновительных реакций протонов, .атомов водорода и отрицательных ионов водорода с Ы„, 0_ и 0, опубликованных за период 1960-1991 гг.
Научная новизна.
Впервые получены высотные зависимости эффективных радиусов р-Н пучков на всем пути их прохождения в атмосфере Земли с магнитным полен.
Впервые исследовано влияние магнитного поля Земли на высотныэ распределения выделившейся энергии и зарядовый состав в р-Н пучке.
Впервые проведен анализ влияния поперечного расплывания р-Н пучка на скорость ионизации и пространственное распределение электронов в зоне чисто протонного высыпания на высотах 100-200 км.
Практическая ценность.
Полученная в диссертации база данных по сечениям рассеяния протонов и атомов водорода на основных атмосферных составляющих, разработанная модель переноса протонно-водородных пучков в атмосфере Земли, а также полученные результаты расчетов, являются теоретической основой для создания комплекса средств дистанционной даапгосгяки высокоширотной ионосферы как наземными, так и космическими средствами.
Разработанная модель перекоса протонно-водородных пучков в . атмосфере представляет собой одну из составных частей глобальной математической модели магнитосферно-ионосферной системы Земли, создание кохорой необходимо с цель» контроля и прогноза состояния околоземного космического пространства. Полученные в данной работе результаты являются основой для постановки активных экспериментов в ионосфере.
- 'і -Реализация работы.
Результаты исследований вошли в ряд научных отчетов Полярного Геофизического института ЫШ РАН.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 9 работ. Результаты, составляющие основу представленной работы, изложены в работах [1-5).
Лппробацня,
результаты исследований доложены на международных конференциях и симпозиумах 6-S3. на сенинарах ПГИ.
Объем и структура работы.
диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 115 страниц машинописного текста, 7S рисунков, 14 таблиц, библиографию из 152 наименований.