Введение к работе
1.1 Актуальность темы диссертации
Большую роль в динамике многих процессов в космической плазме играет резонансное взаимодействие частиц и волн, в частности, циклотронное взаимодействие Изучение этих процессов, начатое еще в 60-х г г XX в [1-6], привело в дальнейшем к разработке концепции космических циклотронных мазеров (КЦМ) На эти исследования оказало большое влияние изучение лабораторных мазерных систем, таких как квантовые генераторы и вакуумные электронные приборы Многие успехи в формировании и развитии концепции КЦМ связаны с работами по самосогласованной теории циклотронной неустойчивости в магнитосфере Земли [7, 8]
Экспериментальные и теоретические исследования последних лет позволили установить, что взаимодействие волн и частиц в КЦМ служит важнейшим регулятором динамики частиц радиационных поясов (РП) Земли и Юпитера Если концентрация энергичных частиц достигает некоторого порогового значения, определяемого добротностью электродинамической системы, то в КЦМ возбуждаются волны, на это уходит часть поперечной энергии частиц, засчет этого они попадают в конус потерь и «высыпаются» в ионосферу Данный процесс приводит к быстрым потерям электронов и ионов, содержащих основную энергию РП (в околоземном космическом пространстве это частицы с энергиями порядка 10—100 кэВ), и, таким образом, определяет их время жизни |4, 5, 7, 8]
В то же время, энергия генерируемых в КЦМ волн может поглощаться частицами с большей энергией, что приводит к формированию высокоэнергичного «хвоста» на функции распределения частиц Таким образом, КЦМ действуют как ускоритель заряженных частиц Этот процесс является важным фактором в возникновении во время магнитных возмущений повышенных потоков релятивистских электронов, опасных для функционирования космической аппаратуры и потому называемых «электроны-убийцы» Динамика таких электронов является в настоящее время предметом интенсивных исследований [9-12]
Эффективность циклотронного взаимодействия энергичных частиц с волнами сильно зависит от плотности плазмы В случае свистовых и ионно-циклотронных волн, играющих наибольшую роль во внутренней магнитосфере Земли, условие эффективного взаимодействия выполняется в плазмосфере и в оторвавшихся от нее облаках плотной плаз-
мы Это приводит к сильной локализации высыпаний, обусловленных действием КЦМ Такие локализованные высыпания порождают весьма интенсивные трехмерные токовые системы, составляющие важную компоненту частичного кольцевого тока (КТ) и вносящие заметный вклад в динамику геомагнитных возмущений Структура частичного КТ, обусловленного высыпаниями, включает сильное электрическое поле полярного направления в ионосфере, которое по величине, пространственным и временным характеристикам хорошо соответствует поляризационному джету (области аномально быстрого западного дрейфа ионов) [13] Вклад различных процессов, в том числе, взаимодействия волн и частиц, в баланс частиц и энергии в кольцевом токе и в формирование электрических полей и токовых систем во время геомагнитных возмущения до настоящего времени является темой интенсивного исследования и активных научных дебатов [14, 15j
Электромагнитные излучения, порождаемые в КЦМ, являются весьма интенсивными и формируют существенную часть электромагнитной обстановки в соответствующей системе (в случае МЦМ — в околоземном космическом пространстве) Многие их этих излучений (такие как хоровые КНЧ-ОНЧ излучения и короткопериодные геомагнитные пульсации в магнитосфере Земли) относятся к наиболее интенсивным в своем частотном диапазоне Эволюция амплитудных и спектральных характеристик волн в КЦМ несет важную информацию о параметрах системы Это особенно важно в космических экспериментах, где получение детальных и надежных прямых измерений сопряжено с большими трудностями Таким образом, исследование КЦМ важно для диагностики процессов в космической плазме Диагностический потенциал КЦМ реализован пока лишь в небольшой мере, и для продвижения в этом направлении необходим детальный теоретический и экспериментальный анализ временных и пространственных характеристик частиц и излучений в КЦМ
С отмеченным выше <шачением динамики КЦМ для динамики космической плазмы и, в частности, для «космической погоды», сочетается их важная роль как генератора задач фундаментального характера Космические и, в частности, магнитосферные циклотронные мазеры демонстрируют большое разнообразие режимов генерации, таких как квазистационарный и автоколебательные режимы Их изучение необходимо для качественной и количественной интерпретации наблюдаемых в космической плазме явлений В то же время, такое исследование стимулирует разработку новых и совершенствование имеющихся теорети-
ческих моделей и, тем самым, способствует прогрессу фундаментальной науки
Режимы работы космических циклотронных мазеров определяются характером обратной связи во взаимодействии частиц и волн Механизмы такой связи можно объединить в две группы (а) квазилинейная и нелинейная модификация функции распределения и соответствующее изменение инкремента в процессе развития неустойчивости, (б) нелинейное изменение характеристик электродинамической системы (как объемных параметров, так и свойств границ)
Предыдущие исследования показали [7, 8], что влияние этих факторов на динамику плазменных мазеров в некоторых приближениях может быть сведено к явлениям и процессам, известным для квантовых генераторов, таким как быстрое и медленное насыщение поглощения, пассивная синхронизация мод На основе этих аналогий, носящих не только физический, но и формальный характер, удалось предложить механизмы и оценить параметры релаксационных колебаний и автоколебаний потоков частиц в радиационных поясах Земли и сопутствующих им квазипериодических излучений в КНЧ/ОНЧ диапазоне и в диапазоне короткопериодиых геомагнитных пульсаций Pel Важной и актуальной задачей является использование и развитие указанных моделей и проверка их на прочность путем сопоставления с современными экспериментальными данными высокого разрешения, включающими информацию как с наземных, так и со спутниковых обсерваторий
Упомянутые результаты связаны с использованием самосогласованной квазилинейной теории плазмы и относятся к взаимодействию частиц с волнами, имеющими достаточно широкий спектр и шумовой характер Вместе с тем, в естественных условиях весьма распространены излучения с дискретным (узким в каждый момент времени) мгновенным спектром В качестве примера можно назвать уже упоминавшиеся хоровые излучения и авроральное километровое излучение в магнитосфере Земли Для анализа таких излучений квазилинейная теория неприменима, и необходимо учитывать фазовые соотношения при взаимодействии волн и частиц Большую роль в исследовании этих эффектов сыграли работы по триггерному ОЫЧ излучению в магнитосфере Земли, возникающему при взаимодействии частиц с сигналами ОНЧ передатчиков [16-22] Что касается возникновения когерентных волн в природе в отсутствие внешних синхронизрующих сигналов, то анализ этого явления, по-видимому, требует «наведения мостов» между квазилинейным подходом и теорией квазимонохроматических излучений. Об
этом, в частности, свидетельствует наличие тесной взаимосвязи между шумовыми и дискретными излучениями, например, часто наблюдаемое возникновение хоровых элементов в КНЧ-ОНЧ диапазоне на границе шипений [23] Теория предлаїает некоторые механизмы такой взаимосвязи, прежде всего, это формирование крутых перепадов на функции распределения энергичных частиц при генерации шумовых излучений [8, 24], вызывающее качественные изменения в характере неустойчивости (ее переход в гидродинамическую стадию типа режима лампы обратной волны [25]), проявление эффектов циклотронного резонанса второго порядка [26] Эти вопросы относятся к принципиальным вопросам в теории взаимодействия частиц и волн, и их исследование активно ведется в настоящее время
1.2 Цели работы
Основная цель диссертации — развитие теории резонансного взаимодействия волн и частиц в открытых плазменных системах и количественное сопоставление полученных результатов с экспериментом — тесно связана с упомянутыми выше актуальными проблемами Для достижения этой цели решаются следующие задачи (1) исследование общих закономерностей и конкретных проявлений влияния источников и стоков частиц и волн на развитие плазменных неустойчивостей в рамках квазилинейной теории, (2) анализ этих закономерностей в приложении к формированию спектров и временной эволюции естественных электромагнитных излучений шумовой природы в околоземном космическом пространстве и их роли в динамике горячей плазмы, (3) исследование взаимосвязи шумовых и дискретных излучений на примере хоровых ОНЧ излучений в магнитосфере Земли и разработка модели генерации хоровых излучений, (4) анализ взаимодействия дискретных волновых пакетов с нестационарными распределениями энергичных частиц и изучение на этой основе особенностей генерации триггерного ОНЧ излучения.
Таким образом, проблемы и задачи, анализируемые в диссертации, являются важными и актуальными
1.3 Научная новизна диссертационной работы
Полученные в диссертации новые научные результаты можно сгруппировать следующим образом
(3) Выявлены общие закономерности формирования квазистационарных и импульсных режимов кинетических плазменных неустойчи-востей в квазилинейной теории при наличии источников и стоков частиц и волн Показано, что одномерная квазилинейная релаксация сводится к установлению равновесного состояния, тогда как нарушение одномерного приближения создает условия для формирования автоколебаний при постоянном источнике частиц и линейном затухании волн (2) Изучены характеристики ряда конкретных явлений в космической и лабораторной плазме, связанных с развитием циклотронной неустойчивости (ЦН) в магнитных ловушках На основе самосогласованной теории ЦН дано количественное объяснение параметров пульсирующих пятен в полярных сияниях, короткопериодных геомагнитных пульсаций типа «жемчужин», закономерностей и следствий формирования асимметричного кольцевого тока в магнитосфере Земли, предложена интерпретация наблюдавшихся в лабораторных плазменных магнитных ловушках импульсных высыпаний горячей плазмы, сопровождавшихся генерацией электромагнитного излучения (3) Построена теория усиления волн нестационарными потоками заряженных частиц, в частности, формируемых при резонансном взаимодействии волнового пакета с плазмой в неоднородной среде, и на основе этих результатов развита самосогласованная модель триггерного ОНЧ излучения в земной магнитосфере (4) Разработан универсальный сценарий перехода от генерации шумовых к генерации дискретных излучений, основанный на образовании в процессе развития ЦИ резкого перепада на функции распределения частиц по скоростям на границе между резонансными и нерезонансными частицами и возникновении на этой особенности абсолютной неустойчивости, приводящей к генерации когерентного излучения Иа этой основе развита и сопоставлена с наблюдательными данными модель генерации хоровых излучений в магнитосфере Земли
1.4 Научная и практическая значимость
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы и широко используются как в РФ, так и за рубежом при планировании и анализе экспериментов, посвященных исследованию закономерностей динамики радиационных поясов Земли, развития геомагнитных бурь, формирования возмущений в авроральной ионосфере В частности, с использованием результатов диссертации и с участием автора разработано научное обоснование проекта «Резонанс» [27], посвященного исследованию плазменно-волновых процессов в магнитосфере Земли с помо-
щью спутников со специально подобранной орбитой и включенного в Федеральную космическую программу России на 2006-2015 г г (http. //www federalspace ru/includes/REZQNANS.htm) Результаты диссертации могут найти применение в изучении солнечной активности, магнитосфер планет, в проработке возможных методов управления параметрами электромагнитного излучения в лабораторных установках
1.5 Апробация работы. Публикации
Работы по теме диссертации выполнены в период с 1986 по 2007 г
Основные результаты отражены в работах [1-5]г (глава 2), [6-22] (глава 3), [23-30] (глава 4), [31-41] (глава 5), [42-47] (глава 6) -
Из этих публикаций 10 статей в российских рецензируемых журналах, 26 статей в зарубежных рецензируемых журналах, 10 статей в трудах конференций, 1 статья в тематическом сборнике
Изложенные в диссертации результаты обсуждались на семинарах в ИПФ РАН, ИКИ РАН, НИИЯФ МГУ, докладывались автором на многих Всесоюзных, российских и международных конференциях В частности, это
ежегодный Апатитский семинар по физике авроральных явлений (1996-2006),
Международная конференция по проблемам геокосмоса (С -Петербург, 1996, 2000, 2002, 2004, 2006),
Международные летние школы по физике космической плазмы (Н Новгород, 1993, 1995),
Международная конференция по актуальным проблемам физики нелинейных волн (Н Новгород, 2003),
» Генеральные Ассамблеи Европейского геофизического общества2 (Эдинбург, 1992, Вена, 1997, 2004-2006, Ницца, 2000, 2002, 2003),
XXIV Генеральная Ассамблея Международного союза по радио
наукам - URSI (Киото, 1993),
в Научные Ассамблеи Комитета по космическим исследованиям — COSPAR (Хьюстон, 2002, Париж, 2004),
1 Ссылки на работы автора по теме диссертации выделены курсивом, см список работ на с 31
2С 2004 г Европейский союз по геонаукам (European Geosciences Union,
ECU)
X Международная ассамблея Международной ассоциации по геомагнетизму и аэрономии — IAGA (Тулуза, 2005)
За 2002-2006 г г автором представлены б приглашенных докладов но теме диссертации на международных конференциях
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения Общий объем работы — 264 страниц, рисунков — 91, таблиц — 5, библиография -- 323 наименования
