УДК 5339
О ВКЛАДЕ В.Ю. ТРАХТЕНГЕРЦА В ФИЗИКУ КОСМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ
© 2015 г. А. Г. Демехов
Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского andrei@appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 23.06.2014 г.
В статье дан краткий обзор работ В.Ю. Трахтенгерца (1939—2007), характеризующий его вклад в развитие физики космической плазмы. Рассмотрены следующие основные направления его исследований: циклотронное взаимодействие волн и частиц в магнитосфере Земли и смежные вопросы; резонансные процессы в магнитосферно-ионосферном взаимодействии; нелинейные явления при воздействии мощным КВ излучением на ионосферную плазму; коллективные эффекты в атмосферном электричестве.
Б01: 10.7868/80023420615010033
1. ВВЕДЕНИЕ
В 2014 году исполнилось 75 лет со дня рождения Виктора Юрьевича Трахтенгерца (1939— 2007), внесшего заметный вклад в различные разделы физики космической плазмы. Организаторы 9-й конференции "Физика плазмы в солнечной системе" посвятили его памяти сессию, и данная статья написана по материалам доклада, представленного на этой сессии. Разделы статьи соответствуют основным направлениям научной деятельности В.Ю. Трахтенгерца.
Направления работы В.Ю. формировались в условиях бурного развития многих областей физики. Школа физики космической плазмы, основанная в Нижнем Новгороде В.Л. Гинзбургом и возглавляемая В.В. Железняковым, к которой принадлежал Виктор Юрьевич, достигла своих всемирно известных результатов в значительной мере благодаря доброму соседству и творческому взаимодействию с другими научными школами, выросшими из школы физики нелинейных колебаний и волн на радиофизическом факультете Горьковского госуниверситета и развивавшимися затем в НИРФИ и в ИПФ РАН. Отметим среди них школу физической электроники А.В. Гапоно-ва-Грехова и школу физики нелинейных явлений в плазме М.А. Миллера. В.Ю. Трахтенгерц обладал творческим азартом и чувством нового, которые позволили ему двигаться в исследованиях и вглубь, и вширь, осваивая и создавая новые темы и направления. Наряду с незаурядными человеческими качествами Виктора Юрьевича, это помогло ему воспитать немалое число учеников и установить плодотворные связи с многими коллегами из разных институтов и городов в нашей стране и за рубежом. Особо стоит упомянуть большое влияние В.Ю. Трахтенгерца на исследования волно-
вых процессов в околоземном космическом пространстве, проводимые в Полярном геофизическом институте в Апатитах и в Институте космофизических исследований и аэрономии в Якутске. Авторитет В.Ю. Трахтенгерца в мировом научном сообществе помог неформальной научной школе под его руководством преодолеть один из смутных периодов жизни российской науки, когда ведение научной работы в нашей стране при сохранении сколько-нибудь достойных человека условий жизни было возможно только с помощью международных грантов.
Разумеется, в объеме одной небольшой статьи невозможно сколько-нибудь детально осветить эти направления, и для подробного знакомства с описанными ниже результатами читателю лучше обратиться к оригинальным и обзорным работам по отдельным темам. Ссылки на эти работы даны ниже. Вместе с тем, собрать в одном тексте хотя бы в виде краткого перечисления основные результаты нашего выдающегося коллеги (а для многих — учителя) показалось целесообразным. Отмечу, что степень подробности изложения этих результатов в значительной мере определяется уровнем компетентности автора статьи.
2. САМОСОГЛАСОВАННАЯ ТЕОРИЯ ЦИКЛОТРОННОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ
Вопросы нелинейного резонансного взаимодействия заряженных частиц с волнами в плазме были основной темой научных занятий В.Ю. Трах-тенгерца на протяжении всей его карьеры, и его пионерские работы по данной проблеме, по-видимому, наиболее широко известны в мире. Скорее всего, не случайно именно эти результаты до-
статочно подробно изложены в обзорах и книгах самого Виктора Юрьевича [1—5].
Начало этим исследованиям было положено в работе [6], посвященной линейной теории кинетической циклотронной неустойчивости в радиационных поясах Земли. В 1960-е годы были обнаружены неожиданно мощные и долгоживущие спорадические излучения в околоземном космосе в диапазоне свистовых волн (их частоты f ~1— 10 кГц приходятся на т.н. очень низкочастотный, или ОНЧ диапазон), и были предприняты активные усилия по их объяснению. В частности, Brice [7, 8] и другие обсуждали механизмы генерации дискретных ОНЧ сигналов, основанные на когерентном излучении электронных потоков в магнитосфере. Заметим, что в те же годы проводились ставшие широко известными эксперименты на низкочастотном стенде Siple в Антарктиде, в ходе которых были открыты триггерные ОНЧ излучения. В своей работе В.Ю. Трахтенгерц впервые предложил механизм для объяснения высокого уровня квазистационарных спорадических шумовых излучений, наблюдаемых на протяжении десятков минут и часов.
Уместно напомнить, что впервые кинетическую циклотронную неустойчивость, обусловленную анизотропией распределения заряженных частиц по скоростям, рассмотрели Р.З. Сагдеев и В.Д. Шафранов [9]. До этого были опубликованы основополагающие работы по гидродинамической неустойчивости пучков заряженных частиц [10, 11].
Логичным продолжением первой работы стало обобщение квазилинейной теории, опубликованной в работе Веденова, Велихова и Сагдеева [12], на случай магнитоактивной плазмы [13]. Позже квазилинейная теория легла в основу теории стационарного состояния радиационных поясов, опубликованную в известной работе Kennel, Petschek [14] и в статье Трахтенгерца [15].
Следующий этап в исследовании динамики циклотронной неустойчивости (ЦН) радиационных поясов связан с пониманием механизмов формирования нестационарных ОНЧ сигналов. Сами эти сигналы к тому времени были известны, в частности, из работ Хеливелла [16], но теоретические работы появились несколько позже. Одной из первых была статья Coroniti, Kennel [17] о модуляции инкремента ЦН гидромагнитными волнами.
В работах Беспалова и Трахтенгерца [18] впервые, по-видимому, было показано наличие релаксационных (затухающих) колебаний около стационарного состояния радиационных поясов, обусловленного динамическим равновесием между поступлением энергичных частиц и их уходом в конус потерь в процессе питч-угловой диффузии на возбуждаемых ими же волнах. Аналогичный результат был независимо получен позже Дэвидсо-
ном [19]. Добротность этих колебаний увеличивается с уменьшением мощности источника энергичных частиц и может быыь достаточно велика, что создает возможность для эффективной резонансной раскачки таких колебаний сторонними источниками, такими как гидромагнитные колебания силовых трубок.
Дальнейшим продвижением в этом направлении стало обнаружение автомодуляционной неустойчивости при взаимодействии ЦН с гидромагнитными колебаниями, т.е. взаимной раскачки свистовых волн и колебаний геомагнитных силовых трубок. В работе [20] эта неустойчивость была обнаружена для быстрой магнитозвуковой моды, а в [21] — для альфвеновской. Здесь стоит упомянуть работу [22], авторы которой впервые рассмотрели "прямой" процесс интенсификации ЦН в присутствии гидромагнитной турбулентности без учета обратного влияния ЦН на гидромагнитные волны.
Важной вехой в развитии теории ЦН стала работа П.А. Беспалова [23], в которой впервые был рассмотрен автоколебательный режим неустойчивости в присутствии постоянного источника энергичных частиц. Эта возможность была продемонстрирована в рамках приближения слабой питч-угловой диффузии (с практически пустым конусом потерь) и неизменного по форме спектра волн. В условиях магнитосферы Земли таким режимам соответствуют колебания интенсивности волн и потоков высыпающихся энергичных частиц с достаточно большими периодами (несколько десятков секунд в случае свистовых волн). В.Ю. Трахтенгерц с коллегами из Полярного геофизического института предложил модель проточного циклотронного мазера [24], в рамках которой за счет отказа от вышеназванных приближений удалось объяснить и более короткие периоды автоколебательного режима ЦН (10—30 с), соответствующие наблюдаемым периодам пульсирующих пятен в полярных сияниях. В дальнейшем эта работа получила развитие как в плане численного моделирования, так и в плане сопоставления с наблюдениями [25, 26].
По сути дела, в этих работах разработаны основы теории магнитосферных циклотронных мазеров (МЦМ), активным веществом в которых служат энергичные заряженные частицы с неравновесным распределением по скоростям, а электродинамической системой для свистовых и ионно-циклотронных волн, распространяющихся под малыми углами к магнитному полю — заполненные достаточно плотной (ыре > юВе, юре и ыВе — плазменная и циклотронная частоты электронов) холодной плазмой геомагнитные силовые трубки и области отражения волн от ионосферы. Другим важнейшим типом магнитосфер-ных мазеров являются генераторы аврорального
километрового излучения и подобные системы в магнитосферах других планет, действующие в разреженной плазме (юре ^ юВе). Последние представляют собой космический аналог гиротронов, поскольку в них возбуждаются волны с квазипоперечным направлением распространения по отношению к магнитному полю.
В теории МЦМ использованы достижения как физики квантовых генераторов, так и вакуумной СВЧ электроники. В свою очередь, на основе теории МЦМ был предложен ряд способов использования фоновой плазмы в лабораторных генераторах (мазер на циклотронном резонансе с фоновой плазмой [27]). Пока эти предложения нашли применения для интерпретации [28] ряда экспериментов с лабораторными магнитными ловушками, в которых наблюдалась импульсная генерация микроволнового излучения в плазме, содержащей, как и в космических условиях, добавку энергичных электронов с анизотропным распределением по скоростям. В последнее время к подобным экспериментам вновь наблюдается интерес в плане сравнения лабораторных результатов с космическими наблюдениями для более глубокого понимания физики соответствующих процессов. В ходе таких работ обнаруживаются новые эффекты, например, релаксационные колебания ЦН в распадающе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.