КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 5, с. 478-480
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 523.14
ПУЧКИ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ АТМОСФЕРНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
© 2007 г. А. М. Гальпер, С. В. Колдашов
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
Поступила в редакцию 20.09.2006 г.
PACS: 94.30.Ng, 94.30.Hn
В последние 10 лет интенсивно изучается новый класс атмосферных явлений - высотные электрические разряды (ВЭР), формируемые над грозовыми облаками. Считается, что с ними связано наблюдение разнообразных атмосферных, ионосферных и магнитосферных объектов, таких как "red sprites", "blue jets", "elves", гамма-всплески и др. [1, 2], которые возникают в результате взаимодействия с остаточной атмосферой пучков высокоэнергичных электронов, образующихся при ускорении в ВЭР в области между вершиной грозового облака и нижней границей ионосферы [3].
К сегодняшнему дню накоплен обширный наблюдательный материал по ВЭР, в основном оптический, разработаны физические и численные модели явлений. В разное время были предложены электромагнитные модели, а также модели, основанные на эффекте "убегания" электронов [4]. Сегодня считается, что сразу после положительного молниевого разряда на землю в области между вершиной грозового облака и ионосферой создается нестационарное электрическое поле (напряженностью ~1000 В/м), в котором происходит ускорение электронов до энергий в десятки МэВ. Тем не менее, существуют большие неопределенности в параметрах, закладываемых в модели, даже в вопросе о направлении электрического поля [см. 3, 5].
Из всего многообразия физических объектов, имеющих отношение к ВЭР, в данной работе будут рассмотрены ускоренные высокоэнергичные электроны. Во всех предложенных моделях такие электроны являются ключевым элементом. К сожалению, прямых измерений пучков ускоренных электронов до сих пор сделано не было, и об их существовании можно говорить, лишь основываясь на интерпретации косвенных наблюдательных данных. Прямая регистрация пучков электронов позволит не только подтвердить факт ускорения электронов в ВЭР, но также получить данные о конфигурации, величине и динамике электрического поля в верхней атмосфере по информации об энергетических спектрах и временных профилях пучков электронов.
Модели и методика расчетов. Наиболее детальное численное моделирование процессов ускорения и взаимодействия электронов в верхней атмосфере было проведено в работе [3 и ссылки в ней]. Отличие расчетов, выполненных в данной работе, состоит в том, что, во-первых, использовалось реальное геомагнитное поле (задаваемое рядом сферических функций), во-вторых, было проведено моделирование эволюции пучка электронов в магнитосфере в различных условиях. Такой акцент в работе был сделан с целью оценки возможности прямого измерения пучков ускоренных электронов на космическом аппарате.
Моделирование процессов ускорения электронов, их выход в магнитосферу и распространение в магнитосфере проводилось по следующей методике. В области между вершиной грозового облака и нижней ионосферой задавались электрическое и геомагнитное поля. Величина электрического поля, его геометрия и высотное распределение варьировались, что естественно влияло на характеристики формируемого пучка электронов. Плотность атмосферы описывалась экспоненциальной зависимостью до высоты 80 км, а выше - стандартной статической моделью, используемой в баллистических расчетах. Местоположение и плотность "затравочных" электронов задавались различными высотными зависимостями, которые также в расчетах могли варьироваться. Поскольку в дальнейшем анализ проводился только для высокоэнергичной компоненты электронов, то начальные энергии "затравочных" электронов задавались выше пороговой энергии, определяющей появление "убегающих" электронов. Моделирование было выполнено методом Монте-Карло. Для каждого "затравочного" электрона рассчитывалась траектория в электрическом и геомагнитном полях. В процессе ускорения и распространения электронов учитывалось их взаимодействие с атмосферой (кулоновское рассеяние, ионизационные потери энергии, образование тормозного излучения). Двигаясь по силовой линии вверх ускоренные электроны формируют пучок и выходят в магнитосферу.
ПУЧКИ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ
479
Число частиц, отн. ед.
4 • 10
3 • 10
2 • 10
1 • 10
0
Поток частиц, отн. ед.
3 • 10
1
2 • 10
1 • 10
(б)
0.1 с
0
J_I_I_I
3 • 10
2 • 101
1 • 10
(в)
0.5 с
10 12 14 16 18 20 Энергия, МэВ
Рис. 1
Эволюция пучка электронов в магнитосфере зависит от ряда условий, и, в частности, от его интенсивности (или плотности). Если интенсивность пучка достаточно высока (более 105-106 см-2 с-1), то при его движении в магнитосферной плазме может возникнуть пучковая неустойчивость [3], образуются плазменные волны, на которых происходит рассеяние электронов. В предположении, что эффективность этого процесса настолько высока, что происходит полная изотропизация пучка уже на его первом колебании от места входа в магнитосферу до зеркальной точки, в данной работе было проведено моделирование распространения электронов пучка в магнитосфере. В этом случае зеркальные точки электронов пучка практически
равномерно заполняют силовую линию, в том числе внутреннюю границу радиационного пояса, зеркальные точки которой располагаются на высотах 100-200 км. При инжекции частиц в эту область формируются затухающие во времени волны высокоэнергичных частиц, которые, распространяясь вдоль дрейфовых оболочек, многократно обходят вокруг Земли [6]. Время существования подобных волн составляет от нескольких минут до одного часа в зависимости от высоты зеркальных точек частиц.
Если же интенсивность электронов мала, то пучковая неустойчивость не возникает. В этом случае пучок частиц достигает зеркальной точки в противоположном полушарии, где частицы теряют энергию и гибнут, входя глубоко в атмосферу. Расчеты показали, что, тем не менее, часть электронов пучка (10-15%) из-за кулоновского рассеяния в остаточной атмосфере изменяет свой питч-угол и отражается обратно в магнитосферу, не доходя до зеркальной точки, сопряженной с точкой входа пучка в магнитосферу. В результате происходят быстро затухающие баунс-колебания рассеянных электронов пучка. Время существования такого процесса составляет порядка нескольких секунд.
Результаты расчетов. Эволюцию энергетического спектра пучка электронов во времени при его распространении в магнитосфере иллюстрирует рис. 1, где показаны энергетические спектры частиц для трех временных отметок. Результаты получены в отсутствие пучковой неустойчивости. Следует обратить внимание на вымывание из пучка высокоэнергичной компоненты, что связано с энергетическими потерями в зеркальных точках при колебаниях частиц вдоль силовой линии.
На рис. 2 показаны временные профили пучка электронов, формируемые в магнитосфере в различных условиях на 2-оболочке над зоной ускорения электронов. Временной профиль, приведенный на рис. 2а, соответствует входу пучка ускоренных электронов в магнитосферу, его длительность составляет порядка 1 мс. На рис. 26 показан временной профиль пучка электронов, формируемый колебаниями частиц между зеркальными точками в отсутствие пучковой неустойчивости. Каждый пик на этом графике связан с прохождением частиц пучка через область наблюдения. Первый пик (узкая вертикальная линия) соответствует входу пучка в магнитосферу. В течение нескольких последующих колебаний интенсивность пучка резко падает до фонового уровня (мелкие пики на графике), образованного малой долей (<1%) электронов пучка, испытавших рассеяние в остаточной атмосфере на высоте более 80 км.
Временной профиль на рис. 2в рассчитан для случая возникновения пучковой неустойчивости. Первый узкий пик связан с входом пучка ускоренных электронов в магнитосферу. Последующие широкие пики возникают в результате движения
480
ГАЛЬПЕР, КОЛДАШОВ
Поток, отн. ед. 150 120 90 60 30
0 15
10
1.6 • 104 1.2 • 104 8 • 103 4 • 103
(а)
0.003
0.006
0.009 (б)
I I II I I I I I II I II I I I I I
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
0 150 300 450 600 750 900
Время, c
Рис. 2
пучка электронов вокруг Земли, причем каждый пик соответствует одному полному долготному обороту. В этом процессе происходит расплыва-ние пучка в пространстве и гибель электронов из-за взаимодействия с остаточной атмосферой.
Также было рассчитано распределение пучка ускоренных электронов по Ъ-оболочкам в магни-
тосфере. Показано, что ширина пучка составляет величину АЪ = 0.01-0.015 и практически в равной степени определяется как размерами области ускорения частиц, так и их взаимодействием с атмосферой.
Возможности спутникового эксперимента.
Полученные с помощью численного моделирования результаты позволили оценить вероятности регистрации пучков электронов, ускоренных в верхней атмосфере, в экспериментах на космических аппаратах. Для этого рассчитывалась траектория космического аппарата, время его пребывания на Ъ-оболочках, на которых распространяются пучки частиц, и определялась скорость накопления статистики событий, связанных с регистрацией пучков ускоренных электронов. При этом учитывались данные о ширине пучков в Ъ-пространстве и об их временных профилях. Также учитывалась частота возникновения ВЭР, составляющая 3 события на 104 обычных молниевых разрядов [7]. Расчеты были выполнены для разных параметров орбиты, и, в частности, было получено, что при проведении непрерывных измерений на Международной космической станции можно зарегистрировать около 20 событий в год, связанных с распространением в магнитосфере пучков электронов, ускоренных в ВЭР.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bell T.F., Pasko V.P., Inan U.S. Runaway electrons as a source of Red Sprites in the mesosphere // Geophys. Res. Lett. 1995. V. 22. P. 2127.
2. Fishman G.J., Bhat P.N., Malozzi R. et al. Discovery of intense gamma-ray ?ashes of atmospheric origin // Science. 1994. V. 264. P. 1313.
3. Lehtinen N.G., Inan U.S., Bell T.F. Trapped energetic electron curtains produced by thunderstorm driven rela-tivistic runaway electrons // Geophys. Res. Lett. 2000. V.
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.