Ускорение релятивистских электронов радиационных поясов Земли в результате взаимодействия с монохроматическими сигналами наземных ОНЧ передатчиков.

Авторы
Лужковский А.А.(1,2), Шкляр Д.Р.(1,2)
Организации
(1) Институт космических исследований РАН
(2) Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)
Сессия
Теория и моделирование физических процессов
Форма представления
Устный
Текст тезисов
Как известно, в радиационных поясах Земли существуют электроны высоких энергий. Проблема нагрева этих электронов в магнитосфере Земли остается актуальной задачей в физике космической плазмы. Резонансное взаимодействие свистовых волн с электронами радиационных поясов Земли является одним из существенных механизмов ускорения частиц. В настоящее время работает целый ряд наземных ОНЧ передатчиков, сигналы которых распространяются в магнитосфере Земли в свистовой моде. В нашей работе мы не будем привязываться к характеристикам конкретного передатчика. Главным упрощением рассматриваемой нами модельной задачи является предположение о дактированном распространение волны. В этом случае резонансное взаимодействие происходит только на первом циклотронном резонансе, когда продольная скорость частицы $v_{||}$ близка к резонансному значению $v_{R}=(\omega-\omega_{c})⁄k$. Здесь $\textbf{k}$ - волновой вектор, направление которого всюду близко к направлению внешнего магнитного поля $\textbf{B}_0$. В численных расчетах мы полагаем, что ОНЧ передатчик работает стационарно, и монохроматический сигнал с частотой 10 кГц заполняет всю силовую трубку вокруг $L = 3$, так что амплитуда волны является функцией только координаты вдоль лучевой траектории $s$ и определяется следующим уравнением:
\begin{equation}
\frac{\partial}{\partial s }(\sigma v_g U)=2\gamma \sigma U,
\end{equation}
где $\sigma$ – поперечное сечение лучевой трубки, $v_g$ - групповая скорость, $U$ – плотность энергии волны, а $\gamma$ - инкремент волны. В настоящей задаче инкремент волны определяется током резонансных частиц и является нелокальным функционалом профиля амплитуды волны, так что уравнение (1) является интегро-дифференциальным уравнением. Также мы полагаем, что основной вклад в инкремент волны вносят нерелятивистские резонансные электроны. Для вычисления амплитуды волны мы пользуемся методом последовательных приближений. В нулевом приближении инкремент волны полагается равным нулю, а профиль амплитуды определяется только геометрическими факторами - поперечным сечением и групповой скоростью. В первом приближении, наряду с учетом геометрических факторов, мы задаем инкремент волны равный линейному вдоль лучевой траектории. В следующем приближении полученная таким образом амплитуда волны используется для вычисления нелинейного инкремента. В нашей работе мы исследуем нагрев электронов релятивистских энергии вследствие их резонансного взаимодействия с сигналом наземного ОНЧ передатчика, амплитуда которого определяется в соответствии с методом последовательных приближений и является заданной для релятивистских электронов. Магнитосферная плазма часто бывает неустойчивой. В предположении неустойчивой плазмы область захвата по фазе оказывается асимметричной относительно экватора, так что в полушарии противоположном передатчику зона захвата больше, чем в полушарии передатчика. Эта асимметрия приводит к существенному увеличению кинетической энергии захваченных по фазе электронов.

Таким образом, в случае неустойчивой плазмы резонансное взаимодействие релятивистских электронов с монохроматическим сигналом наземного ОНЧ передатчика, распространяющимся дактированно в магнитосфере Земли, приводит к существенному увеличению кинетической энергии малой доли резонансных частиц.