Ускорение высокоэнергичных электронов в поле монохроматического сигнала наземного ОНЧ передатчика: самосогласованный подход

Авторы
Лужковский А.А.(1), Шкляр Д.Р.(1)
Организации
(1) Институт космических исследований РАН
Сессия
Теория и моделирование физических процессов
Форма представления
Устный
Место работы научного руководителя
Институт космических исследований РАН
Научный руководитель
Шкляр Д.Р.
Текст тезисов
В работе исследуется резонансное взаимодействие электронов радиационных поясов Земли с монохроматическими сигналами наземного ОНЧ передатчика. Предполагается, что в магнитосфере Земли сигнал распространяется в дактированном режиме в виде правополяризованной свистовой волны. Продольное распространение волны позволяет исследовать резонансное взаимодействие только на первом циклотронном резонансе, когда продольная скорость частицы $v_{||}$ близка к значению резонансной скорости $v_R=(\omega-\omega_c)/k$. Здесь $\omega$ - частота сигнала, $\omega_c$ - электронная циклотронная частота, а $k$ - модуль волнового вектора. Во многих работах исследование этой нелинейной задачи проводится в приближении заданного поля волны. В этом случае при решении кинетического уравнения Больцмана-Власова профиль амплитуды волны предполагается заданным и поиск резонансной функции распределения электронов сводится к решению системы уравнений движения резонансных электронов. Такой подход, очевидно, не является самосогласованным, поскольку заданный из общих соображений профиль амплитуды волны зависит от функции распределения резонансных электронов в соответствии с законом сохранения энергии
$$\frac{\partial}{\partial s}(\sigma v_g U)=2 \Gamma \sigma U,$$
где $s$ - координата вдоль лучевой траектории, $U$ - плотность энергии волны, пропорциональная квадрату ее амплитуды, $v_g$ - групповая скорость, $\sigma$ - сечение лучевой трубки, а $\Gamma$ - инкремент волны. В нашей работе совместное решение системы, состоящей из кинетического уравнения и закона сохранения энергии, производится с помощью сходящегося итерационного процесса, основанного на методе последовательных приближений. Процесс организуется так, что вычисление профиля амплитуды волны на $n+1$-ом шаге осуществляется с помощью профиля амплитуды на $n$-ом шаге итерации. В предположении неустойчивой плазмы получающийся в результате итерационного процесса профиль амплитуды волны оказывается асимметричным относительно экватора, причем амплитуда волны в противоположном к передатчику полушарии получается больше, чем в полушарии передатчика. Эта асимметрия может приводить к существенному увеличению кинетической энергии захваченных по фазе электронов.

Конечной целью работы является исследование роли сигналов ОНЧ передатчиков в нагреве электронов радиационных поясов. Для этого в полученном самосогласованном поле на времени одного баунс-периода исследуется динамика высокоэнергичных частиц с помощью уравнений движения релятивистских электронов. В результате показано, что малая доля резонансных частиц, а именно захваченные по фазе, в условиях неустойчивой плазмы могут существенно увеличить свою энергию - вплоть до $6%$. Тем временем пролетные частицы, которых подавляющее большинство, могут как увеличить, так и уменьшить свою энергию, причем максимально это отклонение немногим превышает $1\%$.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №22-22-00135.