Ускорение заряженных частиц

Одним из фундаментальных процессов в космической физике является процесс ускорения заряженных частиц.
Космические лучи ускоряются во взрывах сверхновых, на Солнце и в межпланетном пространстве, энергичные электроны и ионы — в магнитосфере Земли и в лабораторных установках.

Хотя как правило ускорение происходит в магнитоплазменых структурах, за ускорение заряженных частиц в конечном итоге ответственно электрическое поле. Оно может быть постоянным или переменным, конвекционным или индукционным, присутствовать в описании процесса явно или подспудно, но его присутствие обязательно. Действие других сил, например, гравитации, пренебрежимо мало, а столкновительные процессы либо невелики, либо приводят к потере знергии, как, например, при столкновениях с частицами низкоэнергичной плазмы или с атмосферой Земли.

Из многочисленных механизмов или вариантовмеханизмов здесь мы выделим лишь те, что работают в магнитосфере Земли, на Солнце и в межпланетном пространстве.

Механизм ускорения Ферми.

Ускорение происходит при столкновении заряженной частицы при отражении от магнитного зеркала. Выделяются два класса ускорения Ферми — первого и второго рода. Оба работают в бесстолкновительной среде — иначе столкновения с плазмой среды приведет к потерям, которые нивелируют процесс ускорения.
Ускорение Ферми первого порядка происходит в ударных волнах. Перед фронтом ударной волны и позади ее как правило есть магнитные неоднородности, котоые способнв отражать заряженные частицы. Многократное отражение между двумя неоднородностями приведет к значительному ускорению частиц. Результирующий энергетический спектр частиц имеет степенную форму с показателем степени 2. Ускорение пропорционально скорости ударной волны. Ускоряться будут только частицы, энергия которых на порядок или больше энергии плазмы, малоэнергичные частицы не смогут пересекать ударный фронт. Следовательно ускорения с нуля нет, исходные частицы должны быть инжектированы в район ударного фронта. Подробно об ускорении ударными волнами смотрите в статье Е. Г. Бережко и Г. Ф. Крымского
Рисунок из книги М.И. Панасюка, иллюстрирующий ускорение частиц на ударной волне в Сверхновой.
Ускорение Ферми второго порядка описывает ускорение частиц при столкновении с регулярно или хаотически движущимися «магнитными зеркалами». Частица приобретает энергию при отражении от движущегося навстречу магнитного зеркала, или теряет энергию при столкновении с убегающим зеркалом. Вероятность столкновения со встречным зеркалом выше, чем с убегающим, поэтому в целом частицы будут ускоряться.
Приращение энергии пропорционально квадрату средней скорости магнитных зеркал (отсюда и название «второго порядка»). Альтернативное название ускорения Ферми второго порядка — стохастическое ускорение.

Бетатронное ускорение.

Приращение энергии частицы в бететронном механизме основывается на факте сохранения первого адиабатического инварианта µ =Е/В при увеличении напряженности магнитного поля. Название происходит от названия установки, в которой этот принцип реализуется.
Приращение магнитного потока на площади, окальцованной траекторией частицы (см рисунок), приводит к генерации электрического поля, направленного вдоль траектории частицы
Бетатронное ускорение работает во всех случаях, когда частица тем или иным способом переносится в область более сильного магнитного поля.
В магнитосфере это прежде всего ускорение при ЕхВ дрейфе.

Ускорение при ЕхВ дрейфе.

В скрещенных электрическом и магнитном поле заряженные частицы движутся в направлении нормальном к векторам магнитного и электрического поля. Если магнитное поле неоднородно и существует градиент магнитного поля в направлении движения частицы, ее энергия увеличивается.
В магнитосфере Земли радиальный перенос ЕхВ дрейфом является одним из основных механизмов ускорения, приводящих к пополнению радиационных поясов.
Оценить приращение энергии частицы можно двояким образом — во первых, энергия увеличивается пропорционально приращению напряженности магнитного поля при сохранении первого адиабатического инварианта µ =Е/В. Во вторых, за счет градиентного дрейфа частица перемещается вдоль элактрического поля, зная скорость дрейфа, можно подсчитать приращение энергии. Оба способа дают одинаковую величину

В качестве источника Е может выступать и крупномасштабное магнитосферное электрическое поле конвекции, направленное с утренней на вечернюю сторону, и кратковременные всплески индукционного поля генерированного толчками сжатия солнечного ветра, или перестройкой магнитного поля в моменты активизации (брейкапа) магнитосферных суббурь.

Центробежное ускорение

Если частица движется вдоль искривленной силовой линии или переносится на другую силовую линию с изменением направления вектора магнитного поля, она будет ускоряться центробежной силой, если направление силы совпадает с направлением переноса частицы.
Уравнение, описывающее приращение энергии частицы выглядит следующим образом:

где Vc - скорость переноса (конвекции), Rc и R1 и их производные поясняются на рисунке, остальные обозначения традиционные.
Видно, что имеется два члена в левой части уравнения и, соответственно, два механизма ускорения.
Первый поясняет Рис 1а и аналогичен ускорению камня, который раскрутили на веревке и затем сокращают длину веревки.
Второй член (перенос на силовую линию с изменением направления), Рис 1б, центробежная сила направлена вдоль продольной траектории частицы. Здесь возможна такая аналогия: шарик, надетый на железный прут, ускоряется, свободно перемещаясь вдоль прута, когда вы им взмахнете.

Приращение продольной энергии при медленном дрейфе может быть оценено по сохранению второго адиабатичческиого инварианта, либо по дрейфу за счет кривизны силовой линии вдоль электричекоро поля.
Однако при быстрых изменениях конфигурации магнитного поля адибатека не работает и описанные уравнения надо считать напрямую.

Индукционные механизмы ускорения

По определению к этому классу отнесем разнообразные механизмы ускорения индукционным электрическим полем
Е= dВ/ dt
Возникающее при быстрых изменениях магнитного поля индукционное электрическое поле как правило ускоряет зарчженные частицы за счет ЕхВ переноса в область с бельшей напряженности магнитного поля. К конкретным примерам такого типа ускорения модно отнести: Эффект SC-инжекции энергичных электронов и протонов во внутреннюю магнитосферу во время внезапного импульса SС.
Аналогичные множественные инжекции небольшими импульсами, радиальная диффузия внутрь магнитосферы с сохранением магнитного момента. Предполагается ответственной за пополнение радиационных поясов Земли.
Локальные инжекции энергичных авроральных частиц (Е > 20 кэВ) во время процесса быстрой диполизации (брейкапа) магнитосферных суббурь.
Пересоединение. При определенной конфигурации магнитного поля, когда силовые линии противоположного направления располагаются близко, может произойти пересоединение силовых линий (есть еще более страшное название «аннигиляция» магнитного поля). При пересоединении возникает индукционное электрическое поле, эффективно ускоряющее заряженные частицы.
Механизм пересоединения является основным при объяснении ускорения солнечных космических лучей, а также привлекается в теории магнитосферных суббурь (пересоединение в хвосте магнитосферы).

Ускорение продольным электрическим полем
полагают главным источником авроральных (E < 2-5 МэВ) электронов, вызывающих активные формы полярных сияний. Продольные поля возникают при развитии неустойчивости в продольных токах Биркеландовской системы, в частности в токовом клине суббури.

Ускорение при взаимодействии с ОНЧ волнами
считается ответственным за появление потоков релятивистских электронов - «киллеров». Исследованию процессов взаимодействия частиц с волнами посвящен большой раздел магнитосферной физики.

Ускорение «убегающих» электронов в атмосфере Земли во время молниевых разрядов. Теория ускорения, развитая А.В. Гуревичем, в последнее время активно развивается, в экспериментальныых измерениях наземными и спутниковыми установками находятся подтверждения теории, однако здесь еще много надо работать.

ЛЛ