Солнечно-земная Физика Справочник

Сила Лоренца
На частицу в электромагнитном поле действует сила Лоренца:


Часто силой Лоренца называют только вторую, магнитную составляющую. Под действием этой силы в отсутствие электрического поля частица движется по нормали к вектору силы, поэтому ее энергия остается неизменной. Подробнее в Lorentz.htm  

ЕхВ - дрейф
Если в магнитосфере присутствует электрическое поле, например, электрическое поле конвекции, направленное с утренней на вечернюю сторону, тогда возникает ЕхВ дрейф, направленный перпендикулярно вектору магнитного и электрического поля со скоростью

Направление дрейфа не зависит от знака частицы. В конвективном Е - поле диффузия направлена внутрь, к Земле и играет важную роль в процессах, вызывающих и сопровождающих магнитосферные возмущения.

Захваченные частицы
Частицы в магнитосферной ловушке захвачены, когда они остаются в ней существенно больше, чем время пролета по прямой порядка размера ловушки.
Говорят об устойчивом или стабильном захвате, если частица магнитным дрейфом огибает магнитосферу не меньше одного раза по замкнутой дрейфовой оболочке. Достаточным условием для этого является сохранение первого, второго и третьего адиабатических инвариантов. Подробнее в справочнике ad_invars.htm.

Границы области устойчивого захвата различны для частиц разной энергии, типа и питч-угла.

Приближение ведущего центра, дрейфовые оболочки
Если сохраняется первый инвариант, движение частицы можно описать суммой двух составляющих - ларморовского вращения и движение ведущего центра. В свою очередь траектории ведущего центра между зеркальными точками в процессе магнитного дрейфа сливаются в дрейфовую оболочку.   Частицы одной и той же энергии но имеющие разные питч-углы, стартуя с одинакового расстояния в полночь, в процессе дрейфа расходятся, частицы с малыми питч-углами приходят на дневную сторону ближе к Земле. Обратная картина наблюдается при дрейфе с дневной на ночную сторону. Этот эффект называется расщеплением дрейфовых оболочек (drift shell spliting) и вызывается ассиметрией земного магнитного поля. Подробнее в справочнике: pitch_angle.htm, critical_pa.htm, larmor.htm, conjugate.htm а также в статье А.Н. Петрова О питч-угловом распределении частиц в радиационных поясах Земли.

  Начиная с определенного радиального расстояния частицы, дрейфующие с ночной стороны, не совершают полного оборота, выходя на магнитопаузу с утренней (электроны) или вечерней (ионы) стороны. Область за границей устойчивого захвата называется областью квазизахвата, а частицы - квазизахваченными, если их траекторию все еще можно представить в виде суммы ларморовского вращения, колебаний между зеркальными точками и магнитного дрейфа.
В области квазазахвата на склоне спада интенсивности радиационного пояса наблюдается несколько популяций частиц - частицы центрального плазменного слоя с энергией до 1-2 кэв, авроральные электроны и ионы с энергией от единиц до сотен кэВ, часто к энергичным авроральным электронам и протонам относят частицы от 20 кэВ и выше. Поток свежеускоренных авроральных частиц превышает фоновый поток "старых" частиц радиационного пояса на несколько порядков; в дальнейшем эти частицы либо погибают в атмосфере, либо уходят за магнитопаузу, либо пополняют радиационные пояса посредством радиальной диффузии.

Подробнее в справочнике о радиационных поясах Земли см. rad-pojas.htm, а также в статьях на эту тему: Сосновец Э.Н. Радиационные пояса Земли , /// Кузнецов С.Н., Тверская Л.В. Радиационные пояса , /// Гальпер А.М. Радиационный пояс Земли.
Об области кваазизахвата: Лазутин Л.Л. Авроральная магнитосфера, /// Ковтюх А.С. Геокорона горячей плазмы .  

Вариации потока частиц.
Поток частиц, как захваченных, так и высыпающихся, испытывает постоянно регулярные или иррегулярные изменения ,вариации или пульсации под действием волн и излучений.
Характерные периоды пульсаций лежат в диапазоне от миллисекунд до нескольких минут. Изучение модуляционных процессов ми связанных с ними пульсаций в полярных сияниях, магнитном поле, ОНЧ излучении, авроральных Х-лучах составляет большой самостоятельный раздел магнитосферной физики.  

Диффузия

Несохранение адиабатических инвариантов в определенных пределах не нарушает режима захвата частиц. Импульсные и колебательные вариации магнитного поля и ОНЧ - волны всегда присутствующие в магнитосфере, меняют питч-угол частицы и/или перебрасывать ее на соседние дрейфовые оболочки. Эти процессы играют большую роль в процессах заполнения и опустошения радиационных поясов и называются соответственно диффузией по питч-углам и радиальной диффузией.
Радиальная диффузия работает таким образом, что поток частиц переносимых к Земле, превышает поток частиц наружу, причем энергия переносимых к Земле частиц увеличивается. Этот процесс во многом ответственен за заполнение внешнего электронного радиационного пояса.
Питч-угловая диффузия может быть пассивной, или активной, в последнем случае пакет волн, ответственный за диффузию, создается или усиливается за счет энергии частиц, с которыми он взаимодействует. Питч- угловая диффузия может быть разной мощности - при слабой диффузии питч-угол частицы меняется незначительно, в режиме сильной диффузии питч-угол за один скачек может измениться на любую величину, устанавливается изотропное питч-угловое распределение. Время жизни частиц в поясе в режиме сильной ПУД ( время спада в е раз) можно оценить из рисунка справа.


  Высыпание. Важным следствием питч-угловой диффузии является сброс или высыпание частиц в атмосферу Земли. Определенный диапазон малых питч-углов, называемый конусом потерь, соответствует положению зеркальной точки частицы нже границы атмосферы (~ 100 км). Попадая в конус потерь, частица с большой вероятностью погибает за счет столкновений, вызывая полярные сияния, создавая повышенную ионизацию в ионосфере, генерируя тормозное рентгеновское излучение. Эти эффекты, измеряемые с Земли или на аэростатах, позволили получить сведения о динамике высыпающихся частиц и через них - о характеристиках частиц в магнитной ловушке.

Функция распределения

Совокупность характеристик семейства частиц задается функцией распределения - по энергии, питч-углам, по скоростям, импульсу, магнитному моменту, жесткости и т.д.

  Поток частиц (F) - число частиц, падающих на единичную поверхность в единичном телесном уголе за единицу времени. Поток суммарный или всенаправленный - через определенную поверхность, интегрированный по всем энергиям или телесным углам.

Флюэнс (fluence) - суммарный поток частиц за определенный отрезок времени или событие (например, за вспышку СКЛ). Используется для оценки радиационного воздействия.

Энергетический спектр

- интегральный - распределение потока частиц с энергией выше Е по энергии. Единица измерения - (см².с.стер)^-1
- дифференциальный - распределение частиц в интервале Е -- Е+ΔЕ по энергии. Единица измерения - (см².с.стер.кэВ)^-1
По форме спектра различаются:
- степенной, который можно аппроксимировать формулой N(E) = NoE^-k где к - показатель спектра
- экспоненциальный , аппроксимируется формулой N(E) = No exp(-E/Eo) - где Ео - характеристическая энергия.

Энергетический спектр заряженных частиц космических лучей, частиц радиационных поясов и авроральных частиц как правило падающий, поток частиц уменьшается с ростом энергии. Кроме того, могут встречаться моноэнегретические спектры или участки спектра, результат ускорения в ограниченном диапазоне энергий. Часто спектр состоит из двух или более участков с разным наклоном, место перегиба в отдельных случаях называют коленом.

Корпускулярное излучение От "корпускула" - частица. Этот термин иногда используется для обозначения потока частиц, падающего на определенную поверхность. Подчеркивается отличие от электромагнитного излучения.
ЛЛ