Солнечно-земная физика

Справочник

Питч-угол, п/у распределение
(pitch-angle distribution)

Питч-угол

Заряженная частица, движется вдоль магнитной силовой линии по винтовой траектории с продольной скоростью VI и скоростью ларморовского вращения VL. Угол накона α направления движения к магнитной силовой линии называется питч-углом частицы (рис. 1).

Минимальное значение питч-угол имеет на экваторе силовой линии. Если при движении к Земле сохраняется первый адиабатический инвариант (магнитный момент) μ = Wsin2α/B, питч-угол меняется как

sin2 α /sin 2αo = B/Bo ,

где Во - напряженность магнитного поля на экваторе данной силовой линии.
Питч-угол достигает значения 90o в т.н. зеркальной точке, от которой начинается движение в обратную сторону, вверх по силовой линии. Положение зеркальной точки определяется по величине магнитного поля Bz из соотношения

     Bz= Bo/sin2αo

Если зеркальные точки частицы расположены ниже границы атмосферы (примерно 100 км), они могут сталкиваться с нейтральными атомами и в результате покидают ловушку. На экваторе эти частицы занимают область питч-углов от нуля до некой величины α' , определяющей величину конуса потерь:

      sin2 α ' = (Bo/Bm)

где Вm - напряженность магнитного поля на высоте 100км.

Конус потерь лишь приблизительно оценивает реальные потери частиц при питч-угловой диффузии, поскольку граница атмосферы - понятие условное, высота ее колеблется, поглощнение частиц не абсолютно и т.д. Для дипольного поля величина конуса потерь показана на рисунке и определяется из выражения
konus1 (1K)
см. вывод формулы
konus (5K)
В реальной магнитосфере напряженность поля на экваторе на больших расстояниях меньше дипольного и соответственно, конус потерь меньше, как показано пунктирной линией на этом рисунке.


Подробно о ПУР в радиационых поясах Земли см. в обзоре А.Н. Петрова

 

Питч-угловое распределение

Существует несколько типичных распределений заряженных частиц по питч-углам в магнитосферной ловушке. Все они представлены на рис 2.

Режим стабильного захвата характеризуется захваченным распределением (trapped), которое может быть описано выражением J=Jo sinnα , где n может принимать значение от 0.5 до 3.

Если происходит ускорение частиц с питч-углом 90о без значительной питч-угловой диффузии, наблюдается распределение типа "пирожок" (pancake).

Эффект расщепления дрейфовых оболочек из-за ассиметрии (день-ночь) магнитосферы, выражается в том, что граница устойчивого захвата продольных частиц находится дальше от Земли, чем для частиц приэкваториальных . В результате в области квазизахвата наблюдается распределение типа "бабочки" (butterfly), при котором на питч-углах близких к 90о образуется минимум, а на питч-углах около 40о и 140о - максимум.

При переходе от захваченного распределения к "бабочке" и в ряде других случаев, например, при умеренной диффузии по питч-углам, наблюдается плоское (flat) распределение, более или менее равномерное по всем питч-углам за исключением конуса потерь, где поток частиц существенно меньше.

Изотропное ( isotropic) распределение наблюдается вне магнитной ловушки, т.е. когда магнитное поле слабое и не определяет характер движения частиц, или в магнитной ловушке в режиме сильной питч-угловой диффузии, т.е. тогда, когда за период скачка питч-угол частицы меняется на угол много больший раствора конуса потерь.

Наконец, существуют распределения с выраженным максимумом вдоль силовой линии магнитного поля (field-aligned distribution) . Они могут возникать под действием продольного электрического поля, в частности в трехмерном токовом клине суббури. Кроме того, продольные струи частиц часто наблюдаются в хвосте магнитосферы, в пограничной части плазменного слоя. На сильно вытянутых в хвост силовых линиях все частицы, выходящие из области сильного магнитного поля, приобретают большие продольные скорости.

Назад, к оглавлению справочника

Подробно о ПУР в радиационых поясах Земли см. в обзоре А.Н. Петрова
последнее обновление 27/10/04