ГЕНЕРАЦИЯ АВРОРАЛЬНОГО КИЛОМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В

ТРЕХМЕРНОЙ КАВЕРНЕ

Т. М. БУРИНСКАЯИКИ РАН МОСКВА

2014

Механизмом ответственным за генерацию АКР является циклотронная мазерная неустойчивость, развитие которой обусловлено наличием в распределении слаборелятивистких электронов, распространяющихся к Земле в областях пониженной плотности плазмы, вытянутых по долготе и вдоль магнитного поля на расстояния значительно превышающие их широтный размер. АКР излучения генерируются на частотах вблизи локальной гирочастоты электронов и распространяются наружу, преимущественно, как необыкновенные волны с показателем преломления меньше/порядка единицы (X-мода).

/ 0ef v

1. КАК ИЗЛУЧЕНИЕ, ГЕНЕРИРУЕМОЕ В ПРОСТРАНСТВЕННО-ОГРАНИЧЕННЫХ ОБЛАСТЯХ ПЛАЗМЫ С ЧАСТОТАМИ НИЖЕ ЧАСТОТЫ ОТСЕЧКИ ФОНОВОЙ ХОЛОДНОЙПЛАЗМЫ, МОЖЕТ ВЫХОДИТЬ ИЗ ОБЛАСТИ ГЕНЕРАЦИИ В ОКРУЖАЮЩУЮ ПЛАЗМУ

2. ВОЗМОЖЕН ЛИ НАБОР ЭНЕРГИИ ВОЛНАМИ АВРОРАЛЬНОГО КИЛОМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО НАБЛЮДАЕМЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПРИ ИХ ГЕНЕРАЦИИВ УЗКОЙ ТРЕХМЕРНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ КАВЕРНЕ, АНАЛОГИЧНОЙ НАБЛЮДАЕМЫМ В АВРОРАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ ИСТОЧНИКАМ АКР?

ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Постановка задачиИспользуемые

предположения

00 020 ; 0;

2 20 0 0

2 2 2

( ) ( )1 exp( / 2 )cold

E

nnr R

0.008; 0.23

2 20, 0 0

2 2 2

( ) ( )exp

( / 2 )hot

hotE

nn

r R

1/ / 0 / / 0( , ) (2 ) ( ) ( )f v v v v v v

• Профиль плотности фоновой холодной плазмы внутри и вблизи источника генерации АКР:

• Профиль плотности слаборелятивистких электронов внутри плазменной каверны:

• Функция распределения слаборелятивистких электронов:

• Используется дипольная модель магнитного поля Земли

• Ионы играют роль нейтрализующего фона

Распространение волн исследуется с помощью уравнений геометрической оптики

R Rd D Ddt

Rk

R Rd D Ddt

kR ( , , ) 0R imD D iD R k

Инкремент нарастания волн находится как решение дисперсионного уравнения в каждой точке вдоль рассматриваемой траектории:

2 2 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 21 // // 2 //1 2

2 2 2 2 21 1 1

/k c k c k ck c k c

1,2 1,2( ) 1,2( )cold source

2 2( ) ( )

1( ) 2( )2 2 2 2

( ) ( ) ( )1 ; ;

( ) ( ( ))p cold p cold c

cold coldc c

R R RR R

2 2( ) ( )

1( ) 1 2 2( ) 1 22 2

( ) ( )1 ( ); ( );

2 2p source p source

source sourceF F F F

R R

2 2 20 / /

1 2 2 2 2 2 20 0

( ( )) ;( ) (1 / 2 ) 2 ( ( ) (1 / 2 ))

c

c c

v k cFv c c v c

R

R R

2 2 20 / /

2 2 2 2 2 2 20 0

( ( )) .( ) (1 / 2 ) 2 ( ( ) (1 / 2 ))

c

c c

v k cFv c c v c

R

R R

Рассматривается усиление и распространение волн АКР, запущенных из центра плазменной каверны, для параметров, характерных для областей генерации АКР на высотах r=2R

2 ( 198 )E cr R kHz

3 30 0,5 , 1 , 4sourcen cm n cm W Kev

0 : 0 0.75

0 / 0.9942

0.25 / 0.9945

0.5 / 0.9965

r Hfix

r Hfix

r Hfix

t k k

k

k

k

, 0

, 0

/

/ 0 ( )

/ 0 ( )

Hfix

E r t

E r t

k kc

R r R k solid lines up

t tc R k dash lines down

redgreenblue

(I)

Плотности фоновой плазмы и плазмы

источника АКР вдоль траекторий лучей

Величина показателя преломления меняется вдоль траектории луча, приближаясь к единице на момент его выхода из каверны. Компонента волнового вектора, направленная вдоль магнитного поля, непрерывно нарастает вдоль лучевой траектории.

Усиление волн с одинаковыми частотами может отличаться на много порядков в зависимости от направления их запуска

Зависимости коэффициентов

усиления и инкрементов от

времени

0

( )t

S t dt

AKR radiating diagram in conventional units

All waves are refracted upward during there propagation inside a cavity and as they exited it.

These model results are strongly supported by experimental observations

Mogilevsky et al., 2008

(II)0 : 0 0.95

0 / 0.9985;

0.2 / 1.0012;r Hfix

r Hfix

t k k

k

k

redmagenta

blue

Densities of cold and energetic source plasma along the ray trajectory

0.2rk

Wave refractive index

R(t)

0.2rk 0.2rk

В области источника АКР существует возможность трансформации X- моды в Z-моду.

Weakly relativistic hot plasma

• Cold plasma

Такая трансформация возможна в горячей релятивисткой плазмеблагодаря существованию дополнительной дисперсионной ветви,

связывающей X- и Z-моды.

Purely real branch with a negative group velocity

N

N

N

Зависимости коэффициентов усиления и инкрементов от времени (II)

0rk

0.2rk

0.2rk

Набор энергии волнами АКР прекращается, когда они покидают область источника или когда происходит их переход на дополнительную дисперсионную ветвь колебаний, существующую в релятивистской плазме источника.

Red -

0.75 ( 0.9942)k Green -

Сравнение инкрементов и коэффициентов усиления двух волн с разными азимутальными компонентами

волнового вектора

0, 0rk k

Хотя начальный инкремент для волны с большей азимутальной компонентой волнового вектора больше, коэффициент ее усиления значительно ниже, так как волна с меньшей азимутальной компонентой находится в областиисточника в четыре раза дольше.

0 :t

Показано, что глобальная неоднородность магнитного поля Земли играет определяющую роль как в процессе набора энергии волнами АКР внутри источника, так и в выходе излучения из плазменной каверны

Основной вклад в спектр АКР дают волны, запущенные первоначально с компонентой групповой скорости направленной к Земле и с оптимальным соотношением компонент волнового вектора, контролирующими значение линейного инкремента и время жизни волны внутри источника.

Коэффициенты усиления, полученные в проведенных расчетах, могут значительно превышать коэффициент ~20, который обычно рассматривается как минимальный для получения экспериментально наблюдаемых значений

Все волны, соответствующие X-моде, в итоге, независимо от их первоначального направления, распространяются вверх до тех пор пока их частота не станет равной частоте отсечки окружающей фоновой плазмы, уменьшающейся с высотой. При выполнении этого условия излучение покидает плазменную каверну и выходит из области генерации.

ВЫВОДЫ

THANK YOU FOR ATTENTION!

THANK YOU FOR ATTENTION!