Введение к работе
Актуальность работы
Питч-угловые распределения потоков энергичных ионов радиационных
юясов (РП) Земли более полно, чем радиальные профили и энергетические
:пектры, отражают все многообразие физических процессов, влияющих на
формирование наблюдаемых пространственно-энергетических
іаспределений частиц в магнитосфере Земли. Хотя исследования РП Земли іедутся уже более 30 лет, питч-угловые распределения энергичных ионов істаются до сих пор наименее изученной, как экспериментально так и еоретически, характеристикой РП Земли. '
Имеющиеся в настоящее время экспериментальные' данные по питч-гловым распределениям, полученные на отечественных и зарубежных путниках, весьма неполные и не всегда согласуются друг с другом даже в ределах довольно больших ошибок' измерения (особенно для тяжелых онов). Теоретические исследования питч-утловых распределений энер-ичных ионов до сих пор также ограничивались лишь грубыми.приближе-иями и оценками, не позволяющими выявить и изучить сложную и емонотонную зависимость- анизотропии питч-углового распределения от нергии Е, массы Мп заряда Q ионов, а так же от расстояния до Земли R, окального времени LT и геомагнитной широты X.
Из-за отсутствия надежных эмпирических моделей сопоставление езультатов теоретических исследований и математического моделирования гационарных питч-угловых распределений ионов РП Земли с эксперимен-альными данными как для магнитоспокойных, так и для возмущенных ериодов практически не проводилось. Создание таких эмпирических гаделей требует тщательного анализа методики измерения угловых распре-елений в различных экспериментах и методов оценки величины их низотропии.
До сих пор отсутствуют расчеты стационарной пространственно-энер-гтической структуры распределений энергичных ионов РП Земли и коль-евого тока в магнитоспокойных условиях, подтвержденные эксперимен-эм, для частицы с экваториальными питч-углами а0 * 90.
Моделирование динамики пространственно-энергетических распределений ионов РП и кольцевого тока во время геомагнитных бурь и суббурь проводилось во многих работах, однако при этом рассматривались только частицы с питч-углами а0» 90. Задача построения динамических моделей питч-угловых распределений ионов РП Земли и кольцевого гока во время геомагнитных бурь и суббурь, учитывающих реальную структуру и динамику магнитного и электрического полей в магнитосфере до настоящего времени нигде не ставилась и не решалась.
Поэтому создание полных трехмерных моделей ионов РП Земли, как для геомагнитно-спокойных условий, так и во время геомагнитных бурь и суббурь, является важной и актуальной задачей.
Цель диссертационной работы
1/ построение эмпирической модели питч-угловых распределений протонов РП Земли для магнитоспокойных периодов по результатам исследований на ИСЗ "Explorer-45", ISEE-1 и AMPTE/CCE;
2/ построение стационарной численной модели питч-угловых распределений протонов РП Земли и кольцевого тока в авроральной области магнитосферы с учетом азимутальной ассиметрии геомагнитного поля и реальной формы граничного энергетического спектра;
3/ построение стационарной численной модели питч-угловых распределений протонов РП Земли во внутренней области магнитосферы, на L<5 (L - параметр Мак-Илвайна), с учетом основных диссипативных процессов (перезарядки и кулоновского торможения);
4/ построение динамической модели питч-угловых распределений ионов РП Земли и кольцевого тока с энергией от нескольких десятков кэВ до нескольких МэВ во время геомагнитных бурь и суббурь.
Научная новизна
На основе наиболее точных и полных из опубликованных к настоящему времени экспериментальных данных, полученных вблизи плоскости геомагнитного экватора для магнитоспокойных периодов на ИСЗ "Explorer-45", ISEE-1 и AMPTE/CCE, построена эмпирическая модель питч-угловых распределений протонов в диапазоне 2<<5.25 и 0.03<ІГ<3.0 МэВ.
В рамках диффузионной теории формирования РП Земли, наиболее очных на сегодняшний день моделях геомагнитного поля и современных іредставлениях о форме граничных энергетических спектров впервые юстроены стационарные модели питч-угловых распределений протонов в [иапазоне KR/R^O (Rq - радиус Земли) и 0.03<"<3.0 МэВ, учитывающие >сновные диссипативные процессы (перезарядку и кулоновское орможение) и азимутальную асимметрию геомагнитного поля в івроральной области магнитосферы.
Сопоставление полученных математических (численных) моделей с ікспериментальньши данными по питч-угловым распределениям протонов юзволило уточнить пространственную и. энергетическую зависимость соэффициентов магнитной и электрической диффузии.
Впервые получено хорошее согласие результатов математического моделирования с экспериментальными данными для потоков протонов с шергией 0.03<"<3.0 MeV и питч-углами а0 от 90 до конуса потерь в области 2
Построена динамическая модель движения энергичных ионов с экваториальными питч-углами <х0 от 90 до конуса потерь в магнитосфере Земли во время типичной' геомагнитной бури. Показано, что во время главной фазы геомагнитной бури форма питч-угловых распределений ионов РП Земли и кольцевого тока существенно трансформируется.
В диссертации защищаются
-
Модель питч-угловых распределений потоков протонов с учетом асимметрии геомагнитного поля в авроральной области магнитосферы Земли.
-
Модель питч-угловых распределений потоков протонов формирующихся в ходе радиальной диффузии под действием флуктуации электрических и магнитных полей с учетом перезарядки и кулоновского торможения. Полученные в рамках этой модели выводы о зависимости коэффициентов электрической и магнитной диффузии от экваториального питч-угла частиц.
-
Закономерности эволюции питч-угловых распределений протонов РП Земли и кольцевого тока в зависимости от В, R, LT, учитывающие ре-
альную структуру геомагнитного поля и форму граничных энергетических спектров.
-
Вывод об адекватности численной модели экспериментальным данным по питч-угловым распределениям потоков протонов с энергией 0.03<"<3.0 МэВ на 2
-
Вывод о существенной трансформации формы питч-угловых распределений ионов РП Земли и кольцевого тока во время главной фазы геомагнитной бури. Характер и величина этих вариаций сильно зависят от энергии частиц и положения точки наблюдения (/?,LT).
Практическая значимость
Результаты данной работы могут быть использованы для построения трехмерных модельных распределений ионов РП Земли и прогнозирования радиационных условий в околоземном космическом пространстве как для спокойных, так и геомагнитно возмущенных условий.
Личный вклад автора
Автор разработал математические алгоритмы и программное обеспечение для численного моделирования стационарных и динамических питч-угловых распределений ионов в магнитосфере Земли, выполнил численные расчеты и построил математические модели угловых распределений энергичных ионов РП Земли. Автор провел сопоставление с экспериментальными данными и анализ полученных результатов.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах семинарах ОКФИ и ОИВМ (1991-1994 гг.) НИИЯФ МГУ; на Международных семинарах "Радиация в окружающем космическом пространстве" (Дубна, 1993 г.) и (Taos, США, 1994 г.), на Международных конгрессах IAGA (Буэнос-Айрес, 1993 г.) и COSPAR (Гамбург, 1994 г.). По результатам диссертации опубликовано 9 работ.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация содержит 123 страницы и 33 рисунка. Список цитируемой литературы состоит из 169 наименований.
