Частинки в магнітосфері. Терміни та визначення.
сила Лоренца
На частку в електромагнітному полі діє сила Лоренца:
Часто силою Лоренца називають тільки другу, магнітну складову. Під дією цієї сили за відсутності електричного поля частинка рухається по нормалі до вектора сили, тому її енергія залишається незмінною. Детальніше в Lorentz.htm
ЕХВ - дрейф
Якщо в магнітосфері присутній електричне поле, наприклад, електричне поле конвекції, спрямоване з ранкової на вечірню сторону, тоді виникає ЕХВ дрейф. спрямований перпендикулярно вектору магнітного і електричного поля зі швидкістю
Напрямок дрейфу не залежить від знака частки. В конвективному Е - поле дифузія направлена всередину, до Землі і грає важливу роль в процесах, що викликають і супроводжуючих магнітосферні обурення.
захоплені частинки
Частинки в магнитосферной пастці захоплені, коли вони залишаються в ній значно більше, ніж час прольоту по прямій порядку розміру пастки.
Кажуть про стійкий або стабільному захопленні, якщо частка магнітним дрейфом огинає магнітосферу не менш ніж один раз по замкнутій дрейфовой оболонці. Достатньою умовою для цього є збереження першого, другого і третього адиабатических інваріантів. Детальніше в довіднику ad_invars.htm.
Межі області стійкого захоплення різні для частинок різної енергії, типу і пітч-кута.
Наближення провідного центру, дрейфові оболонки
Якщо зберігається перший інваріант, рух частинки можна описати сумою двох складових - ларморовского обертання і рух ведучого центру. У свою чергу траєкторії провідного центру між дзеркальними точками в процесі магнітного дрейфу зливаються в дрейфову оболонку. Частинки однієї і тієї ж енергії але мають різні пітч-кути, стартуючи з однакової відстані опівночі, в процесі дрейфу розходяться, частинки з малими пітч-кутами приходять на денну сторону ближче до Землі. Зворотна картина спостерігається при дрейфі з денною на нічну сторону. Цей ефект називається розщепленням дрейфовий оболонок (drift shell spliting) і викликається асиметрією земного магнітного поля. Детальніше в довіднику: pitch_angle.htm. critical_pa.htm. larmor.htm. conjugate.htm а також в статті А.Н. Петрова Про пітч-кутовому розподілі часток в радіаційних поясах Землі.
Починаючи з певного радіального відстані частинки, що дрейфують з нічного боку, не здійснюють повного обороту, виходячи на магнітопаузу з ранкової (електрони) або вечірньої (іони) сторони. Область за кордоном стійкого захоплення називається областю квазізахвата, а частинки - квазізахваченнимі, якщо їх траєкторію все ще можна представити у вигляді суми ларморовского обертання, коливань між дзеркальними точками і магнітного дрейфу.
В області квазазахвата на схилі спаду інтенсивності радіаційного поясу спостерігається кілька популяцій частинок - частинки центрального плазмового шару з енергією до 1-2 кев, авроральной електрони і іони з енергією від одиниць до сотень кеВ, часто до енергійним авроральной електронам і протонам відносять частинки від 20 кеВ і вище. Потік свежеускоренних авроральних частинок перевищує фоновий потік "старих" частинок радіаційного поясу на кілька порядків; в подальшому ці частинки або гинуть в атмосфері, або йдуть за магнітопаузу, або поповнюють радіаційні пояси за допомогою радіальної дифузії.
Варіації потоку частинок.
Потік частинок, як захоплених, так і висипати, відчуває постійно регулярні або іррегулярні зміни, варіації або пульсації під дією хвиль і випромінювань.
Характерні періоди пульсацій лежать в діапазоні від мілісекунд до декількох хвилин. Вивчення модуляційних процесів ми пов'язаних з ними пульсацій в полярних сияниях, магнітному полі, ОНЧ випромінюванні, авроральних Х-променях становить великий самостійний розділ магнитосферной фізики.
дифузія
Незбереження адиабатических інваріантів в певних межах чи не порушує режиму захоплення частинок. Імпульсні і коливальні варіації магнітного поля і ОНЧ - хвилі завжди присутні в магнітосфері, змінюють пітч-кут частки і / або перекидати її на сусідні дрейфові оболонки. Ці процеси відіграють велику роль в процесах запалення і спустошення радіаційних поясів і називаються відповідно дифузією по питч-кутах і радіальної дифузії.
Радіальна дифузія працює таким чином, що потік частинок переносяться до Землі, перевищує потік частинок назовні, причому енергія переносяться до Землі частинок збільшується. Цей процес багато в чому відповідальний за заповнення зовнішнього електронного радіаційного поясу.
Пітч-кутова дифузія може бути пасивною, або активної, в останньому випадку пакет хвиль, відповідальний за дифузію, створюється або посилюється за рахунок енергії частинок, з якими він взаємодіє. Пітч- кутова дифузія може бути різної потужності - при слабкій дифузії пітч-кут частки змінюється незначно, в режимі сильної дифузії пітч-кут за один стрибок може змінитися на будь-яку величину, встановлюється изотропное пітч-кутовий розподіл. Час життя частинок в поясі в режимі сильної пуд (час спаду в е раз) можна оцінити з малюнка справа.
Висипання. Важливим наслідком пітч-кутовий дифузії є скидання або висип частинок в атмосферу Землі. Певний діапазон малих пітч-кутів, званий конусом втрат, відповідає положенню дзеркальної точки частки нже кордону атмосфери (
100 км). Потрапляючи в конус втрат, частка з великою ймовірністю гине за рахунок зіткнень, викликаючи полярні сяйва, створюючи підвищену іонізацію в іоносфері, генеруючи гальмівне рентгенівське випромінювання. Ці ефекти, вимірювані з Землі або на аеростатах, дозволили отримати відомості про динаміку висипати частинок і через них - про характеристиках частинок в магнітній пастці.
Сукупність характеристик сімейства частинок задається функцією розподілу - по енергії, пітч-кутах, по швидкостям, імпульсу, магнітного моменту, жорсткості і т.д.
Потік частинок (F) - число частинок, що падають на одиничну поверхню в одиничному тілесному кут за одиницю часу. Потік сумарний або всенаправленний - через певну поверхню, інтегрований з усіх енергій або тілесним кутах.
Флюенсу (fluence) - сумарний потік частинок за певний відрізок часу або подію (наприклад, за спалах СКЛ). Використовується для оцінки радіаційного впливу.
- інтегральний - розподіл потоку частинок з енергією вище Е по енергії. Одиниця виміру - (см2 .с.стер) -1
- диференційний - розподіл часток в інтервалі Е - Е + # 916; Е по енергії. Одиниця виміру - (см2 .с.стер.кеВ) -1
За формою спектра розрізняються:
- статечної, який можна апроксимувати формулою N (E) = NoE -k де до - показник спектра
- експонентний. апроксимується формулою N (E) = No exp (-E / Eo) - де Ео - характеристична енергія.
Енергетичний спектр заряджених частинок космічних променів, часток радіаційних поясів і авроральних частинок як правило падає, потік частинок зменшується з ростом енергії. Крім того, можуть зустрічатися моноенегретіческіе спектри або ділянки спектра, результат прискорення в обмеженому діапазоні енергій. Часто спектр складається з двох або більше ділянок з різним нахилом, місце перегину в окремих випадках називають коліном.
Корпускулярне випромінювання Від "корпускула" - частка. Цей термін іноді використовується для позначення потоку частинок, що падає на певну поверхню. Підкреслюється відміну від електромагнітного випромінювання.
ЛЛ