ГЕНЕРАЦИЯ АВРОРАЛЬНОГО КИЛОМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТРЕХМЕРНОЙ КАВЕРНЕ Т. М. БУРИНСКАЯ ИКИ РАН МОСКВА 2014

Механизмом ответственным за генерацию АКР является циклотронная мазерная неустойчивость, развитие которой обусловлено наличием в распределении слаборелятивистских 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).

1. КАК ИЗЛУЧЕНИЕ, ГЕНЕРИРУЕМОЕ В ПРОСТРАНСТВЕННО-ОГРАНИЧЕННЫХ ОБЛАСТЯХ ПЛАЗМЫ С ЧАСТОТАМИ НИЖЕ ЧАСТОТЫ ОТСЕЧКИ ФОНОВОЙ ХОЛОДНОЙ ПЛАЗМЫ, МОЖЕТ ВЫХОДИТЬ ИЗ ОБЛАСТИ ГЕНЕРАЦИИ В ОКРУЖАЮЩУЮ ПЛАЗМУ 2. ВОЗМОЖЕН ЛИ НАБОР ЭНЕРГИИ ВОЛНАМИ АВРОРАЛЬНОГО КИЛОМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО НАБЛЮДАЕМЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПРИ ИХ ГЕНЕРАЦИИ В УЗКОЙ ТРЕХМЕРНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ КАВЕРНЕ, АНАЛОГИЧНОЙ НАБЛЮДАЕМЫМ В АВРОРАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ ИСТОЧНИКАМ АКР? ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Постановка задачи Используемые предположения Профиль плотности фоновой холодной плазмы внутри и вблизи источника генерации АКР: Профиль плотности слаборелятивистских электронов внутри плазменной каверны: Функция распределения слаборелятивистских электронов: Используется дипольная модель магнитного поля Земли Ионы играют роль нейтрализующего фона

Распространение волн исследуется с помощью уравнений геометрической оптики Инкремент нарастания волн находится как решение дисперсионного уравнения в каждой точке вдоль рассматриваемой траектории:

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

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) red magenta blue Densities of cold and energetic source plasma along the ray trajectory Wave refractive index R(t) В области источника АКР существует возможность трансформации X- моды в Z-моду.

Weakly relativistic hot plasma Cold plasma Такая трансформация возможна в горячей релятивисткой плазме благодаря 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) 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 - Green - Сравнение инкрементов и коэффициентов усиления двух волн с разными азимутальными компонентами волнового вектора 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 области источника в четыре раза дольше.

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!