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

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

2 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).

3 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

4 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

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

6 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)

7 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

8 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

9 (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.

10 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

11 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.

12 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.

13 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

14 THANK YOU FOR ATTENTION!