Космические циклотронные мазеры (стр. 2 из 3)

Рис. 2. Наиболее типичные спектрограммы КНЧ-ОНЧ сигналов, генерируемых в радиационном поясе Земли (степень почернения на плоскости частота-время характеризует интенсивность сигналов): а - хиссы (шумовые излучения); б - квазипериодические излучения; в - последовательность дискретных сигналов типа так называемых хоров, которые, как правило, регистрируются на фоне шумовых и квазипериодических излучений.

Следует заметить, что электродинамическая система рассматриваемого магнитосферного циклотронного мазера существенно отличается от его лабораторного аналога. Ведь наряду с радиационным поясом магнитосфера Земли заполнена гораздо более плотной холодной компонентой плазмы. Так, если концентрация собственно частиц радиационного пояса составляет nРП~10–3ё10–1 см–3, то плотность холодной компоненты достигает значений nХ~102ё104 см–3. Эта плазма существенно меняет характеристики участвующих во взаимодействии электромагнитных волн. Фазовая скорость таких волн становится много меньше скорости света, частота их - меньше гирочастоты соответствующих частиц (электронов или ионов), а магнитная компонента (по своему энергетическому вкладу) - много больше электрической. В ОНЧ-КНЧ диапазоне они эффективно взаимодействуют с электронами и получили название свистовых волн, или геликонов. В диапазоне короткопериодных геомагнитных пульсаций это - альвеновские волны, которые эффективно взаимодействуют с ионами радиационных поясов. Важная особенность обоих типов волн состоит в том, что их групповая скорость практически мало отклоняется от направления магнитного поля. Итак, электродинамической системой в космическом циклотронном мазере, который реализуется в магнитосферах планет и звезд, является заполненная холодной плазмой магнитная силовая трубка. Эта трубка упирается торцами в ионосферу в противоположных полушариях (области ионосферы, соединенные одной силовой линией магнитного поля, называются магнитосопряженными - см. рис.1). Данные области ионосферы служат зеркалами для свистовых и альвеновских волн, а плазма радиационного пояса выступает в качестве активного вещества.

Немного о теории

Основы теории космического циклотронного мазера были заложены в работах одного из авторов данной статьи и его коллег (см. монографию [4]) и получили дальнейшее развитие при выполнении грантов РФФИ. Действие подобного мазера основано на циклотронном резонансе вращающегося в магнитном поле электрона с волной, когда частота вращения wH совпадает с частотой волны w' в системе координат, движущейся вместе с электроном вдоль магнитного поля.

В лабораторной системе координат эта частота равна

w' = wH + (kv|| ), (3)

где k - волновой вектор, v|| - компонента скорости электрона вдоль магнитного поля.

Инверсия населенностей по поперечным скоростям частиц радиационного пояса дает начало циклотронной неустойчивости, в результате которой малые возмущения электромагнитного поля на частоте (3) начинают экспоненциально нарастать. В пределах длины магнитной силовой трубки неустойчивость носит конвективный характер: волновой пакет свистовых (или альвеновских) волн распространяется вдоль магнитной силовой линии, усиливаясь из-за эффектов циклотронной неустойчивости в экваториальной области, где сосредоточены частицы радиационного пояса. Положительная обратная связь обеспечивается частичным отражением волн от ионосферных зеркал. Порог генерации достигается при балансе усиления волн и потерь, который записывается в виде

G = |lnR|, (4)

где потери характеризует R - коэффициент отражения волн от ионосферы, а усиление - G = gtg - логарифмическое усиление волн при однократном прохождении радиационного пояса [4]. Здесь g = (nРП / nX)wH - характерный инкремент циклотронной неустойчивости, wHL - гирочастота в экваториальном сечении магнитной силовой трубки, tg - время группового распространения волн между зеркалами. Порог преодолевается, когда начинают действовать источники частиц в радиационном поясе, приводящие к росту nРП; после этого интенсивность волн стремительно нарастает. Время нарастания определяется величиной, обратной инкременту неустойчивости g, и в случае электронного радиационного пояса составляет доли секунд. Излучая, частицы теряют свою поперечную энергию, которая частично переходит в энергию продольного движения. Вследствие этого уменьшается питч-угол излучающих частиц q, из-за чего они начинают поступать в конус потерь - тем быстрее, чем интенсивнее поставляются новые частицы в радиационный пояс.

В итоге концентрация частиц там стабилизируется в среднем на уровне, соответствующем порогу генерации (4). Излишки частиц высоких энергий высыпаются в плотные слои атмосферы, обеспечивая тем самым передачу энергии от радиационного пояса верхней атмосфере. Какова же реальная динамика волн и частиц в космическом циклотронном мазере?

Наличие фоновой холодной плазмы не единственное отличие мазера, функционирующего в магнитосферах планет и звезд, от его лабораторного аналога. К нему добавляются сильная неоднородность магнитного поля, постоянно действующие источники, которые поставляют частицы в широком интервале энергий и питч-углов. Эти факторы определяют и особенности математического описания процессов. Широкое применение здесь получила известная в физике плазмы квазилинейная теория взаимодействия волн и частиц. Так, она достаточно хорошо подходит для описания взаимодействия широкополосных КНЧ и ОНЧ излучений с электронами радиационного пояса. В нашем случае эта теория учитывает два основных физических процесса: во-первых, диффузионное изменение питч-угла частицы q и ее попадание по данной причине в конус потерь и, во-вторых, самосогласованное изменение разности населенностей, влияющее на генерацию волн. Простейший вариант оказывается близким к двухуровневому приближению в теории оптических квантовых генераторов. Таким образом удалось объяснить целый ряд наблюдательных фактов, касающихся электронных радиационных поясов и КНЧ-ОНЧ излучений [4]. Среди них - стационарные и квазипериодические режимы высыпаний электронов радиационных поясов в ионосферу и сопутствующие им КНЧ-ОНЧ шипения (рис. 2, а, б). Остановимся на них чуть подробнее.

Полярные сияния и другие всплески

О полярных сияниях в виде пульсирующих пятен на небе авроральных широт слышали, наверно, все. Экспериментальное исследование этого интересного явления свидетельствует: оптические пульсации вызываются высыпаниями электронов высоких энергий (~10-40 кэВ) в верхнюю атмосферу. Географически они тесно привязаны к основанию вытянутого вдоль магнитного поля волокна с повышенной плотностью холодной плазмы. Пульсации непосредственно коррелируют со всплесками электромагнитных КНЧ излучений. Детальный теоретический анализ показал, что весь комплекс явлений обязан своим происхождением функционированию космического циклотронного мазера внутри волокна. Последнее играет роль высокодобротной электродинамической замедляющей системы, резко усиливающей эффекты циклотронного взаимодействия электронов радиационных поясов со свистовыми волнами. Источником активного вещества здесь служат электроны, которые ускоряются во время магнитных бурь на ночной стороне магнитосферы и затем в процессе магнитного дрейфа на утреннюю сторону пересекают волокна плотной холодной плазмы. Схема такого генератора (его естественно назвать проточным циклотронным мазером), изображена на рис.3 [5]. Пульсации высыпаний электронов, вызывающие всплески оптического свечения атмосферы, обусловлены автоколебательным режимом работы мазера. Расчет этого режима надо вести уже в рамках более сложной модели, чтобы учесть нелинейный рост числа осцилляторов, участвующих в генерации волн [5].

Рис. 3. Схема работы проточного космического циклотронного мазера. Электроны высоких энергий с инверсией населенностей входят в процессе магнитного дрейфа в область генерации (внутри волокна повышенной плотности). “Отработанные” электроны (без инверсии) выходят через противоположную стенку волокна.

До сих пор мы полагали, что прозрачность ионосферных зеркал остается постоянной. На самом деле под действием потоков высыпающихся через “конус потерь” частиц высоких энергий происходит дополнительная ионизация ионосферы и ее прозрачность изменяется. Роль подобных эффектов особенно велика в случае ионного (протонного) космического циклотронного мазера, поскольку длина возбуждаемых в нем волн сравнима с толщиной ионосферы. При этом коэффициент отражения альвеновских волн от ионосферы R(w) как функция частоты носит ярко выраженный резонансный характер: на рис. 4 приведен пример такой зависимости для средних параметров ионосферы [4]. Там же изображена линия усиления Г(w) = gtg для протонного мазера. Генерация будет происходить в узкой полосе вблизи частоты, где полное усиление G(w)–|lnR(w)| максимально. Возникающая в процессе развития циклотронной неустойчивости дополнительная ионизация ионосферы приводит к смещению кривой R(w) относительно линии G(w), а следовательно, к перестройке частоты генерации w(t).