Генерация радиоизлучения X1-моды на мазерном циклотронном резонансе в неоднородной космической плазме тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

Введение

1 Теория генерации радиоизлучения в неоднородной плазме на мазерном циклотронном резонансе

1.1 Распространение электромагнитных волн в неоднородной плазме.

1.1.1 Общие уравнения распространения в случае стационарной среды.

1.1.2 Распространение излучения Х1-моды в случае стационарной среды

1.1.3 Распространение излучения Х1-моды в случае нестационарной среды.

1.2 Мазерный циклотронный резонанс в однородной плазме

1.2.1 Условия генерации и инкремент электромагнитных волн

1.2.2 Квазилинейная релаксация электронного пучка

1.2.3 Модельные функции распределения электронов

1.3 Мазерный циклотронный резонанс в неоднородной плазме

1.3.1 Определение длительности усиления электромагнитных волн.

1.3.2 Влияние мелкомасштабной неоднородности плазмы

1.3.3 Определение размеров области генерации излучения

2 Генерация солнечных миллисекундных спайков

2.1 Миллисекундные спайки как тип солнечного спорадического радиоизлучения

2.1.1 Экспериментальные данные о спайках.

2.1.2 Подходы к интерпретации спайков.

2.2 Неустойчивость и стабилизация электронных пучков в солнечной короне.

2.2.1 Стабилизация неустойчивого электронного распределения неоднородностью магнитного поля.

2.2.2 Срыв стабилизации за счет мелкомасштабной неоднородности плазмы.

2.2.3 Сценарий генерации спайков в неоднородной плазме

2.3 Диагностика параметров солнечной короны по радиоизлучению

2.3.1 Релаксация электронных пучков в короне

2.3.2 Определение параметров неоднородностей магнитного поля и плазмы.

2.3.3 Моделирование динамического спектра спайка

3 Генерация радиоизлучения планет солнечной системы

3.1 Авроральное радиоизлучение магнитосфер планет.

3.2 Диагностика параметров магнитосфер Земли, Сатурна, Урана, Нептуна по радиоизлучению.

3.2.1 Физические условия в области генерации радиоизлучения

3.2.2 Определение параметров электронных пучков и неоднородности плазмы.

Радиоизлучение космических объектов является одним из важнейших источников информации о параметрах космической плазмы и протекающих в ней процессах. Если в магнитосфере Земли непосредственные спутниковые измерения проводились неоднократно, то о свойствах магнитосфер других планет известно гораздо меньше, а непосредственные измерения параметров солнечной короны вряд ли будут возможны в обозримом будущем. Поэтому весьма важной задачей для теоретиков является установление связи между параметрами космического радиоизлучения и физическими условиями в областях его генерации.

Одним из самых распространенных механизмов генерации радиоизлучения, характерным для самых разных объектов, является мазерный циклотронный резонанс (МЦР). Данный механизм привлек широкое внимание исследователей после использования его для интерпретации аврорального километрового радиоизлучения Земли [1]. Скорее всего, МЦР ответствен и за генерацию наиболее интенсивных составляющих радиоизлучения других планет солнечной системы — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна [2]. МЦР считается одним из наиболее вероятных механизмов генерации солнечных миллисекундных радиоспайков и аналогичных видов радиоизлучения других звезд [3].

При МЦР происходит непосредственная (и весьма эффективная) трансформация энергии неустойчивого распределения электронов в радиоизлучение, поэтому данный процесс может обеспечить высокую яркостную температуру и малые характерные времена радиовсплесков. Для МЦР характерны высокая круговая поляризация и узкая спектральная полоса излучения. Частота излучения близка к электронной циклотронной частоте в источнике или к ее гармоникам.

Первоначально МЦР рассматривался в приближении локально однородной плазмы. Основное внимание при этом уделялось вычислению инкрементов радиоизлучения на МЦР и исследованию совместной эволюции электромагнитных волн и неустойчивого распределения электронов [4, 5, 6, 7, 8, 9]. Интенсивность излучения в этом случае ограничена только процессами квазилинейной (или нелинейной) релаксации неустойчивого электронного распределения.

Влияние неоднородностей магнитного поля и плазмы на процесс генерации радиоизлучения на МЦР изучено пока недостаточно, особенно это касается генерации радиоизлучения в солнечной короне. В существующих работах на эту тему отмечается ряд качественно новых особенностей, которые возникают при учете влияния неоднородностей среды. Так, в частности, продольный градиент магнитного поля необходим для формирования конуса потерь — распределения электронов, которое чаще всего рассматривается в качестве источника солнечных радиовсплесков. В работе [10] предлагается модель генерации солнечных радиоспайков, согласно которой мелкомасштабная неоднородность магнитного поля в короне приводит к формированию множества локальных магнитных ловушек, в каждой из которых формируется неустойчивое распределение электронов, что и приводит к генерации всплесков радиоизлучения. В работе [11] отмечается, что мелкомасштабная неоднородность магнитного поля существенно ограничивает пространственные размеры источника излучения, тем самым уменьшая эффективность МЦР. В то же время, мелкомасштабная неоднородность магнитного поля вне источника излучения (на пути его распространения) приводит к уменьшению коэффициента поглощения излучения; данный эффект весьма важен при рассмотрении выхода радиоизлучения из солнечной короны. В работе [12] исследуется влияние неоднородностей магнитного поля на форму спектральных линий генерируемого на МЦР радиоизлучения.

Однако, по мнению автора, основным эффектом, влияющим на генерацию излучения на МЦР в неоднородной среде, является движение электромагнитных волн в пространстве волновых векторов. Под влиянием неоднородностей магнитного поля и плотности плазмы волновой вектор изменяется как по абсолютной величине, так и по направлению, в результате чего волна выходит из резонанса с электронами. Именно этот эффект ограничивает эффективность МЦР в земной магнитосфере [13, 14, 15, 16] и определяет основные особенности аврорального километрового радиоизлучения Земли.

В.Г. Власовым был предложен метод оценки влияния неоднородностей среды, основанный на понятии времени резонанса и использовании уравнений Гамильтона [15, 16]. Данный метод позволил объяснить дискретную структуру спектра аврорального километрового радиоизлучения Земли. Как оказалось, крупномасштабная неоднородность магнитного поля стабилизирует неустойчивые на МЦР электронные пучки в магнитосфере, позволяя им распространяться на большие расстояния. Влияние мелкомасштабной плазменной неоднородности приводит к тому, что в некоторых локальных областях стабилизация электронных пучков срывается и происходит генерация радиоизлучения, спектр которого, таким образом, является отражением структуры плазменной турбулентности.

В данной диссертационной работе проводится дальнейшее развитие указанной модели генерации радиоизлучения и применение ее для интерпретации солнечных миллисекундных радиоспайков и радиоизлучения магнитосфер планет (не только Земли). При этом основной задачей является разработка (и использование) методов диагностики физических условий в источниках данных видов космического радиоизлучения.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Заключение

Основными задачами диссертационной работы было дальнейшее развитие теории генерации радиоизлучения на мазерном циклотронном резонансе в неоднородной плазме и применение этой теории для интерпретации солнечных миллисекундных радиоспайков и аврорального радиоизлучения Земли, Сатурна, Урана, Нептуна (и диагностики параметров источников этих видов космического радиоизлучения). Указанная теория была дополнена следующими результатами: а) Получены уравнения, описывающие процесс генерации излучения в нестационарной среде. б) Разработана компьютерная модель процесса генерации радиоизлучения в неоднородной среде; показано соответствие полученных ранее аналитических оценок длительности усиления электромагнитных волн результатам численного моделирования. в) Получены оценки эффективности трансформации энергии электронных пучков в радиоизлучение.

Применение теоретических положений для интерпретации космического радиоизлучения позволило получить следующие результаты: а) Предложен и обоснован сценарий генерации солнечных миллисекундных радиоспайков, учитывающий влияние крупномасштабной неоднородности магнитного поля и мелкомасштабной неоднородности плазмы. б) Получены допустимые интервалы параметров неоднородностей магнитного поля и плотности плазмы, параметров неустойчивых электронных

96 пучков в областях генерации солнечных миллисекундных радиоспайков (на примере экспериментальных данных). в) Получены допустимые интервалы параметров неустойчивых электронных пучков и оценки параметров плазменной турбулентности в авро-ральных областях магнитосфер планет солнечной системы.

1. Wu, C.S., and Lee, L.C., A theory of the terrestrial kilometric radiation, Astrophys. J., 1979, 230, 621.

2. Zarka, P., The auroral radio emissions from planetary magnetospheres: what do we know, what don't we know, what do we learn from them? Adv. Space Res., 1992, 12, (8)99.

3. Melrose, D.B., and Dulk, G.A., Electron-cyclotron masers as the source of certain solar and stellar radio bursts, Astrophys. J., 1982, 259, 844.

4. Sharma, R.R., Vlahos, L., and Papadopoulos, K., The importance of plasma effects on electron-cyclotron maser-emission from flaring loops, Astron. Astrophys., 1982, 112, 377.

5. Sharma, R.R., and Vlahos, L., Comparative study of the loss cone-driven instabilities in the low solar corona, Astrophys. J., 1984, 280, 405.

6. Aschwanden, M.J., The saturation of the electron-cyclotron maser instability and the interpretation of solar millisecond spikes, Astron. Astrophys 1990, 237, 512.

7. Aschwanden, M.J., Relaxation of the loss-cone by the quasi-linear diffusion of the electron-cyclotron maser instability in the solar corona, Astron. Astrophys. Suppl. Ser., 1990, 85, 1141.

8. Fleishman, G.D., Nonlinear treatment for solar radio spikes. I. Basic equations, Solar Phys., 1994, 153, 367.

9. Fleishman, G.D. and Yastrebov, S.G., Nonlinear treatment for solar radio spikes. II. The fastest growing mode, Solar Phys., 1994, 153, 389.

10. Флейшман Г.Д., Мельников В.Ф., Солнечные миллисекундные радиоспайки, УФЕ, 1998, 168, 1265.

11. Robinson, P.A., Effects of turbulence on the electron cyclotron-maser mechanism for solar microwave spike bursts, Solar Phys., 1991, 136, 343.

12. Платонов К.Ю., Флейшман Г.Д., Уширение спектральных линий циклотронного мазерного излучения в неоднородном магнитном поле, А Ж, 2001, 78, 238.

13. Le Queau, D., Pellat, R., and Roux, A., The maser cyclotron instability in an inhomogeneous meduim: application to the generation of the auroral kilometric radiation, Ann. Geophys., 1985, 3, 273.

14. Zarka, P., Le Queau, D., and Roux, A., The maser synchrotron instability in an inhomogeneous medium: determination of the spectral intensity of auroral kilometric radiation, J. Geophys. Res., 1986, 91, 13542.

15. Vlasov, V.G., X-mode generation mechanism of the auroral kilometric radiation in the inhomogeneous plasma, Planet. Space Sci., 1991, 39, 1223.

16. Власов В.Г., Генерация аврорального километрового радиоизлучения на мазерном циклотронном резонансе, Физика плазмы, 1991, 17, 165.

17. Кузнецов А.А., Власов В.Г., Влияние неоднородностей магнитного поля и плотности плазмы на распространение и усиление радиоизлучения в солнечной короне, Изв. Вузов. Сер. Радиофизика, 2002.

18. Vlasov, V.G., Kuznetsov, A.A., and Altyntsev, A.T., The maser mechanism for solar millisecond spike generation in inhomogeneous plasma, Astron. Astrophys., 2002, 382, 1061.

19. Кузнецов A.A., Власов В.Г., Солнечные миллисекундные спайки как отражение крупно- и мелкомасштабных неоднородностей корональной плазмы, Электронный журнал "Исследовано в России", 2002, N20, 212, http://zhurnal.аре.relarn.ru/articles/2002/020.pdf

20. Кузнецов A.A., Власов В.Г., Влияние неоднородностей магнитного поля и плотности плазмы на распространение и усиление радиоизлучения в солнечной короне, Тез. докл.: Байкальская школа по фундаментальной физике, Иркутск, 2001, с. 39.

21. Кузнецов A.A., Власов В.Г., Моделирование миллисекундных радиовсплесков в солнечной короне, Тез. докл.: Всероссийская конференция по физике солнечно-земных связей, Иркутск, 2001, с. 34.

22. Власов В.Г., Кузнецов A.A., Алтынцев А.Т., Моделирование миллисекундных радиовсплесков в солнечной короне, Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, Новосибирск, 2002, 114.

23. Власов В.Г., Алтынцев А.Т., Кузнецов A.A., Генерация солнечных спайков на мазерном циклотронном резонансе в неоднородной плазме, Препринт ИСЗФ СО РАН N 1-99, Иркутск, 1999, 14 с.

24. Власов В.Г., Кузнецов A.A., Влияние неоднородностей солнечной короны на генерацию дециметровых спайков на мазерном циклотронном резонансе, Вестник/Научный журнал, Иркутск, Изд-во ИрГТУ, 2000, 8, 134.

25. Власов В.Г., Кузнецов A.A., Алтынцев А.Т., Мазерное циклотронное излучение в неоднородной плазме солнечной короны, Исследования погеомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, Новосибирск, 2001, 113, 141.

26. Kuznetsov, A.A., and Vlasov, V.G., Generation of planetary auroral radioemission in the inhomogeneous plasma, "Physics of Auroral Phenomena", Proc XIX Annual Seminar, Apatity, 1996, p. 77.

27. Kuznetsov, A.A., and Vlasov, V.G., On generation of auroral radio emission in the inhomogeneous planetary ionospheres, Тез. докл.: Физика авроральных явлений, Апатиты, 1996, с. 40.

28. Власов В.Г., Кузнецов А.А., Авроральное радиоизлучение как средство диагностики высокоширотных ионосфер, Астрономический Вестник, 1997, 31, 232.

29. Vlasov, V.G., and Kuznetsov, A.A., Auroral radio emission as a means for diagnostics of high-latitude ionospheres, Solar System Research, 1997, 3, 207.

30. Wu, C.S., Tsai, S.T., Xu, M.J., and Shen, J.W., Saturation and energy-conversion efficiency of auroral kilometric radiation, Astrophys. J., 1981, 248, 384.

31. Li, H.-W., The saturation of electron-cyclotron maser and the time profile of emitted spikes, Solar Phys., 1987, 111, 167.

32. Li, H.G., Effects of the distribution function of non-thermal electrons and of cyclotron resonant absorption on millisecond radio spikes, Solar Phys., 1987, 114, 363.

33. Wu, C.S., Steinolfson, R.S., and Zhou, G.C., The synchrotron-maser theory of type II solar radio emission processes: the physical model and generation mechanism, Astrophys. J., 1986, 309, 392.

34. Benz, A.O., Millisecond radio spikes, Solar Phys., 1986, 104, 99.

35. Benz, A.O., Su, H., Magun, A., and Stehling, W., Millisecond microwave spikes at 8 GHz during solar flares, Astron. Astrophys. Suppl. Ser., 1992, 93, 539.

36. Csillaghy, A., and Benz, A.O., The bandwidth of millisecond radio spikes in solar flares, Astron. Astrophys., 1993, 274, 487.

37. Messmer, P., and Benz, A.O., The minimum bandwidth of narrowband spikes in solar flare decimetric radio waves, Astron. Astrophys., 2000, 354, 287.

38. Isliker, H., and Benz, A.O., Catalogue of 1-3 GHz solar flare radio emission, Astron. Astrophys. Suppl. Ser., 1994, 104, 145.

39. Aschwanden, M.J., and Giidel, M., The coevolution of decimetric millisecond spikes and hard X-ray emission during solar flares, Astrophys. J., 1992, 401, 736.

40. Isliker, H., and Benz, A.O., Non-linear properties of the dynamics of bursts and flares in the solar and stellar coronae, Astron. Astrophys1994, 285, 663.

41. Benz, A.O., Csillaghy, A., and Aschwanden, M.J., Metric spikes and electron acceleration in the solar corona, Astron. Astrophys., 1996, 309, 291.

42. Giidel, M., and Benz, A.O., Time profiles of solar radio spikes, Astron. Astrophys., 1990, 231, 202.

43. Altyntsev, A.T., Grechnev, V.V., Konovalov, S.K., Lesovoi, S.V., Lisysian, E.G., Treskov, T.A., Rosenraukh, Yu.M., and Magun, A., On the apparent size of solar microwave spike sources, Astrophys. /., 1996, 469, 976.

44. Krucker, S., and Benz, A.O., The frequency ratio of bands of microwave spikes during solar flares, Astron. Astrophys., 1994, 285, 1038.

45. Giidel, M., and Zlobec, P., Polarization and emission mode of solar radio spikes, Astron. Astrophys., 1991, 245, 299.

46. Giidel, M., Aschwanden, M.J., and Benz, A.O., The association of solar millisecond radio spikes with hard X-ray emission, Astron. Astrophys., 1991, 251, 285.

47. Bastian, T.S., Benz, A.O., and Gary, D.E., Radio emission from solar flares, Annu. Rev. Astron. Astrophys., 1998, 36, 131.

48. Robinson, P. A., Electron-cyclotron maser emission in solar microwave spike bursts, Solar Phys., 1991, 134, 299.

49. Zaitsev, V.V., and Stepanov, A.V., The plasma radiation of flare kernels, Solar Phys., 1983, 88, 297.

50. Willes, A.J., and Robinson, P.A., Electron-cyclotron maser theory for noninteger ratio emission frequencies in solar microwave spike bursts, Astrophys. J., 1996, 467, 465.

51. Krucker, S., Aschwanden, M.J., Bastian, T.S., and Benz, A.O., First VLA observations of a solar narrowband, millisecond spike event, Astron. Astrophys., 1995, 302, 551.

52. Melrose, D.B., and Dulk, G.A., Radio wave heating of the corona and electron precipitation during flares, Astrophys. J., 1982, 259, L41.

53. McKean, M.E., Winglee, R.M., and Dulk, G.A., Propagation and absorption of electron-cyclotron maser radiation during solar flares, Solar Phys., 1989, 122, 53.

54. Gurnett, D.A., The Earth as a radio source: Terrestrial kilometric radiation, J. Geophys. Res., 1974, 79, 4227.

55. Benson, R.F., and Calvert, W., ISIS-1 observations at the source of auroral kilometric radiation, Geophys. Res. Lett., 1979, 6, 479.

56. Roux, A., Hilgers, A., de Feraudy, H., Le Quéau, D., Louarn, P., Perraut, S., Bahnsen, A., Jespersen, M., and Ungstrup, E., Auroral kilometric radiation sources: in situ and remote observations from Viking, J. Geophys. Res., 1993, 98, 11657.

57. Louarn, P., and Le Quéau, D., Generation of the Auroral Kilometric Radiation in plasma cavities — I. Experimental study, Planet. Space Sci., 1996, 44, 199.

58. Melrose, D.B., Rônnmark, K.G., and Hewitt, R.G., Terrestrial kilometric radiation: The cyclotron theory, J. Geophys. Res., 1982, 87, 5140.

59. Le Quéau, D., Pellat, R., and Roux, A., Direct generation of the auroral kilometric radiation by the maser synchrotron instability: Physical discussion of the mechanism and parametric study, J. Geophys. Res., 1984, 89, 2841.

60. Le Quéau, D., Pellat, R., and Roux, A., Direct generation of the auroral kilometric radiation by the maser synchrotron instability: An analytical approach, Phys. Fluids, 1984, 27, 247.

61. Galopeau, P., Zarka, P., and Le Quéau, D., Theoretical model of Saturn's kilometric radiation spectrum, J. Geophys. Res., 1989, 94, 8739.

62. Ness, N.F., Acuña, M.H, Behannon, K.W., Burlaga, L.F., Connerney, J.E.P, Lepping, R.P., and Neubauer, F.M., Magnetic fields at Uranus, Science1986, 233, 85.

63. Ness, N.F., Acuña, M.H, Behannon, K.W., Burlaga, L.F., Connerney, J.E.P, Lepping, R.P., and Neubauer, F.M., Magnetic fields at Neptune, Science., 1989, 246, 1473.

64. Farrell, W.M., Decsh, M.D., and Kaiser, M.L., Evidence of auroral plasma cavities at Uranus and Neptune from radio bursts observations, J. Geophys. Res., 1991, 96, 19049.

65. Kelley, M.C., and Kintner, P.M., Evidence for two-dimensional inertial turbulence in a cosmic-scale low-(3 plasma, Astrophys. J., 1978, 220, 339.

66. Louarn, P., Roux, A., de Féraudy, H., and Le Quéau, D., Trapped electrons as a free energy source for the auroral kilometric radiation, J. Geophys. Res., 1990, 95, 5983.

67. Louarn, P., and Le Quéau, D., Generation of the Auroral Kilometric Radiation in plasma cavities — II. The cyclotron maser instability in small size sources, Planet. Space Sci., 1996, 44, 211.

68. Hilgers, A., Roux, A., and Lundin, R., Characteristics of AKR sourses: a statistical description, Geophys. Res. Lett., 1991, 18, 1493.