Исследование взаимодействия межзвездных атомов и галактических космических лучей с газодинамической структурой гелиосферы тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

I' 1 V и

\ 7 ФЕВ 1397

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

Измоденов Владислав Валерьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖЗВЕЗДНЫХ АТОМОВ И ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ С ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ ГЕЛИОСФЕРЫ

01.02.05 — Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 1997

Работа выполнена на кафедре аэромеханики и газовой динамики механико-математического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

Научный руководитель —

доктор физико-математических наук, профессор В.Б. Баранов

Официальные оппоненты —

доктор физико-математических наук, профессор Е.А. Пушкарь

кандидат физико-математических наук, ст. науч. сотр. М.Г. Лебедев

Ведущая организация

— Физический институт РАН

Защита диссертации состоится " ^ "_</!¿¿А^ -1997 г. в

И.ХО у на заседании диссертационного совета Д.053.05.02 при Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, Москва, Воробьевы горы, МГУ, механико-математический факультет, ауд. 16-24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке механико-математического факультета МГУ (14 этаж).

Автореферат разослан "

3

1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.053.05.02 при МГУ, доктор физико-математических наук, профессор

•-у-Л . В.П. Карликов

К1,—/.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из актуальных задач настоящего и будущего в физике космической плазмы является наиболее полное описание области взаимодействия солнечного ветра с локальной межзвездной средой и физических явлений, происходящих в этой области. Интерес к этой проблеме постоянно растет благодаря проводящимся в настоящее время экспериментам на космических аппаратах Voyager 1, Voyager 2, Pioneer 10, Pioneer 11, Ulysses, SOHO и др.

Исследования последних двух десятилетий показали, что локальная межзвездная среда (ЛМС) является частично ионизованной плазмой, которая движется относительно Солнца. Плазменная компонента ЛМС, взаимодействуя с солнечным ветром, образует газодинамическую структуру этого взаимодействия. В случае, когда набегающая ЛМС является сверхзвуковой, образуется структура с двумя ударными волнами и контактным разрывом (гелиосферный интерфейс). Благодаря высокому сечению перезарядки на протонах атомы межзвездного водорода оказывают сильное влияние на положение поверхностей разрыва и газодинамическое течение. Другие межзвездные атомы не оказывают заметного влияния на гелиосферный интерфейс благодаря их низкому космическому содержанию, но могут глубоко проникать внутрь гелиосферы, так как их длина свободного пробега сопоставима с размерами интерфейса. Параметры межзвездных атомов, имеющих большое сечение перезарядки на протонах, будут возмущаться в гелиосферном интерфейсе и иметь внутри гелиосферы значения, отличные от невозмущенных значений в ЛМС. Межзвездные нейтралы, проникающие в гелиосферу, могут ионизироваться благодаря процессам фотоионизации у перезарядки на протонах. Вновь ионизированные атомы немедленно захватываются солнечным ветром (захваченные ионы), часть из которых затем ускоряется до высоких энергий, образуя аномальную компоненту космических лучей (АКЛ).

Наряду с нейтральной и плазменной компонентой в ЛМС присутствуют и галактические космические лучи (ГКЛ), параметры

которых подвергаются изменению (модуляции) в гелносферном интерфейсе и которые сами могут оказывать влияние на гелио-сферный интерфейс.

В настоящее время проводится множество экспериментов по изучению межзвездных атомов, захваченных ионов, галактических космических лучен и аномальной компоненты космических лучен. Интерпретация этих экспериментов на основе теоретических моделей может дать дополнительную информацию как о параметрах ЛМС, так и о структуре гелносферного интерфейса. Теоретическое исследование и компьютерное моделирование физических процессов в гелиосфере позволяют прогнозировать и предсказывать результаты экспериментов. Поэтому построение теоретических моделей, численное моделирование проникновения межзвездных атомов и ГКЛ в гелиосферу на основе адекватной модели гелносферного интерфейса, исследование дальнейшей эволюции межзвездных атомов внутри гелиосферы представляют собой актуальные задачи. Этим задачам посвящена настоящая диссертация.

Целью диссертации является численное моделирование проникновения межзвездных атомов и галактических космических лучей внутрь гелиосферы на основе модели сверхзвукового обтекания солнечного ветра двухкомпонентной (плазма и Н атомы) локальной межзвездной средой (Баранов и Малама, 1993) и изучение дальнейшей эволюции межзвездных атомов по мере их проникновения в гелиосферу. Полученные результаты сравнивались с экспериментальными данными.

Научная новизна. В диссертации впервые получено распределение межзвездного нейтрального кислорода в околосолнечном пространстве на основе модели сверхзвукового обтекания солнечного ветра двухкомпонентной ЛМС (далее, модель Баранова-Маламы или, сокращенно, БМ-модель);

- впервые получены распределения источников захваченных ионов внутри гелиосферы на основе БМ-модели, которые являются основой для построения дальнейших моделей эволюции захваченных ионов и моделей образования АКЛ;

- впервые на основе расчета распределений источников захвачен-

ных ионов и при учете ускорения захваченных ионов на альф-веновских и крупномасштабных неоднородностях солнечного ветра получены спектры захваченных ионов H и Не на различных гелиоцентрических расстояниях;

- впервые на основе БМ-модели исследовано проникновение ГКЛ внутрь гелиосферы в гидродинамическом приближении при различных коэффициентах диффузии;

- проведена оценка возможного влияния ГКЛ на область взаимодействия ЛМС с солнечным ветром.

Практическая ценность. Результаты работы могут быть использованы при интерпретации большого количества имеющихся наблюдательных данных по рассеянному солнечному излучению в резонансной линии кислорода, захваченных ионов, АКЛ и ГКЛ. Кроме того, интерпретация экспериментов, проводящихся в настоящее время на космических аппаратах Voyager 1, Voyager 2, Pioneer 10, Pioneer 11, Ulysses, SOHO, на основе полученных расчетов может служить стимулом для построения более полных моделей гелиосферного интерфейса.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на семинарах лаборатории физической газовой динамики ИПМ РАН под руководством проф. Баранова В.Б. и на семинаре кафедры аэромеханики и газовой динамики МГУ. Отдельные результаты работы докладывались автором на Международных научных конференциях COS PAR (Birminghem, England, 1996) и URSI (Lille, France, 1996).

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ. 2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении отмечается актуальность изучаемых в работе проблем, дается обзор литературы, относящейся к теме диссертации. Формулируются задачи исследования и изложено краткое содержание работы по главам.

В §1 главы 1 настоящей диссертации приведена общая постановка задачи о многокомпонентных течениях, в которых только одна компонента описывается гидродинамически. '

В п.1 §2 главы 1 дан краткий исторический обзор и качественное описание взаимодействия солнечного ветра с локальной межзвездной средой (фиг.1). В п.2 §2 главы 1, носящем методический характер, приводится постановка задачи о сверхзвуковом обтекании двухкомпонентной (плазма и атомы водорода) ЛМС солнечного ветра. Описаны физические процессы, которые действуют на межзвездные атомы водорода. Приводится система уравнений Эйлера для описания плазменного течения с нсточниковыми членами, которые учитывают взаимодействие с межзвездными атомами водорода. Выписано кинетическое уравнение Больцмана для описания течения межзвездных атомов. В п.З §2 главы 1 приведены результаты численного решения поставленной в п.2 задачи, которые получены Барановым и Маламой (1993, 1995) в осесимметричном случае. Приведены значения параметров ЛМС и солнечного ветра, используемые в этих расчетах, а также формулы для сечения перезарядки (Н 4- Н+ —> Н+ + Н) и частоты фотоионизации. Подробное описание постановки задачи о взаимодействии ЛМС с солнечным ветром и результатов расчетов Баранова и Маламы (1993, 1995) связано с тем, что эти результаты будут использованы в главах 2, 3, 4 настоящей диссертации.

В главах 2, 3 используется метод Монте-Карло для решения кинетического уравнения. В §3 главы 1 на простом примере доказано, что использование метода Монте-Карло приводит к решению кинетического уравнения.

В главе 2 решается задача о проникновении межзвездных атомов кислорода в гелносферу на основе БМ-моделн. Во введении к этой главе рассматривается актуальность этой задачи. Отмечается, что задача о проникновении нейтрального кислорода важна и интересна как с экспериментальной, так и с теоретической точек зрения, так как кислород является одним из наиболее возмущаемых в гелиосферном интерфейсе элементом. §1 главы 2 приведена постановка задачи. Для описания движения межзвездных атомов используется кинетический подход. Рассмотрены физические процессы, действующие на атомы кислорода -: гравитация Солнца, фотоионнзация (О + Ь^ -> 0+ + Н),

прямая перезарядка (О + Н+ 0+ + Н), обратная перезарядка (Н + 0+ —Н++0). При описании течения ионов кислорода предполагается, что вновь созданные ионы мгновенно приобретают скорость и температуру солнечного ветра. Концентрация ионов кислорода может быть получена из уравнения неразрывности с источннковым членом, который равен числу ионов, рожденных в ед. объеме в ед. времени благодаря процессам фотоионизации и перезарядки. В §2 описан метод решения поставленной в §1 задачи. Для решения задачи поочередно решаем кинетическое уравнение Больцмана для атомов и уравнение неразрывности для ионов. Итерации продолжаем до тех пор, пока результаты предыдущей итерации не совпадут с результатами последующей.

В §3 описан метод Монте-Карло для решения кинетического уравнения Больцмана для межзвездных атомов. В п.1 §3 изложены основные принципы моделирования методом Монте- Карло. Приведена имитационная схема. В п.2 §3 изложены методы геометрического и физического (при перезарядке) расщепления траекторий в методе Монте-Карло. В §4 приведены и обсуждаются результаты расчетов. На фиг.2 показана концентрация атомов кислорода, как функция гелиоцентрического расстояния. Из фиг.2 видно, что область между головной ударной волной и гелиосферной ударной волной является своеобразным фильтром для атомов межзвездного кислорода. Фиг.2 также покалывает увеличение концентрации в области между внешней ударной волной и гелиопаузой. Сравнивая сплошные и штриховые кривые можно увидеть, что в результате процесса обратной перезарядки происходит наполнение атомами кислорода всей гелиосферы, но особенно при больших углах 9 (9 - угол, отсчитываемый от направления навстречу набегающему потоку (см. фиг.1) для областей близких к Солнцу (г < 100 а.е.). Из полученных результатов следует, что отношение концентрации атомов кислорода к концентрации атомов водорода растет внутри гелиосферы, особенно в направлении в = тг. Этот рост объясняется действием солнечной гравитации и различием в массах атомов водорода и кислорода. Получены также распределения источников ионов кислорода и их концентрации. В §5 результаты расчетов сравниваются с

экспериментальными данными н результатами, полученными на основе "классической" горячей модели (Fahr, 1971). Показано, что полученные результаты более близки к экспериментальным данным, чем результаты "горячей" модели. В §6 приведены выводы из результатов расчетов и сравнения с экспериментальными данными.

Глава 3 посвящена исследованию проблемы происхождения к эволюции захваченных ионов в гелносфере. Во введении к главе изложена, принятая в настоящее время, модель образования аномальной компоненты космических лучей. Дается краткий обзор литературы. §1 главы 3 тесно связан с главой 2. Тем же методом Монте-Карло, что и в главе 2, вычисляются источники захваченных ионов, т.е. число ионов, образующихся из межзвездных нейтралов в единицу времени в единичном объеме. Источники захваченных ионов были вычислены для межзвездных Н, Не, С, О. В §2 исследуется дальнейшая эволюция вновь образовавшихся ионов: их конвективный перенос к гелиосферной ударной волне вместе с солнечным ветром и стохастическое ускорение на альфвеновских и крупномасштабных флуктуациях солнечного ветра. Функция распределения захваченных ионов может быть найдена как решение уравнения Фоккера- Планка. В §3 полученные из расчетов энергетические спектры захваченных ионов сравниваются с результатами измерений на космических аппаратах. На фиг.З представлена фазовая плотность в пространстве скоростей ускоренных захваченных ионов водорода на расстоянии 5 а.е. и в направлении в = 110° для различных значений х-(в2 )

где х — ¡?г- — безразмерный параметр, который характеризует интенсивность альфвеновских флуктуаций. Треугольниками показаны данные, полученные на аппарате Ulysses (Gloeckler и др., 1994)'. На фиг.4 показаны энергетические спектры захваченных ионов водорода и гелия в носовой части гелиосферной ударной волны для различных значений х- Спектры гелия для лучшего сравнения умножены на 145. Из фиг.4 ясно видно, что крупномасштабные флуктуации играют доминирующую роль в ускорении захваченных ионов во внешних областях гелиосферы.

Больший уровень ускорения захваченных ионов гелия (фиг.4) по сравнению с захваченными нонами водорода является интересным результатом, имеющим предсказательный характер. В §4 сделаны выводы.

В главе 4 исследуется влияние гелиосферного интерфейса на проникновение галактических космических лучей в гелиосферу. Для описания движения космических лучен мы используем гидродинамическое приближение, вводя функцию давления ГКЛ. В §1 выписаны гидродинамическая система уравнений для плазменной компоненты с учетом влияния ГКЛ и уравнение для давления космических лучей. Приводится постановка задачи о проникновении ГКЛ в гелиосферу через гелносферный интерфейс. В §2 описан численный метод решения уравнения для функции давления космических лучей, которое является уравнением диффузионного типа. В §3 приведены результаты расчетов и выводы. Задача была решена при различных коэффициентах диффузии в диапазоне 1018 — 1022с,и2/с. Выбранный диапазон изменения коэффициента диффузии соответствует ГКЛ с энергиями меньше 1 ГэВ. На фиг.5 приведены распределения давления космических лучей в направлении навстречу набегающему потоку ЛМС при различных к = > гДе ^ ~ размерный коэффициент диффу-

зии, Не - радиус орбиты Земли, - скорость набегающего потока ЛМС. Безразмерный коэффициент диффузии изменяется в диапазоне 0.1 - 1000. Из расчетов видно, что отсутствие сферической симметрии в области взаимодействия ЛМС с солнечным ветром приводит к сильной асимметрии в распределении давления ГКЛ при малых коэффициентах диффузии. При увеличении коэффициента диффузии картина становится более симметричной. Далее проводится оценка обратного влияния ГКЛ на гелносферный интерфейс. Получено, что влияние ГКЛ в некоторых областях может составлять до 50% влияния межзвездных атомов водорода.

В приложении 1 приведены выражения для весов и алгоритмы моделирования скоростей для метода Монте-Карло с расщеплением траекторий.

В приложении 2 приведены некоторые детали выбора гео-

метрических зон, критических весов в алгоритмах Монте-Карло с расщеплением траектории, а также критерии достоверности, которыми мы пользовались при проведении статистических расчетов.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в настоящей диссертации.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В главе 2 настоящей диссертации в результате численного мо-делнрованик методом Монте- Карло течения межзвездных атомов кислорода в области взаимодействия локальной межзвездной среды с солнечным ветром и внутри гелиосферы получены следующие результаты [3,5];

1. Показано, что степень проникновения атомов межзвездного кислорода имеет тот же порядок, что н для атомов водорода, п составляет около 80%.

2. Сравнение между моделями с нулевой и ненулевой плотностями нейтрального водорода в невозмущенной ЛМС показывает, что на распределение атомов кислорода очень сильно влияет процесс перезарядки между нонами кислорода и атомами водорода (обратная перезарядка). В результате большая часть атомов кислорода, заполняющих гелносферу, является вторичными атомами, получающимися в результате обратной перезарядки.

3. Одним из следствий используемой модели с двумя ударными волнами является существование максимума плотности атомов кислорода в области между внешней ударной волной и гелно-паузой ("кислородная стенка"), с плотностью выше плотности на бесконечности. »

4. Важным для интерпретации экспериментов результатом моделирования является тот факт, что при приближении к Солнцу и при больших гелиоцентрических углах происходит увеличение отношения плотности нейтрального кислорода к плотности нейтрального водорода. Этот факт является следствием различия между массами атомов водорода и кислорода.

5. Сравнение с данными наблюдений и результатами "классической" горячен модели показало, что полученные нами резуль-

таты ближе к наблюдательным данным, чем результаты горячей модели.

В главе 3 построена модель образования и начального ускорения захваченных ионов [1,2].' В результате численного моделирования получены спектры захваченных ионов водорода и гелия в различных точках гелносферы. Полученные спектры захваченных ионов водорода сравнивались с наблюдаемым в октябре 1991 г. спектром на космическом аппарате Ulyssses на расстоянии 4.5 а.е. Сравнение показало, что наблюдаемые спектры могут быть объяснены стохастическим ускорением захваченных ионов водорода как альфвеновскнмн флуктуацнями, так и крупномасштабными флуктуацнями. Показано также, что спектры ионов с энергиями до 400 кэВ и отрицательные радиальные градиенты числа этих частиц, наблюдаемые на космическом аппарате Voyager 2 на 15 а.е. и на 42 а.е., могут быть объяснены на основе представленной численной модели. Численные расчеты предсказывают значительное уменьшение величины радиальных градиентов числа захваченных ионов на расстояниях г > 60 а.е. Расчеты показывают также, что крупномасштабные неоднородности играют основную роль в образовании высокоэнергетнчных захваченных ионов вблизи гелиосферной ударной волны (до нескольких сотен кэВ), в то время как альфвеновские флуктуации существенны при начальном ускорении захваченных ионов до энергии в несколько кэВ. Интересным предсказательным результатом расчетов является также тот факт, что захваченные ноны гелия ускоряются более эффективно.

В главе 4 настоящей диссертации исследовано проникновение ГКЛ в гелносферу [4]. Для описания ГКЛ мы использовали гидродинамическое приближение. На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Структура области взаимодействия локальной межзвездной среды с солнечным ветром сильно влияет на модуляцию низ-коэнергетнчиых ГКЛ.

2. Из расчетов получено, что степень проникновения ГКЛ в гелносферу сильно зависит от коэффициента диффузии и от направления к набегающему потоку межзвездной среды.

3. Проведенные оценки показывают, что при малых коэффициентах диффузии возможно сильное влияние галактических космических лучен на структуру плазменного течения в области между гелносферной и внешней ударными волнами.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю Владимиру Борисовичу Баранову за постоянное внимание к работе, ценные советы и обсуждения. Автор благодарит также Юрия Георгиевича Маламу за огромную помощь, оказанную при освоении автором методики проведения численных расчетов методом Монте-Карло и обработки статистических результатов.

4. ПУБЛИКАЦИИ

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

[1] S.V.Chalov, H.J.Fahr, and V.Izmodenov, Spectra of energized pick-up ions upstream of the heliospheric termination shock I. The role of Alfvenic turbulence, Astron. Astrophys. 304, 609-616 (1995).

[2] S.V.Chalov, H.J.Fahr, and V.Izmodenov, Stohastic acceleration of pick-up ions by solar wind turbulences, 31th COSPAR Scientific Assembly, Birmingham , England, 14-21 July 1996, p.191.

[3] Izmodenov V., Malama Yu.G., Lallement R. Penetration of the interstellar oxygen atoms in the heliosphere through LISM-Solar Wind interface region, 31th COSPAR Scientific Assembly, Birmingham, England, 14-21 July 1996, p.194.

[4] V.Izmodenov, Penetration of the galactic cosmic rays in the heliosphere through LISM-Solar Wind interface region, 31th COSPAR Scientific Assembly, Birmingham, England, 14-21 July 1996, p.189.

[5] Izmodenov V., Malama Yu.G., Simulation of the Solar Wind interaction with the two Componentsof the Local Interstellar Medium: Plasma and H-atoms, XXVth General Assembly URSI,Lille, France, 28 Aug - 5 Sept, 1996, invited paper, p.682.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

Вагапоу, У.В. апс! Ма1аша, Уи-в. 1993, Л. СеорЬуз. Кеэ. 98 (А9), 157

Вагапоу У.В. апс! Ма1аша Уи-в., 1995, Л. СеорЬ.КеБ. V. 100 Р.755 С1оеск1ег в., Се1зз Л., НоеЫ Е.С., е!;. а1. , 1994, Л. СеорЬуэ. 11ез 99, 17637

РаЬг Н.Л., 1971, Аз1гоп. АзгорЬуэ., 14, 263

головная

Фиг.1 Качественная картина области взаимодействия солнечного венгра с локальной межзвездной средой, движущейся со сверхзвуковой скоростью относительно Солнца.

О 200 400 600 800 1000 _R (а.е.)_

Фиг. 2. Концентрация межзвездных атомов водорода как функция гелиоцентрического расстояния. Единицей измерения по оси Y здесь является величина концентрации атомов водорода в невозмущенной

ЛМС. Сплошные кривые построены для случая ПНт = 0.14 см 3,

пунктирные - для случая пНа> = 0. Второй случай рассмотрен для того, чтобы показать важную роль обратной (0++Н—>0+Н+)

71

перезарядки. Кривые 1,2,3 соответствуют углам в = О,—, Я" (см.фиг.1),

соответственно. концентрация атомов водорода в

невозмущенной ЛМС. Жирными точками отмечены положения гелиосферной ударной волны (TS), контактной поверхности (НР) и головной ударной волны (BS).

Скорость иона / Скорость солнечного ветра

Фиг.З Фазовая плотность ускоренных захваченных ионов водорода при г= 5 а. е. и полярном угле 110 для различных значений X • Кривая 1 соответствует ускорению только на альфвеновских флуктуациях и X =0,5. Для кривых 2, 3 учитывалось ускорение на крупномасштабных неоднородностях. Для кривой 2 X =0,4. Для кривой 3 х =0.5.

- безразмерный параметр, который характеризует интен-

Х В\

сивность альфвеновских флуктуации. ВБ- усредненное магнитное поле на орбите Земли, (В^ ^ - среднее от квадрата амплитуды флуктуации магнитного поля на орбите Земли.

Треугольниками показаны экспериментальные данные полученные на 4,5 а.е.

1Е-3 •

1Е-4

1Е-5-

1 Е-6 —

1 Е —7 —=

1 Е —8 -=

1Е-9 ■

1Е-10 —

1Е- 1 1 —

¡Е- 12

91 Аи

I I II I 1Н| 1Е-1 1Е+0

ТТТТТ|-1 I I I I Ш|-1 I I I 11111

1Е+1 1Е+2 1Е+5

Кинетическая энергия (кэВ/нуклон)

Фиг.4 Энергетические спектры ускоренных захваченных ионов водорода и гелия в носовой части гелиосферной ударной волны для различных значений X • Кривая 1 соответствует ускорению только на

альфвеновских флуктуациях и X = • Д™ кривых 2, 3 учитывалось ускорение на крупномасштабных необнородностях. Для кривой 2 /=0,1. Для кривой 3^ = 0,4. Значения для параметров гелия умножены на 145.

ТЭ НР вэ

Я (а. е.)

Фиг.5 Распределение давления космических лучей вдоль оси симметрии в направлении навстречу набегающему потоку (0 = 0) при разных коэффициентах диффузии. " + " - показаны положения поверхностей разрыва.