Взаимодействие электронных и протонно-водородных пучков с атмосферой земли тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГ5 О Л

<3 <,Си

На правах рукописи

ИВАНОВ Владимир Евгеньевич

взАиодаств! электронных

¡1ПРОТОШШ-ВОДОРОДНЫК ПУЧКОВ С АТМОСФЕРОЙ ЗЕМЛИ

Специальность 01.03,03. - Гелиофизика и физика солнечной системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора фгаико-математаческта наук

Онкт-Петербург 1996

Работа выполнена в Полярном геофизическом институте Кольского научного центра Российской Академии Наук

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Сергеев В.А.

доктор физико-математических наук Гальперин Ю.И.

доктор физико-математических наук Огурцов Г.Н.

Ведущая организация: Арктики и Антарктики

научно-исследовательский институт, г. Санкт-Петербург

Защита состоится "20 " <ре&раля 1997 г. в _час.

на заседании Специализированного совета по

защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: г. Санкт-Петербург, Университетская наб., д.7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " # " Ян£а/>Я 199Гг.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат физико-математических наук

Зайцева СА.

I. Общая характеристика работы

Д иссертационная работа посвящена теоретическому исследованию процессов взаимодействия электронпых и протонно-водороддых (е-р-Н) пучков с начальными энергиями больше 50эВ и 1кэВ, соответственно, с атмосферой Земли.

Актуальность проблемы. Теорешческос описание взаимодействия пучков заряженных частиц с веществом является одной го фундаментальных задач для многих областей науки и техники - ядерной фшики и фгоики элементарных частиц, радиационной фгоики твердого тела и радиобиологии, физики плазмы и астрофизики, новейших технологий и методов анализа. Одно из цетралшых мест данная задача занимает и в области физики высокоширотной ионосферы Земли. Сегодня пи у кого пе вызывает сомнения тот фахт, чго потоки авроральных электронов и протонов являются одним из основных, а в неосвещенной Солнцем ионосфере доминирующим источником, определяющим как ее структуру, так и динамику протекающих в ней фшико-химических и химических процессов.

Одним го наиболее ярких "следов" корпускулярных высыпаний в полярной ионосфере являются поляр! пле сияния, изучение которых представляет собой эффективное средство как дай исследования свойств ионосферной гошмы, так и для задач диагностики процессов, протекающих в различных областях магнитосферы.

Исследования последних лег позволяют считать, чго авроральпью корпускулярные высьшания способны оказывать влияние и на процессы, протекающие в пограничных мезосферпо-термосферпых областях.

Рассматриваемая область исследований включает в себя две крупные задачи, носяшие фундаментальный характер: а) решение задачи прохождения е-р-Н пучков через атмосферу Земли и, как следствие, количественное исследование такой структуры и механизмов формирования базовых дифференциальных и интегральных характеристик переноса; б) исследование процесса распределения кинетической энергии, запасенной в е-р-Н пучках, по уровням внутреннего возбуждения (элекгрошю-коиебательным термам) молекул, атомов, йотов возмущенной ионосферной плазмы.

Изучепие характеристик взаимодействия авроральных е-р-Н пучков с атмосферой Земгш, кроме фундаментального аспекта, имеет и большое прикладное значение. Связало это, в первую очередь, с проблемой диагностики, контроля и прогноза состояния пшярной ионосферы. Данный круг вопросов, как правило, представляет собой прямые (или обратные) задачи, решение которых базируется на больших массивах данных наземных или спутниковых измерений. Одним ю возможных путей для успешного решения этих задач является попьпка представления основных характеристик взаимодействия аврораяшых е-р-Н частиц с атмосферой

Земли в виде достаточно простых функциональных (или алгоритмических) зависимостей от начальных параметров высыпающихся пучков и основных параметров модели среды.

В настоящее время, несмотря на многолетние исследования в данной области солнечно-земной физики, в литературе существуют не только отдельные противоречия в результатах, полученных при теоретическом рассмотрении задачи прохождения е-р-Н частиц в атмосфере Земли, но и ряд нерешенных задач, решение которых, в первую очередь, требует:

- создания вычислигелыюго алгоритма для расчета характеристик переноса в 3-х мерной модели атмосферы с учетом неоднородного шпшного поля Земли, что необходимо для исследования процессов формирования альбедо-потоков и эффекте®, связанных с радиальным раснлывашем инжектированного в газ пучка заряженных частиц, в особенности для р-Н пучков;

- детального представления в вычислительной модели всего спектра возможных каналов потерь энергии, что крайне важно для: а) корректного учета дискретного характера потерь энергии в элементарных актах рассеяния, в особенности для потоков малоэнершчных (надтешювых) электронов, рожденных в среде в процессах ионизации; б) решения задачи о распределении энергии высыпающихся частиц по возбужденным термам молекул, атомов и их ионов в атмосфере Земли.

Целью данной работы является решение трех крупных проблем в области исследования процессов взаимодействия аврораяъных электронных я протонных пучков с атмосферой Земли:

1. Разработка единой трехмерной модели переноса е-р-Н пучков в атмосфере Земли и исследование в ее рамках фундаментальных транспортных характеристик и основных функционалов, связанных с прохождением е-р-Н частиц в атмосфере.

2. Исследование процесса распределения кинетической анергии, вносимой е-р-Н пучками в атмосферу Земли, по уровням внутреннего возбуждения (колебательным и электронным уровням) молекул, атомов, их ионов и продуктов диссоциации.

3. Создание эффективных вычислительных алгоритмов, устанавливающих непосредственную связь между начальными параметрами потока высыпающихся е-р-Н частиц и основными функционалами, связанными с прохождением потока е-р-Н частиц в атмосфере Земли.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

- поставлена и впервые с единых позиций решена задача переноса авроралышх е-р-Н пучков в атмосферных шах и атмосфере Земли в рамках трехмерной модели среды с учетом неоднородного магнитного поля.

- рассчитаны и исследованы зависимости интегральных характеристик переноса авроральпых е-р-Н пучков от начальных параметре« высыпающегося потока в широком диапазоне начальных энергий: а) для электронов с Еф>50эВ; б) для протолок с Е(р1кэВ.

- количественно исследована роль электронов ионизационного каскада в процессах: а) формирования характеристик диффереппналышх потоков электронов на всем пут их прохождения в атмосфере Земли; б) распределения выделившейся в атмосфере энерпш по ежктрошю-колебатеяьпым степеням свободы N2, О2, О и их иолов.

- впервые получены высопше зависимости эффективных радиусов р-Н пучков на всем пуга их прохождения в атмосфере Зеши с учетом неоднородного маппгпюго поля и проведен анализ влияния поперечного расплывания р-Н пучка на скорость новообразования и пространственное распределение атектрогшой концентрации в зоне чисто протонных высыпаний па высотах 100-200км.

- проведено количественное исследование влияния маппгпюго поля Земли на высотное распределение выделившейся в атмосфере энергия, величины альбедо-потоков для е-р-Н пучков и на эволюцию зарядового состава в р-Н пучке.

- исследован процесс распределения кинетической энергии авроральпых е-р-Н пучков по этеюрстшокшебателышм уровням атмосферных составляющих N2, Ог, О. их ионов и продукте® яиссопиащт. Сформулирована концепция дифференциальных энергетических цен ё^Е0) и впервые рассчитаны как

функции высоты и начальной энергии электронного пучка.

Достоверность полученных теоретических выводов опирается в первую очередь на детальное описание возможных канапе» дкссшаши энерпт авроральпых е-р-Н пучков в атмосфере Земли и подтверждается согласием как с результатами лабораторных эксперименте», так н е результатами измерения параметров высыпающихся е-р-Н частиц, полученными па ракетах и спутниках над областями полярных сияний.

Научная и практическая ценность работы заключается в том, что развитая в диссертации модель позволяет делать содержательные предсказания о характере и роли сталкповтелыюго эпергообмепа между потоками айроралытых е-р-Н частиц и атмосферными газами.

Полученные в работе результаты позволяют: а) установил, количественную связь между начальными параметрами электронного и прогонного пучков и основными характеристиками, описывающими их взаимодействие с атмосферой Земли; б) разработать необходимую теоретическую основу д ля диагностики начальных

параметров потоков высыпающихся частиц; в) значительно улучишь методику проведения и интерпретации результатов регистрации высыпающихся е-р-Н частиц.

Предложенный в диссертант новый метод для расчета вьюспных профилей скоростей образования N2, СЬ, О и их ионов в различньк возбужденных состояниях позволяет создать эффеюивцыс вычислительные алгоритмы для исследования кинетики физико-химических процессов в возмущенной ионосферной плазме.

На защиту выносятся

1. Трехмерная математическая модель переноса электронных и протонно-водородных пучков с начальными энергиями больше 50эВ и 1кэВ, соответственно, в атаосфере Земли с учетом неоднородного ыагнигаого поля. 2. Результаты расчета интегральных характеристик переноса е-р-Н пучков в атмосферных газах и атмосфере Земли и их зависимость от начальных энергетического и углового распределений частиц в источнике при наличии магнитного поля.

3. Теоретический анализ роли электронов ионизационного каскада в процессах формирования энергетического спектра и углового распределения потоков электронов в различньк диапазонах энерпш на всем пути их прохождения через атмосферу Земли.

4. Особенности расшшвания-фокусировкн р-Н пучков и эволюция высотного распределения зарядового состава частиц в пучке при наличии мапптшого пота Земли.

5. Функции, описывающие распределение выделившейся в газе энергии по электронным и колебательным уровням N2, СЬ, О и их ионов, дифферегщналыше энергетические цены возбуждения атмосферных газет в атмосфере Земли и результаты теоретического анализа роли электронов ионизационного каскада в формировании данных характеристик.

Реализация результатов..

Результаты работы уже использовались и могут бып> использованы в ряде научных учреждений, занимающихся разработками моделей фонового опгаческого излучения; проектированием устройств для инжекции е-р-Н частиц в околоземном космическом пространстве, и в учреждениях, исследующих физические процессы в ионосфере и магнитосфере Земли: ИКИ, ИЗМИРАН, СПгУ, ДАНИИ, ОйИЗМИР, ИКФИА, ИПГ, ПОИ, КБ "Салют".

Личный вклад автора определяется тем, чш постановка задач принадлежит автору диссертации, вклад автора в решение всех рассмотренных вопросов является основшолагаюпщм.

Апробация работы.

Результаты работ, обобщенных в диссертации, докладывались на Международной ассамблее МАГА, Ванкувер 1987г.; ца Всесоюзном семинаре по

математическому моделированию ионосферы, Ростш-на-Дону 1988г.; на Международной конференции "Оптические эмиссии средней и верхней атмосферы", Стара-Заюра 1989г.; на Европейских международных симпозиумах по исследованию атмосферы шпиескими методами, Тромсе 1991г., Кируна 1992г., Апатиты 1993г., Хельсинки 1995г.; на Европейском международном симпозиуме EUROPTO, Тромсе 1993г.; на Международной ассамблее EGS, Гренобль 1994г., а также на ежегодных всероссийских семинарах ПГИ.

Публикации, Всего по теме диссертации опубликовано 22 работы, включая 2 монографии.

Сгруетура и о&ьем диссертации. Диссертация состоит ш введешш, семи глав, заключеши, содержит 219 страшщ машинописного текста, 165 рпсупков, 56 табшщ. Список литературы состоит из 247 названий.

IL Содержание диссертации

Во введении дала краткая характеристика состояния исследования процессов взаимодействия авроральных е-р-Н частиц с атмосферой Земли; изложепа цель работы, ее актуальность и новизна. Кратко сформулированы основные защищаемые положеши.

В первой главе дана краткая характеристика параметров электронных и протонных пучков, высыпающихся в областях вькокшшрошой ионосферы Земли; приведен обзорный анализ существующих теоретических моделей для исследования характеристик переноса авроральных е-р-Н пучков в атмосферных ¡азах и в атмосфере; выделены осповные нерешенные проблемы в данной области исследований; сформулированы принципиальные преимущества, которые дает метод Монте-Карло для решения задач прохождения заряжешн>к частиц через вещество.

Вторая глава посвящена анализу и обобщению накопленного к настоящему времени экспериментального и теоретического материала, касающегося интегральных и дифференциальных сечений упругого и неупрушго рассеяпия электронов основными атмосферными газами (N2, Ог, О). На основе этих данных построен детальный набор сечегай рассеяния электронов на N2, Ог, О и получены аппроксимавдонпые выражения, дающие непрерывную энсрпгпиескую и угловую зависимость сечсний в диапазоне эпергий ог порогов возбуждения до области

асимптотического поведепня сечений и в диапазоне углов рассеяния 0 180°: Рассмотрены сечения следующих процессов: для атомарного кислорода - упругое рассеяние;

- девять ршйерговских серий (4»У,2.0,2.Р)я/25+1.£, соответствующих дшгально-разрешенным переходам;

- двадцать девяпь ридберговекнх серий (4,У,2 Д2р)л/г5+!Х, соответствующих дшкмыкккшрещешплм переходам;

- возбуждение ^ и ^ состоянш;

- суммарная ионизация с разбивкой на три канала, соответствующих 2р п уровням нона 0+;

- суммарное (полное) сечение рассеяния. для молекулярного кислорода

- упругое рассеяние;

- возбуждение колебательных уровней основного состояния;

- возбуждение А А, и

состоянии;

- возбуждение А Е^, С Аи и С I" состоянии;

- возбуждение состояний с порогами, лежащими в интервале 7.1 9.5эВ;

- возбуждение состояний с порогами, лежащими в интервале 9.7 12.1эВ;

- диссоциативное прилипание н диссоциация;

- суммарная ионизация с разбивкой на девять каналов, соответствующих возбуждению Х2П£, Я4ПЫ, А2Пи, ,1>23эВ термов иона О 2, трех канале®

диссоциативной ионизации и каналов образования О 2 и О^ ;

- суммарное (полное) сечение рассеяния.

дм молекулярного азота

- упругое рассеяние;

- возбуждение колебательных уровней основного состояния;

- возбуждение одиннадцати триплетных уровней:

А3!;, в3п,, с3 пц, е3е; , wг^u, в'3гц, в%,&пи, , М1, М2.

- суммарюе сечение возбуждения синшетных уровней с разбшкой на одиннадцать отдельных каналов:

Ь1Пи, Ь'%, с{К, е'%, с'Пц, о1Пи, е1Пи, а'%, а1 П,, IV1 Ац, а"1!;;

- суммарная ионизация с разбивкой на девять каналов, соответствующих возбуждению

х2ц, а2п2 , в2е; , , С%

, и 1>40эВ термов иона N2, каналу

диссоциативной ионизации и каналам образования ионов N2 и ;

- диссшиация;

- суммарное (полное) сечение рассеяния.

Интегральные сечения рассеяния были представлены выражениями типа:

У

о{Е) =

«о(1- ДEfE) ехр

а]С

In BE

Е

а.

14(1 пЕУ

Л=0

2Я

О £ > а0

Е3'

Е<Еп

Е>Еп

где Е равно nopoty возбуждения W, потенциалу ионизации I или пулю в случае упругого рассеяния.

Дифференциальные сечения упругого рассеяния бьем аппроксимированы выражением

\{Е, а) = t bk(E)[ 1 - cos а + 2 ,

где Ь^>0, что дало возможность использовать метод суперпозиции при моделирования

упюз рассеяния при упругих соударениях.

На основе полученных сечений рассеяния проведен анализ возможных каналов торможения аврсральных электродов при столкновигельном взаимодействии с атмосферными газами (N2, Ог, О). Показано, что основными источниками потерь ' энергии электроне» в диапазоне 10эВ 50кэВ является возбуждение колебательных и электронных степеней свободы молекул и атомов атмосферных газов.

Третья глава посвящена анализу и обобщению накопленного к настоящему времени эксперменгалытогэ и теоретического материала, касающегося интегральных и дифференциальных сечений упругого п неупругого рассеяния протонов и атомов водорода основными атмосферными газами (N2, Ог, О). На основе этих данных построен детальный набор сечений рассеяния р-Н частиц на N2, Ог, О и получепы аппроксимациопные выражения, даюшпе непрерывную энергетическую зависимость сечений в диапазоне энергий от 100эВ до области асимптотического поведения сечений.

Рассмотрены сечения следующих процессов:

- упругое рассеяние;

- шесть каналов реакций перезарядки р Н: <т10 р + Н Н+..., стм р + М -»

# + Л/->/Г+...,стш Л' + М -> #+...,

01 СГ ,

- сечения ионизации;

- сечения излучения водородных эмиссий Н ,Н ,L :

а) о{На) = ^[<7(3^) + р) + къо{М)

= «10(45) + а2о(4р) + a3o(4d)

Н + М -> р+... Н~ +М -> р+...

6) °{La) = Да(2р) + /?2O(2S), гае для расчета J32 учитывались следующие реакции:

H(2s) + N2 -> Н(2р) + N2 H(2s) + N2-»H(2j*) + NJ+e H(25) + N2->H*(m>2)+...;

- сечения возбуждеши ряда эшссий атмосферных составляющих.

На основе полученных сечений были рассчитаны функции потерь энергии для равновесных нротошо-водородных пучков в N2, Ог, О:

L(E) = X (Жнсгн/0 + Wpapfx) + 2 {(/ + (£,))<%/"(,} +

ion

гае I и (Es} - потенциал ионизации и средняя энергия вторичного электрона при ионизации молекулы (атома), (-¿^oi) " средняя энергая вторичного электрона для реакщш обдирки атома водорода, fj и {q - доля протоне® и атоме® водорода в пучке.

Используя L(E), был исследован относительный вклад различных групп столкновитеяы1ых реакщш в тормозную способность в зависимости ог энергии столкновения. Так, если для р-Н частиц с энергиями >100кэВ основными являются потери в реакциях ионизации, то на энергиях 1-100кэВ большая часть энергии идет на реакщш перезарядки и возбуждения. Потери энергии при упругих столкновениях становятся значительными лишь на энергиях меньше 1кэВ.

Четвертая глава посвящена построению математической трехмерной модели переноса электронных и протонно-водородных пучков в однокомпоненшых газовых средах (N2, Q2, О) и в атмосфере Земли с учетом неоднородного магнитного поля. В качестве вычислительного алгоритма бьвта реализована наиболее наглядная и очевидная модель для статистического моделирования переноса частиц в веществе -модель индивидуальных соударений.

При статистическом моделировании процесса переноса е-р-Н частиц большое внимание уделено построению моделирующих формул для определения длины свободного пробега, типа соударения, потерь энергии, углов рассеяштя и параметров электронов ионизационного каскада. Создание эффективных моделирующих формул дня определения углов рассеяния позволило значительно сократить время вычислений.

Отдельный параграф в данной главе посвящен моделированию в рамках разработанной модели лабораторных экспериментов, направленных па исследование характеристик переноса электронов (пространственного распределения выделившейся в поптотигеле энерпт, иптегральпых длин пробеге® и альбедо-потоков) в газовых средах. Апробация разработанной модели па результатах лабораторных экспериментов продемонстрировала адекватность теоретической модели реальному физическому процессу.

В пятой главе представлены результаты расчета и анализа фундаментальных транспортных характеристик и основных функционалов, связанных с прохождением авроральных электронов с начальными энергиями больше 50эВ в атмосферных газах и атмосфере Земли.

Исследование тонкой структуры и процесса формирования дифференциальных потоке® авроральных электронов по мере их прохождения в газовом поглотителе позволило:

- получить количественную картину заполнения энергетического спектра алектронного потока па различных глубинах проникновения в атмосферу деградировавшими первичными электронами и вторичными электронами, рожденными в процессах ионизации;

- установить наличие I слома в поведении кривой энергетического спектра в области энерпш 20-ЗСЬВ и тем самым показать, что он может являться следствием чисто столкновигельных механизмов диссипации энерпш электронного потока в газовом поглотителе.

- изучить особенности углового распределения электронного пучка на различных глубинах его проникновения в поглотитель для электронов, заполняющих различные участки энергетического интервала;

- рассчитать и проанализировать свойства функций пространственного распределения выделившейся в газе энергии, шггегралышх длин пробегов и альбедо-потоков в зависимости от начальных параметров потока авроральных электропов и сорта мишени;

- рассчитать безразмерную функцию диссипации энергии для двух типов начального угловою распределения электронов в источнике: мопопалравлешюго и изотропного, и показать, что функция диссипации в области низких начальных энергий сильно зависит ог эпергаи и становится неизменной при начальных энергиях > 5кэВ и 1кэВ для мопонаправлегоюго и изотропного угловых распределений электронов в источнике;

- изучить степень влияния диполыюго магнитного поля на характеристики переноса авроральных электронов в атмосфере.

Безразмерная функция диссипации энергии была аппроксимирована выражением

Л{Х,Е0) = [А^Ь + АЛ^ехр^з^о)/ + А4{Е0)Х],

гае - безразмерный параметр, определяющий гаубицу проникновения пучка:

х = z/R.

Средняя длина пробега была аппроксимирована выражением:

R{E0) = A,^-67(l + А2£0Аз(£о)).

Б ¡¡истой главе представлены результаты расчета и анализа фувдаметггальных транспортных характеристик и основных функционалов, связанных с прохождением авроральных р-Н пучке« с начальными энергиями больше 1кэВ в атмосферных газах и атмосфере Земли.

Рассчитаны функции пространственного распределения выделившейся в поглотителе энергии, интегральные длины пробегов, величины альбедо-потоков и исследована зависимость данных характеристик от начальной энергии частиц и характеристик углового рассеяния р-Н частиц в алеменгаршх актах рассеяния. Установлено, что нормированная функция диссипации энерши для прагонно-водородных пучков (в .отличие от электронных) испытывает сильную зависимость от начальной энерпш частиц пучка; угловое рассеяние р-Н частиц не оказывает заметного влияния па характеристики переноса р-Н пучков с начальными энергиями > 1кэВ; величины альбедо-погоков в случае отсутствия дшюлыюго магшпного поля не превышают 0.1%.

Проведено детальное исследование влияния диполыюго магнитного поля на принципиально важные для протошю-водородных пучков характеристики, а именно: формирование альбедо-погоков; поперечное расплываше пучка и эволюцию зарядового состава. Получено, что:

- величины альбедо-погоков при наличии диполыюго магнитного поля достигают величин порядка 20%;

- диапазон высот, в котором эффективный радиус р-Н пучка испьпывает быстрое уменьшение, локализован вблизи максимума высотного профиля энершвыделения;

- наличие диполыюго магнитного поля приводит к перераспределению выделенной энергии по высоте, однако, высота максимума для изотропных пучков с начальными энергиями ЫООкэВ практически (с точностью до 2км) не зависит от наличия магнитного поля;

- учет дипашюго маппгшош погм при переносе р-Н пучков в атмосфере привоют к увеличению высоты зарядового равновесия в пучке на величину порядка 20км.

Седьмая глава посвящена исследованию процесса распределения кинетической энергии авроральных злектропов и протонов в процессе столкновдгельной диссипации энергии по колебательным и электронным степеням свободы N2, Ог, О и их иолов.

Рассчитаны и проанализированы величины ^(Ед), определяющие долю

энергии, затраченную на возбуждение широкого спектра электронных состояний N2, Ог, О и их ионов как функции начальной энергии электронного пучка. Детально изучена роль электронов ионизационного каскада в процессе формирования энергетической зависимости

Рассчитана и исследована зависимость энергетических затрат на образование ионпо-эяектрошюй пары ог началыюй энергии протонов в пучке, представлен анаше возможных причин, приводящих к разногласиям в расчетах данной характеристики, получаемых другими авторами. Показано, что общий характер зависимости энергетических затрат на образование ионно-алектронной пары от началыюй энергии частиц д!н пучка протонов и злектропов в атмосферных газах не имеет принципиальных отличий. Особенностью ионизации ¡при прохождении р-Н пучков является наличие канала перезарядки, наиболее эффективного па энергиях 1-10кэВ.

Отдельный параграф посвящен исследованию поведения дифференциальных энергетических цен, определяющих средине затраты энергии на возбуждение атектрошю-колебатепьных уровней N2, Ог, О и их иолов в атмоофере Земли как функции вькоты и началыюй энерпш электронного пучка. Показано, что

энергетические цены [Ей) для началшых энертй электронов > ЗООэВ не зависят

ни от начальной энерпш, ни от Шубины проникновения электронного пучка в

атмосферу. Исключение представляют [Ей) для электронных состояний с

порогами возбуждения < 6эВ, которые демонстрируют определенную зависимость от глубины проникновения в атмосферу.

В следущем параграфе предложен и описан повый метод для эффективного расчета высотных профилей скоростей образования N2, 02, О и их ионов в

различных возбужденных состояниях Эффективность предложенного метода

состоит в том, что найден простой функционал, определяющий связь между Ш и произвольно заданной формой начального энергетического спектра электронного потока Р(ЕО). Входными параметрами функционала являются: а) рассчитанные в

данной работе дифференциальные энергетические цены . (смл7.6); б)

нормализованная функция диссипации энергии X Ей) (смл.5.1); в) форма начального энергетического спектра высыпающегося потока электронов Р(Е()); г) модель нейтральной атмосферы Земгш:

а»=Р„(*М») ]

В последнем параграфе на основе результатов статистического моделирования процесса переноса р-Н пучков построена упрощенная вычислительная модель для получения пространственного распределения скорости ионизации на высотах 100-200км по данным низковысогшых сиупшков о высыпающихся потоках протонов. Основу упрощенной модели составляет функционал, полученный для расчета высогаых профилей скоростей ишообразования:

2^7 Е,,)¥.(£,схр[ к(/,;,-) Г'

гае Ь - ширина полосы высыпаши, Р(Е(),/) - энергетический спектр высыпающихся протонов, К(Е(),г) - коэффициент, характеризующий расплывапие пучка на высоте г.

Было показано, что эффекты расшшвання-фокусировки р-Н нучка в магнитном поле оказывают принципиальное влияние на высотные профили электронной концентрации при прогонных высыланиях.

Ш. Основные результаты работы

На основе приведенного анализа можно сделать следующие выводы.

1. Создана база данных по сечениям спи пакта ггельного рассеяния электронов, прогонов и атомов водорода основными атмосферными составляющими: N2, Ог, и О. База данных включает в себя систематюировашше результаты лабораторных эксперименте» и теоретических расчетов, позволяющие детально описать каналы упругого и неупругого рассеяния е-р-Н частиц в атмосфере Земли.

2. Разработана трехмерная математическая модель для статистического моделирования (в рамках схемы индивидуальных столкновений) процесса прохождения авроральных электронов с начальными энергиями больше 5(ЪВ и прогонно-водородных пучков с начальными энергиями больше 1кэВ в атмосферных

газах п в атмосфере Земли с учетом влияпга геомагнитного паля, дискретности в

потерях энергии и углового рассеяния в интервале углов 0-18СР.

3. Рассчитаны и исследованы свойства основных функционалов, связанных с переносом авроралышх е-р-Н пучков в атмосферных газах и в атмосфере Земли, для широкого диапазона начальных энергий высыпающихся е-р-Н частиц: 50эВ-10кэВ для электронов, 1кэВ-1мэВ для протонов.

Впервые получено ^доалетшрнтеяыюе согаасие для энергетической зависимости функпии диссипации энергии, интегральных длин пробега» и полных альбедо-потоков с экспериментальными результатами.

4. Исследовано влияние мапштного поля Земли на характеристики переноса авроралыгых е-р-Н пучков в атмосфере Земли. Показало, что:

- магнитное поле оказывает, заметное влияние на угловое распределение электронного потока и, как следствие, па фактор 1.5-2 увеличивает величины полного альбедо-потока; для прогонных пучков магнитное поле является доминирующим механизмом формирования альбедо-потоков, которые для первичггьтх изотропных пучков достигают величины порядка 20 .

- дня прогонных пучков с начальным юогрошьм распределением масштабы радиального расплывания изменяется от 20 до 200км при уменьшении начальной энергии от 100кэВ до 1кэВ, в то время как для электронных пучке» они не превышают 20м для всего диапазона начальных авроралышк энергий.

- учет магнитного поля приводит к изменению высотных профилей как потока прогонов, так и потока атомов водорода, что в итоге сказывается на увеличении высота, на которой наступает зарядовое равновесие р-Н пучка, на величину порядка 20км.

5. Количественно исследована тонкая структура и основные характеристики дифференциальных потоков авроральиых электронов в атмосфере Зеши:

- впертые получено удовлетворительное согласие рассчитанных энергетических и питч-угловых распределений потока авроралышк электронов во всем диапазоне энергий к птч-упюв с результатами прямых измерений в пешрпой ионосфере;

- показало, что корректный учет столкновителыгых механизмов рассеяния приводит к формировали» характерного излома в поведении энергетического спектра в области энергий 20-30эВ, для объяснения которого ранее привлекались механизмы коллекпгвных взаимодействий.

6. Проведепо детальное исследование распределения кнпетической энерпш авроралыгых электронов в процессе сталкшвигельной диссипации энергии по колебательным и электронным степеням свобода N2, Ог, О, их ионе® и продуктов диссоциации:

- рассчитаны величины определяющие долю энергии, затраченную на

возбуждение широкого спектра электронных состояний N2, Ог, О и их ионов как фунуции начальной энергии электронного пучка;

- показано, что ^(Еф) выходят на постоянное асимптотическое значение с

увеличением эиерпш: а) для дипашто-разрепкшшх переходе» при Еф>1кэВ; б) для дшюлшо-запрещенных переходов при Е^>0.5кэВ;

7. Исследовано поведение дифференциальных энергетических цен, определяющих средние затраты энергии на возбуждение электронных термов N2, СЪ, О и их ионов в атмосфере Земли как функции высоты и начальной энергии электронного пучка.

Показано, что энергетические цены £7 (Е0) д ля начашгых энергий

болыне ЗООэВ не зависят ни от начальной энергии, ни от глубины проникновения

электронного пучка в атмосферу. Исключение представляют для

электронных термов с порогами возбуждения меньше 6эВ, которые демонстрируют опредеяеиную зависимость ог глубины проникновения.

8. Для электронных пучков предложен новый метод эффективного расчета высотных профилей скоростей образования N2, Ог, О и их ионов в различных возбужденных состояниях <2N. (Л). Эффективность предложенного метода состоит в

том, что найден простой функционал, определяющий связь между и. л- (к) И

произвольной формой начального энергетического спектра электронного потока.

Входными параметрами функционала являются: а) дифференциальные энергетические цены и нормированная функция диссипации энергии; б) энергетический спектр высыпающегося потока электронов; в) модель нейтральной атмосферы Земли.

Для протонных пучков построена эффективная вычислительная модель для расчета пространственного распределения скорости ценообразования на высотах 100200км по данным низковыссяных спутников о высыпающихся потоках протонов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Иванов ГА., Иванов В.Е. Об аналитическом представлении сечения упругого рассеяния электронов молекулярным азотом, в: Математическое моделирование комплексных процессов, Апатиты: КФАН СССР, 1982, с. 57-66.

2. Иванов ГЛ., Иванов В.Е. О моделировании углевого распределения электронов при упругом рассеяшш на N2 и Ог- в: Распространение радиоволн в возмущенной ионосфере, Апатиты: КФАН СССР, 1983, с. 113-125.

3. Иванов ГА., Иванов ВЕ. Распределение эиерпш электронов ионизационного каскада в молекулярном азоте, в: Численные модели динамических процессов, Апатиты: КФАН СССР, 1984, с. 3847.

4. Иванов ГА., Котахина АЯ., Иване® В.Е. Эффективные сечения рассеяния электронов атмосферными газами. 1. Молекулярный кислород, АпаппмКФАН СССРДГИ (Препр. 83-10-29), 1984.42 с.

5. Кириллов A.C., А.И Конахнпа, ГА Иванов, ВЕ Иванов. Эффективные сечения рассеяния электронов атмосферными газами. 2.Мшекулярный азот, АпаттпыКФАН СССРДГИ (препр.), 1984.63 с.

6. Иванов ГА., Иванов ВЕ., Кирилла? A.C., Копахина А.И. Эффективные сечения рассеяния злеетрогов атмосферными газами. ЗАтомарный кислород, АпаппмКФАН СССРЛШ(Г^епр.84Ю6-34), 1984.27 с. •

7. Иване» ГА., Иванов ВЕ. Распределение энергии электроне® ионизационного каскада в молекулярном азоте и кислороде в области энергий 0.02-10кэВ. в: Моделирование физико-химических процессов в полярной ионосфере, Апатиты: КФАН СССР, 1986, с. 75-81.

8. Ктрсшои A.C., ВЕ. Иванов, ГА. Иванов, А.И. Конахина, Процессы передачи энергии потока электронов атомам кислорода, Геомагнетизм и аэрономия, 26,93,1986.

9. Сергаенко Т.И., Г.А. Иване«, ВЕ. Иванов, A.C. Кириллов, Метод расчета скоростей образования составляющих ионосферного газа при электронном ударе, Геомагнетизм и аэрономия, 27, 948, 1987.

10. Сергаенко Т.И., ВЕ. Иванов, ГА. Иванов, Численное моделирование процесса переноса электроне« в молекулярном азоте, Геомагнетизм и аэрономия, 28, 984, 1988.

11. Юрова И.Ю., ВЕ. Иванов. Сечения рассеяния электронов атмосферными газами, Ленинград: Наука, 1989. 144 с. (монография).

12. Сергаенко Т.И., В.Е. Иванов, Перенос электронов в атмосферных шах 1. Интегральные характеристики, Геомагнетизм и аэрономия, 31,635,1991.

13. Иванов BE., Б.В. Козелов, TJt Сергиёнко. Перенос электроне» в атмосферных газах 2. Энергетические спектры, Геомагнетизм н аэрономия, 31, 643, 1991.

14. Каэелов Б.В., В.Е. Иванов, Т.И. Сершенко, Перенос ачектротов в атмосферных газах 3. Угловые распределения, Геомашетозм и аэрономия, 31, 940, 1991.

15. Иване® В.Е., Т.И. Сергаенко, Б.В. Козелов, Оценка погрешности определения профилей энерговыделения в задачах о прохождении электронов в газовых средах, Геомагнетизм и аэрономия, 31, 944, 1991.

16. Иванов В.Е., Т.И. Сергиенко. Взаимодействие авроралытых электронов с атмосферными газами (статистическое моделиршание), С-ПетербурпНаука, 1992.144 с. (монография).

17. Kozelov B.V. and V.E. Ivamv, Monte-Carlo calculation of proton-hydrogen atom transport in N2, PlanetSpace Sci, 40, 1501, 1992.

18. Kozelov B.V., Sergienko, T.I., Ivanov, V.E., et al. Preliminary estimation of optical effects stimulated by artificial proton beams in the Earth's atmosphere. In: Airglow and Aurora,Proc.SP[E 2050, edited by Sergej Lemtiev, Washington: SPIE-The International Society for Optical Engineering, 1993, p. 121-125.

19. Sergienko Т.1. and VJ5. Ivanov, A new approach to calculate the excitation of atmospheric gases by auroral electron impact, Ann.Geophys., 11,717, 1993.

20. Ivanov BE., Kozelov, B.V. and Sergienko, T.I. Modelling of electron and proton aurora. In: Airglow and aurora, Proc.SPiE 2050, edited by Sergej Lemtiev, Washington: SPIE-The International Society for Optical Engineering, 1993, p. 68-79.

21. Kozelov B.V., V.E, Ivanov, T.I. Sergienko Simplified algorithm fa- precise calculation of spatial distribution in combined electron-proton-hydrogen atom aurora. Геомагнетизм и аэрономия, 34, 81,1994.

22. Kozelov B.V. and V.E. Ivanov, Effective energy loss per electron-ion pair in proton aurora, Ann.Geophys., 12, 1071, 1994.