Наблюдения динамики магнитосферных циклотронных мазеров

Общие замечания

Известно, что магнитосфера Земли является естественным резонатором для многих видов электромагнитных волн. В частности, это низкочастотные геомагнитные пульсации с длиной волны порядка размера самой магнитосферы, а также волны более высокой частоты, для которых характерно волноводное распространение под малым углом к магнитному полю. К последним относятся волны ионно-циклотронного и свистового диапазонов, которые могут многократно осциллировать вдоль магнитных силовых линий, отражаясь от сопряженных ионосфер. С другой стороны, эти волны эффективно взаимодействуют на циклотронном резонансе с энергичными частицами (соответственно, протонами и электронами). Эти факты обуславливают важную роль альвеновских и свистовых волн в динамике радиационных поясов (РП) Земли.

Исследования самосогласованной теории радиационных поясов привели к концепции магнитосферного мазера [3,4], в котором энергичные заряженные частицы служат активным веществом, а электродинамическая система формируется заполненными фоновой (холодной) плазмой магнитными силовыми трубками и ограничивающими их областями ионосферы. Неоднородное распределение холодной плазмы, с одной стороны, обеспечивает условия каналирования альвеновских и свистовых волн вдоль магнитного поля, с другой - выполнение условий резонансного циклотронного взаимодействия волн с заряженными частицами. Отражение волн от ионосферы (а в некоторых случаях - и от других характерных границ, см. ниже) обеспечивает их многократное возвращение в область эффективного взаимодействия с частицами, которая находится вблизи экваториальной плоскости, т.к. там за счет малой неоднородности магнитного поля реализуется наибольшая эффективная длина взаимодействия.

На основе этой концепции удается количественно объяснить важнейшие интегральные особенности эволюции радиационных поясов, такие как характерные значения потоков высыпающихся и захваченных частиц, время жизни частиц в силовой трубке, уровень энергии волн. В то же время, имеющиеся теоретические и экспериментальные результаты служат лишь основой для решения многих важных проблем, включая и фундаментальные проблемы взаимодействия волн и частиц.

Актуальные научные проблемы динамики магнитосферных циклотронных мазеров можно сгруппировать следующим образом:

1. Формирование тонкой структуры распределений частиц и спектров электромагнитных волн
2. Соотношение роли дискретных и шумовых излучений в высыпаниях энергичных частиц
3. Роль микропроцессов в мезо- и макромасштабных явлениях
4. Роль магнитосферно-ионосферного взаимодействия в динамике энергичных заряженных частиц и электромагнитных излучений
5. Передача энергии от горячей к холодной компоненте плазмы при взаимодействии волн и частиц