Тонкая структура распределений частиц и спектров электромагнитных волн; роль дискретных и шумовых излучений в высыпаниях энергичных частиц

Первая из вышеперечисленных проблем является базовой и связана с наличием принципиальных вопросов в теории взаимодействия частиц и волн. В самом деле, эксперимент свидетельствует о наличии тесной взаимосвязи между шумовыми и дискретными излучениями, (например, часто наблюдаемое возникновение хоровых элементов в КНЧ-ОНЧ диапазоне на границе шипений [5]). В то же время, достигнутые успехи теории связаны в основном с двумя взаимоисключающими приближениями, одно из которых (квазилинейное приближение) основано на предположении о шумовом спектре излучений, а другое использует квазимонохроматические волны. Каждое их этих приближений позволяет охватить широкий круг относительно самостоятельных проблем, но к настоящему времени назрела необходимость <<наведения мостов>> между ними, поскольку наблюдения показывают ограниченность каждого из них по отдельности.

Теория предлагает некоторые механизмы такой взаимосвязи: прежде всего, это формирование крутых перепадов на функции распределения энергичных частиц при генерации шумовых излучений [3,6]. Это явление связано с наличием границы между резонансными и нерезонансными частицами в пространстве скоростей при циклотронном взаимодействии в неоднородном магнитном поле. Такая граница существует при наличии верхней частоты обрезания w_max в спектре шумовых излучений, которая, в свою очередь, появляется естественным образом как в процессе развития квазипериодических пульсирующих высыпаний энергичных частиц [7], так и вследствие нарушения условий волноводного распространения с ростом частоты (в этом случае формируется квазистационарная граница). Из условия циклотронного резонанса вытекает, что резонансные частицы занимают область, ограниченную снизу по экваториальному значению продольной скорости:

В резонансной области функция распределения изотропизуется из-за диффузии по скоростям, а в нерезонансной этот процесс не идет. Поэтому на границе v_||L = (w_max - w_HL) / k_|| L появляется уступ, схематично показанный на рис. 2.

Рис. 2: Деформация функции распределения в виде уступа - вид в экваториальной плоскости и на широте 30^°.

Такие особенности на функции распределения не наблюдались непосредственно, и это связано с ограниченными возможностями эксперимента. В самом деле, для регистрации такого уступа необходим детектор энергичных частиц с хорошим разрешением как по энергии W, так и по питч-углу q. Согласно теоретическим оценкам, желаемое разрешение составляет dq ~ dW ~ 1-10% в диапазоне энергий электронов 1 кэВ  ё W_e ё  50 кэВ.

Значение этих наблюдений определяется тем, что теория указывает на важнейшую роль таких перепадов в генерации дискретных электромагнитных излучений. Наличие такой <<ступеньки>> вызывает качественные изменения в характере неустойчивости (ее переход в гидродинамическую стадию типа режима лампы обратной волны [9]. Данный процесс развивается в малой окрестности экваториальной плоскости (см. рис. 3), размер которой l_int соответствует области фазового синхронизма монохроматической волны и частиц и составляет

где a = 2^1/2 R₀ L/3 - масштаб неоднородности магнитного поля. Теоретический анализ приводит к выводу, что без привлечения этого режима неустойчивости, по-видимому, нельзя объяснить наблюдаемые особенности хоровых излучений [10].

Резкие градиенты на функции распределения по скоростям делают ее сильно неоднородной в пространстве. Характерный масштаб неоднородности вдоль магнитного поля составляет Dz ~ 10-100 км.

Следует отметить важность исследования как квазистационарных уступов на функции распределения, так и, в особенности, их пространственно-временной динамики. В самом деле, формирование хоровых излучений должно сопровождаться и изменениями положения и высоты <<ступенек>>, причем характерный временной масштаб этого процесса t_хоров ~ 10 мс (он определяется временем пробега частиц и волн через область абсолютной неустойчивости l_int). Именно требование высокого временного разрешения делает достижение указанных выше величин питч-углового и энергетического разрешения весьма трудной задачей, которая, по сути дела, составляет самостоятельную научно-техническую проблему в рамках проекта РЕЗОНАНС.

 

Рис. 3: Область лампы обратной волны в магнитосфере

Параллельно с наблюдениями энергичных частиц, изучение закономерностей возникновения и развития фазовых корреляций при взаимодействии волн и частиц требует, естественно, высокоточной регистрации соответствующих электромагнитных излучений. Для обсуждаемого здесь класса взаимодействий это ОНЧ излучения с частотой 10² < f < 2·10⁴ Гц и характерной амплитудой магнитных и электрических полей H _~ ~  0.1-10² пТл и E ~  1 мкВ/м - 30 мВ/м.