Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Перенос протонно-водородных пучков в атмосфере Земли

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Перенос протонно-водородных пучков в атмосфере Земли"

РГб од

, „ -. Саккт-Петербургский государственный университет

I з ни,;

На правах рукописи

КОЗЕЛОВ Борис Владимирович

ПЕРЕНОС ПРОТОННО-ВОДОРОЛЛЬИ ПУЧКОВ В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

специальность 04.00.22 - геофизика

Автореферат

диссертации на Соискание ученой степени кандидата физико-математических науи

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена в Полярной геофизическом институте Кольского научного центра Российской академии наук.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат физнко-математических наук Иванов В. Е.

доктор физико-математических наук

Гальперин Ю.И.

кандидат физико-математических наук

Мананкова A.B.

Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт (АЛШШ)

Защита диссертации состоится _1993 г. в_час.

на заседании специализированного Совета Д. 063.87.51 при Санкт-Петербургской государственном университете по адресу: Санкг-Патербург, Университетская набережная 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ.

Автореферат разослан " { " ^4_ 1393 г.

Ученый секретарь

специализированного Совета Зайцева С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена изучению характеристик переноса протонно-водородных (р-Н) пучков с энергиями 1 кэВ - I МэВ в молекулярном, азоте к в атмосфере Земли. Процесс переноса моделировался иетодои Ионте-Карло в рамках схемы индивидуальных столкновений.

Актуальность проблемы.

Теоретическое описание взаимодействия потоков энергичных частиц с газовой средой является одной из фундаментальных проблем физики плазмы, астрофизики и физики околоземного космического пространства. Известно, что высокоширотная ионосфера Земли-подвергается непрерывному воздействию потоков энергичных частиц солнечного и магнитосферного происхождения. С большинстве случаев высыпания протоноа являются фоном для более интенсивных высыпаний электронов. Однако в ряде случаев (например, в вечернем секторе авроральной зоны) имеют место чисто протонные высыпания.

Высылающиеся в ионосферу потоки энергичных частиц вызывают целый ряд физико-химических процессов, причем процессы, происходящие в полярной ионосфере, во многом определяют состояние ионосферы на чсех широтах. Таким образом, построение физической модели полярной ионосферы необходимо для решения задач, связанных с контролем я прогнозом состояния моносферы, а также всей экосистемы Земли. Одной из ключевых частей такой модели является модель взаимодействия потоков высыпающихся частиц с верхней атмосферой Земли.

Несмотря на многолетние исследования, в литературе существует ряд противоречий в результатах, полученных при теоретическом рассмотрении прохождения протонно-водородных потоков как в атмосфере, так и в однородном газе. Как наиболее принципиальные, можно выделить следующие вопросы:

- возможно ли ввести для р-Н пучков стандартную (не зависящую от энергии) нормированную функцию распределения выделившейся энергии;

- имеет ли зависимость энергетических затрат на образование ионно-электронной пары ог начальной энергии частиц для пучков протонов в атмосферных газах принципиальные отличия от подобной

- г -

зависимости для пучков электронов.

особое место занимает вопрос о влиянии геомагнитного полц на характеристики переноса р-Н потоков в атмосфере. Известно, что вследствии процессов перезарядки, часть своей траектории в атмосфере р-Н частица пролетает в вкде нейтрального атома водорода, к на этих участках траектории магнитное поле на частицу на действует. Поэтому траектории р-Н частиц в атмосфере чрезвычайно усложняются, что находит отражение в характеристиках переноса. Однако, последовательного исследования влияние магнитного поля на характеристики переноса р-Н пучков в атмосфере Земли до сих пор сделано не было.

Цель» диссертационной работы является построение

математической модели переноса р-Н пучков в газовых поглотителях и исследование на ее основе :

- пространственного распределения выделенной пучком энергии в однородном газе;

влияния магнитного поля Земли на основные характеристики переноса р-Н пучков в атмосфере: пространственное распределение выделенной энергии, альбадо-потоки, зарядовый состав пучка;

влияния эффектов расилывания-фокусировки р-Н пучка в магнитном поле Зекли на пространственные распределения скорости выделенния энергии и скорости ионизации в зоне протонного высыпания.

В диссертации выносятся на защиту следующие положения:

1. Реализация алгоритма метода Монте-Карло в рамках схемы индивидуальных столкновений для моделирования трехмерной задачи переноса протонно-водородных пучков с начальными энергиями от 1 кзВ до 1 Нов в атмосфере Земли с учетом дипольности геомагнитного поля.

2. Поведение функции энерговыделенкя при прохождении р-Н пучка в однородном молекулярном азоте и в атмосфере Земли в зависимости от начальной энергии в пучке и от наличия магнитного поля.

3. Особенности расплывания-фокусировки р-Н пучка в атмосфере при наличии магнитного поля.

4. Зависимость между начальными параметрами протонного пучка и величиной альбедо-потока при прохождении в атмосфере.

5. Упрощенный алгоритм для расчета пространственного

' - 3 -

распределения скорости энерговыделения и скорости новообразования а зоне чисто протонного высыпания.

Реализованный в диссертации алгоритм базируется на данных лаботаторных измерений и теоретических расчетов сечений столкновительных реакций протонов, .атомов водорода и отрицательных ионов водорода с Ы^, 02 и 0, опубликованных за период 1960-1991 гг.

Научная новизна.

Впервые получены высотные зависимости эффективных радиусов р-Н пучков на всем пути их прохождения в атмосфере Земли с магнитным полен.

Впервые исследовано влияние магнитного поля Земли на высотные распределения выделившейся энергии и зарядовый состав в р-Н пучке.

Впервые проведен анализ влияния поперечного расплывания р-Н пучка на скорость ионизации и пространственное распределение электронов в зоне чисто протонного высыпания на высотах 100-200 км.

Практическая ценность.

Полученная в диссертации база данных по сечениям рассеяния протонов и атомов водорода на основных атмосферных составляющих, разработанная модель переноса протонно-водородных пучков в атмосфере Земли, а также полученные результаты расчетов, являются теоретической основой для создания комплекса средств дистанционной диагностики высокоширотной ионосферы как наземными, так и космическими средствами.

Разработанная модель переноса протонно-волородных пучков в . атмосфере представляет собой одну из составных частей глобальной математической модели магнитосферно-ионосферной системы Земли, создание которой необходимо с цель» контроля и прогноза состояния околоземного космического пространства. Полученные в данной работе результаты являются основой для постановки активных экспериментов в ионосфере.

- '! -

Реализация работы.

Результаты исследований вошли в ряд научных отчетов Полярного Геофизического института КШ РАН.

Публикации.

По • теме диссертации опубликовано 9 работ. Результаты, составляющие основу представленной работы, изложены в работах [1-5).

Лппробация,

результаты исследований доложены на международных конференциях и симпозиумах [6-9], на семинарах ПГИ.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 115 страниц машинописного текста, 7S рисунков, 14 таблиц, библиографию из 1S2 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сфорнулирована цель работы, приведены основные положения, вынесенные на защиту, кратко изложено содержание работы.

В первой глазе, как основа микроскопического подхода к процессу переноса р-Н пучков в атмосферных газах, рассмотрены основные столкновительные реакции, имеющие место при прохождении протонов и атомов водорода в N2> 02 и О. Обсуждаются известные в настоящее время экспериментальные работы по измерению интегральных и дифференциальных сечений этих реакций, а также теоретические расчеты и аппроксимации. На основе этих данных построен детальный набор сечении рассеяния протонов и атомов водорода с Hg, 02 и О, проведены аналитические аппроксимации сечений в диапазоне энергий от 0.1 кэВ до 1 НэВ. Полученный набор сечений описывает все основные столкновительные реакции

- 5 - :

для данного диапазона энергий. По полученному набору сечений рассеяния рассчитаны тормозные способности О2 и О для

равновесных р-Н пучков. Получено хорошее согласие с известными экспериментальными данными.

Вторая гласа посвящена построению математической модели переноса р-Н пучков. Рассмотрены основные методы, используеные для решения задач переноса энергичных частиц. Отмечено, что метод Монте-Карло позволяет наиболее корректно учесть весь сложный характер процессов при переноса р-Н пучков в атносфере Земли и приблизить достоверность результатов расчетов к уровню современных знаний сечений столкновительных взаимодействий протонов и атомов водорода с атносферныни составляющими. Построена и детально описана реализация алгоритма Монте-Карло в рамках схемы "индивидуальных" столкновений для моделирования процесса переноса р-Н пучков в газовой поглотителе. Рассмотрены особенности реализации данного алгоритма для модельной трехкомпонентной (Л2, 02, о) атмосферы при наличия дипольного магнитного поля. Предложен эффективный алгоритм ускоренного расчета координат частицы после свободного пробега в атмосфере при наличии дипольного магнитного поля.

В третьей главе приведены результаты расчетов основных характеристик переноса р-Н пучков в газовых поглотителях. -В первом параграфе проводится сравнение средних глубин проникновения и распределений выделившейся энергии для р-Н пучков с энергиями от 1 кэВ до 1 МэВ в однородной полученных методом Нонте-Карло и полученных с использованием метода непрерыв!;ых потерь энергии; исследуется влияние углового рассеяния на основные характеристики переноса по сравнению с моделью без углового рассеяния. Показано, что форма функции распределение выделившейся энергии для р-Н. пучков в однородном газе сильно зависит от начальной энергии лучка. Согласно нодельным расчетам, угловое рассеяние частиц р-н пучка в соответствии с извастныни сечениями рассеяния не оказывает заметного влияния на характеристики переноса пучков с начальными энергияни >1 кэВ.

Во втором параграфе исследуется влияние магнитного поля на основные характеристики переноса р-Н пучков в атмосфере: распределение выделившейся энергий, альбедо-потоки, радиальное

расплывание и зарядовый состав пучка. Сравнение результатов расчетов с использованием различных моделей учета поля показало,

ЧТО:

- для корректного расчета величины и зарядового состава альбедо-потоков при высыпании протонных пучков в атмосфере необходимо учитывать как отражение протонов в магнитном поле, так и непараллельность силовых линий магнитного поля при свободном пробеге атомов водорода;

- конус потерь для протонных пучков в атмосфере Земли имеет резкую границу, которая зависит от начальной энергии протонов;

вблизи максимума высотного профиля выделения энергии эффективный. радиус р-н пучка быстро уменьшается с уменьшением высоты;

- • наличие дипольного магнитного поля приводит к перераспределению .выделенной энергии по высоте, однако высота максимума в профиле выделения энергии для изотропных пучков с начальными энергиями 1-100 кэВ практически (с точностью до 2 км) не зависит от наличия магнитного поля;

- учет дипольного магнитного поля при переносе р-Н пучков в атносфере приводит к увеличению высоты зарядового равновесия в пучке на "20 км.

В четвертой главе рассматривается применение различных модификаций транспортных алгоритмов к ряду геофизических задач. В первой разделе приведен краткий обзор данных о высыпаниях протонов в ионосферу.

Во втором разделе с использованием моделирования переноса р-Н пучков в атмосфере методом Монте-Карло рассчитана зависимость энергетических затрат на образование

ионно-электронной пары от начальной энергии протонов ' в пучке: Исследованы вклады процессов перезарядки, ионизации первичными частицами (р и Н) и ионизации вторичными электронами в ионизацию при прохождении р-Н пучков в атмосфере.

В третьем разделе на основе результатов детального моделирования процесса переноса р-Н пучков методом Монте-Карло построена упрощенная вычислительная модель для получения пространственного распределения скорости ионизации на высотах 100-200 км по данным низковысотных спутников о высыпающихся потоках протонов.

В четвертой разделе с помощью моделирования переноса р-Н

пучков исследуется корректность алгоритма диагностики параметров высыпающихся потоков по Допплеровским профилям водородных линий.

В пятой разделе делаются оценки оптических эффектов при проведении эксперимента по инжекции в атмосфере пучков различного состава (р, Н, И ).

В заключении диссертации формулируются выводы, которые состоят в следующем:

1). Па основе анализа известных □ настоящее время данных лабораторных наблюдений и теоретических расчетов построен детальный набор сечений рассеяния протонов и атомов водорода с "а' °2 и пР0ввД8ны аналитические аппроксимации сечений в диапазоне от О. 1 ков до I МэВ. Полученный набор сечений описывает все основные столкновительные реакции для данного диапазона энергий.

2). Реализована трехмерная модель переноса протонно-водородных пучков с начальными энергиями от 1 кэВ до 1 МэВ в атмосферных газах и в атмосфере Земли с учетом дипольности геомагнитного поля. Реализация проведена на основе нетода Монте-Карло в рамках схемы индивидуальных столкновений. Особенностями данной реализации являются:

использованный набор сечений рассеяния, наиболее полно отражавший существующий в настоящее время уровень знаний о столкновительных взаимодействиях протонов и атомов водорода с Н2. Ог И О;

- ускоренный алгоритм расчета координат частицы после свободного пробега в атмосфере при наличии дипопьного магнитного поля.

3). Показано, что форма функции распределение выделившейся энергии для р-Н пучков в однородном газе сильно зависит от начальной энергии пучка, поэтому для р-н пучков невозможно ввести стандартную (не зависящую от энергии) нормированную функцию распределения выделившейся энергии.

4). Показано, что для коррэктного расчета величины и зарядового состава отраженных потоков при высыпании протонных пучков в атмосфере необходимо учитывать как отражение протонов в магнитном поле, так и нвпараллельность силовых линий магнитного п оля.

5). Показано, что при прохождении в атмосфере р-н пучков с изотропным в нижней полусфере начальным питч-угловым распределением эффективный радиус пучка вблизи ' максккума

высотного профиля выделения энергии быстро уменьшается с уменьшением высоты.

6). С использованием моделирования переноса р-Н пучков в атмосфере методом Монте-Карло рассчитана зависимость энергетических затрат на образование ионно-электронной пары от начальной.энергии протонов в пучке. Исследованы вклады процессов перезарядки, ионизации первичными частицами (р и Н) и ионизации вторичными электронани в ионизацию при прохождении р-Н пучков в атмосфере. Получено, что для пучков протонов с начальными энергиями от 1 кэВ до 1 Иэв энергетические затраты на образование цонно-электронной пары лежат в пределах 28-36 оВ и с увеличением энергии стремятся к тому же асимптотическому значении, что и для пучков электронов (35 эВ). Таким образом, общей характер зависимости энергетических .затрат на образование ионно-электронной пары от- начальной энергии частиц для пучков прогонов и. электронов в атносферных газах- не имеет принципиальных отличий.

7)-. На основе результатов детального моделирования процесса переноса р-Н пучков методой Нонте-Юарло построена упрощенная вычислительная модель . для получения пространственного распределения скорости ионизации на высотах 100-200 км по данный низковысотных .спутников о высыпающихся потоках протонов. Показано, что эффекты расплывания-фокусировки р-Н пучка в магнитном поле оказывают принципиальное влияние на высотные профили электронной концентрации при протонных высыпаниях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Козелов Б.В., Юрова И.Ю. Взаимодействие протонно-водородного пучка с молекулярным азотом. Препринт ПГИ-Э1-3-83. • Полярный геофизичс кий институт, Апатиты, 19Э1.

2. Козелов Б.В. Взаимодействие протонно-водородного пучка с молекулярный и атонаркым нислородом. Препринт ПГИ-92-01-86. Полярный геофизический институт, Апатиты, 1992.

3. Kozelov Е V., Ivanov V.E. Monte-Cario calculation of proton-hydrogen atom transport in N2.// Planet.Space Sci. 1992. V.40. P.1501-1511.

4. Kozelov B.V. Influence of the dipolar nagnetic field on transport of proton-hydrogen atom fluxes is the atmosphère.-Ann. Geophys., 1993, V.11, P.697-704.

5. Kozelov B.V., Lorentzen D.A. Search for initial distribution of proton by profiles of hydrogen lines.- Proceedings of the 19tl) Annual European Meeting on Atmosphere Studies by Optical Methods, Kiruna, Sweden, August 10-14, 1992.' P. 475-480.

6. Kozelov B.V. Beam spreading and calculation of electron density in proton aurora. Abstract. European Geophysical Society XVIII General Assembly. Weisbaden; 3-7 May, 1993.

7. Kozelov B.V. and Ivanov V.E. Monte-Carlo calculation of proton-H atom transport in H^. Proceedings of the 18th Annual Meeteng on the studies of the upper atmosphere by optical methods. Troraso, 1991, p.106-115

8. Kozelov B.V. Influence of the dipolar magnetic field on transport of proton-II atom fluxes in the nitrogen atmosphere. D.3-S.3.12. Book of abstracts. 29th Plenary Meeting of the Committee on Space Research (COSPAR). p.438.

9. Kozelov B.V. Influence of the dipolar magnetic field on transport of proton-H atom fluxes in the atmosphere. Proceedings of the 19t*1 Annual European Meeting on Atmosphere Studies by Optical Methods, Kiruna, Sweden, August 10-14, 1992. P. 470-474.

10. Kozelov B.V. Simplified algorithm for precise calculation of ionization rate in proton aurora. IAGA Scientific Assembly,' Buenos Aires, Argentina, 8-20 August 1993, IAGA Bulletin 55, ¿art B. P.234

Подписано к печати 25.10.93. Заказ ЗОН Тираж 100 Объем 0,5 ПНЛ СПГУ. 199034. Санкт-Петербург, наб. Макарова,б.