Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Взаимодействие авроральных электронов с атмосферными газами

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Взаимодействие авроральных электронов с атмосферными газами"

.ТВ

I, t . <

j 5 $$ЯкфШвТ0РбуРгский государственный университет

На правах рукописи

СЕРГИЕНКО Тимофей Иванович

УДК 550.385

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АВРОРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ С АТМОСФЕРНЫМИ ГАЗАМИ

Специальность - 04.00.22 - геофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена в Полярном геофизической институте Кольского научного центра Российской акадении наук

Научны! руководитель: кандидат физико-математических наук Иванов В.Е.

Официальные оппоненты: доктор физико-натекаткческих наук

Брвнелли Б. Е.

кандидат физико-математических наук Зеленкова Л. В.'

Ведущая организация: Арктики и Антарктики научно-исследовательски* институт г. Санкт-Петербург

Защита состоится " ^Н » «зрл^ъУуЛ 1993 г. в VS час. на заседании специализированного совета Д.063. 57.51 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора каук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: Санкт-Петербург,

Университетская наб. , 7/9.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан « 6 Уъйуа^УА. 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Зайцева -С. А.

Диссертация содержхт результаты исследования процесса переноса электронов с начальным! энергиями О. 05 - 50 кэВ в атмосферных газах ■ атмосфере Зекли.

Актуальность проблемы. Взаимодействие потоков заряженных частиц с газовой средой является одной из фундаментальных проблем физики плазмы, астрофизики и физики околоземного космического пространства. Высокоширотная ионосфера Земли, подверженная непрерывному воздействию потоков энергичюсх частиц магнитосферного и солнечного происхождения, представляет собой природную лабораторию, позволяющую в полном объеме исследовать процессы взаимодействия заряженных частиц с окружающей средой. Вторгающиеся в ионосферу частицы инициируют сложный комплекс физико-химических процессов, одним из проявлений которых являются полярные сияния. Комплексное исследование полярных сияний, которые являются своеобразной "визитной карточкой" сложных явлений, происходящих в ионосфере, и магнитосфере Земли,'- представляет собой эффективное экспериментальное средство изучения околоземного космического пространства.

Процессы, происходящие в полярной ионосфере, во многом определяют и состояние ^-ионосферы на. всех широтах. Контроль и прогноз состояния ионосферы являются одной из ключевых частей проблемы глобального контроля и прогноза состояния экосистемы Зекли. Для повышения их эффективности необходимо поникание физики процессов и их количественное описание, т. е. построение физической модели полярной ионосферы. Одним из ключевых моментов такой модели является модель взаимодействия потоков авроральных электронов с верхней атмосферой Земли.

Практическая ценность.

Разработанная в диссертации модель переноса авроральных электронов в атмосфере Земли и полученные результаты являются основой для создания комплекса средств дистанционной диагностики высокоширотной ионосферы к магнитосферы как наземными, так и космическими оптическими средствами.

Данная модель также представляет собой одну из составных частей глобальной математической модели магнитосферно-ионосферной системы Зекли, в создание которой необходимо с целью контроля ■ прогноза срстояния земной экосистемы.

Результаты, полученные в данной работе, являются теоретической

основой для постановим активных экспериментов в ионосфере.

Целью диссертационной работы является построение математической модели перекоса авроралымс электронов в атмосфере Земли, адекватной реальным условиям, и исследование на ее основе:

- интегралымх характеристик переноса ( пространственное распределение выделившейся в атмосфере энергии электронов, интегральные пробеги, альбедопотоки);

эволюции энергетического спектра и питч-углового распределения потока электронов по мере проникновения его в поглощающую среду;

- влияния двпольного магнитного поля Земли на характеристики переноса аяроральных электронов.

На задиту выносятся:

1. Трехмерная математическая модель переноса электронов с начальными энергвями 0.09 - 50 кэВ в атмосфершх газах и атмосфере Земли при учете дипольности геомагнитного поля, реализованная на основе метода Монте-Карло в рамках схемы индивидуалы»» соударений.

2. Зависимость между начальными параметрами потока электронов и интегральными характеристиками переноса в атмосферных газах.

3. Зависимость функции диссипации энергии электронов от начальной энергви и углового распределения частиц в источнике.

4. Результаты анализа роди электронов ионизационнного каскада в формировании энергетического спектра и углового распределения потока электродов в различных диапазонах энергий.

5. Результаты анализа особенности энергетического спектра электронов в диапазоне энергий 10-100 эВ.

Б. Результаты анализа влияния дипольности магнитного поля Земли на характеристики переноса авроральных электронов. Научная новизна

Впервые построена трехмерная модель переноса авроральных электронов в треххохпонентяоЯ (К^, 0г я О) атмосфере Земли, учитывамшя дипольшй характер магнитного поля.

Получена функция диссипации энергии электронов с качадыымж энергиями 0.09 - 90 кэВ а газовых средах для различных угловых распределений в источнике.

Исследована роль электронов ионизационного каскада в формировании энергетического спектра и углового распределения потока авроральных электронов.

Исследована роль столкноввтельных процессов торможения электронов в формировании особенностей энергетического спектра авроральных электронов в интервале энергий 10 - 100 эВ.

Исследовано влияние дипольного магнитного поля Эекл* на сарактерястякя переноса авроральных электронов.

Реализация работы. Результаты, полученные в диссертации, ■спользовались при создан» гвлиогеофизической службы Госкокпркроды ;сср, пря разработке коделя фонового оптического язлученяя ГОН. а также пря выполненяи работ по текан НИР ПГИ.

Апробация. Результаты ясследованяй представлялись на международно! ассамблее МАГА в г. Ванкувере /Канада. 1987/, на международных конференциях по оптячвскям методам ясследованяя атмосферы в г. Тромсе /Норвегия, 1990 г. / и г. Кируне /Швеция, 1991/, на международно! конференция "Оптические эмяссяя' средней я верхней атмосферы" в г. Стара Загора /Болгаряя, 1989/. на всесоюзном семянаре по катематяческому моделированию ионосферы в г. Ростове-ка-Дону /1988/. на семянарах ПГИ.

Публякадяя. По теме, диссертации опубликовано 8 работ.

Дяссертацяя состоят из' введеняя, четырех глав, заключения и приложения. Дяссертацяя содержат 85 страниц кашянопясного текста, 47 рисунков. 7 таблиц, библиографию яз 63 наяменованяй я пряложеняе на 14 страняцах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы ясследованяя, сформулированы цель работы я основные положеняя, выносямые на защиту, кратко изложено содержание работы.

Первая глава посвящена разработке математической моделя переноса электронов в газовых средах, на основе которой получены все последующяе результаты.

В параграфе 1. 1 проведен аналяз возможных механизмов столкновятельной диссипации энергия электронов при их переносе в ионосфере Земли. Эти процессы можно разбить на три основных группы:

1. неупругие столкновеняя с атомами я молекуламя пря которых кинетическая энергия электронов передается на внутренние степени свободы частяц среды, а в случае ионизации - я в энергию вторичного электрона;

2. процессы гябеля электронов в реакциях пряляпаняя я рекомбинации:

3. упругое рассеяние. при котором происходят перераспределеняе кянетической энергии сталкивающихся частиц.

Численные оценки. проведенные автором, 1 показали, что основным

каналом потерь энергия авроральных электронов в ионосфере является возбуждение колебательных и электронных уровней атомов и молекул, а так же ях. ионизация. В нашей модели учитываются следу шахе возбужденные состояния атомов а молекул атмосферных газов: для молекулярного азота - 4 первых колебательных уровня основного состояния, 20 электроншх состояний, 6 электронных состояний нона N* и процесс диссоциативной ионизации; для молекулярного кислорода - 4 первых колебательных уровня основного состояния, 7 электронных состояний, 5 электронных состояний иона О* в процесс диссоциативной ионизации; для атомарного кислорода -113 электронных состояний я три электронных состояния иона О*. Такая детализация возможных типов неупругих столкновений особеннно важна прк исследовании переноса низкоэнергичных электронов. для которых дискретный характер потерь энергии во многой определяет их транспортные характеристики. В модели также учитывается угловое рассеяние электронов как при упругих, так я при неупругих столкновениях в диапазоне углов рассеяния от О до 180°.

Математическая модель переноса электронов реализована на основе метода Монте-Карло в рамках схемы "индивидуальных соударений". В этой методе процесс прохождения электронов в газе складывается из независимых историй-траекторий. Прослеживая эти траектории, можно получить оценки различных характеристик прохождения частиц. Каждая такая траектория представляет собой последовательность элементарных процессов: испускание электрона некоторым источником (или рождение его в процессе ионизации), ряд упругих и неупругих столкновений, между которыми электрон движется свободно. Траектории прослеживаются до тех пор, пока частица не вылетят из рассматриваемой области или не потеряет свои энергию до некоторого заданного значения. Таким образом, поскольку моделируется каждое отдельное столкновение, этот метод непосредственно отражает физическую суть " явления переноса. Систематическая сшкбка при этом • будет определяться нашими знаниями интегральных и дифференциальных сечений взаимодействия. Однако учет каждого отдельного столкновения приводит к резкому увеличению обьема счета при прослеживании одной электронной траектораи. Поэтому моделирование процесса переноса в рамках метода Монте-Карло выдвигает на первое место жесткие требования к оптимальности и эффективности вычислительных алгоритмов.■ Это в первую очередь касается построения моделирующих формул для определения таких величин как длина свободного пробега, углы рассеяния, параметры вторичных электронов, которые являются случайными валичинани. Моделирующие формулы представляют собой преобразования, позволяющие с помощью случайных чисел а.

равнонерно распределенных в интервале [О,1], вычислять значена« гаэбой случайной величины. Описакшо таких моделирующих формул посвящэеы следующие параграфы первой главы. Завершается описание ноделя оценкоЗ статистической погрешности рассчитанных на ее основе характеристик переноса.

Последний параграф дает краткое описание лабораторных экспериментов по прохождения потоков электронов п газовых средах. Сравггэкзе экспериментальных и рассчитанных на основе разработанной модели характеристик переноса показало хорошее согласие между кама.

Во второй главе приведена результаты расчета интегральных характеристик переноса электронов з атмосферных газах (Нг, 02 в О). К таким характэриствкаи относятся: функция пространственного распрэделенкя выдойнвшейся энергки потока электронов, антегральные длины пробегов к интегральные альбедопотоки. Расчеты проводилась для мскознергетаческгх начальных потоков электронов с начальники энергнян* от 50 эЕ до 5 кэВ г с двумя типами начального углового распределения: мононаправленного п изотрбпного в нижней полусфере. Статистсческья погрешность рассчитанных величин нэ превышала 10%. Для досТЕженпя такой величины погрешности было необходимо рассчитать но менее 15000 траекторий первичных электронов для начальных энергий 50 зВ с иэ кенээ 5000 траекторий для энергки 5 кэВ. Анализ рассчитанных величай показал, что изменения интегральные характеристик переноса электронов в зависимости от сорта газа незначительны я носят лешь количественны;! характер. В то же вреня наблюдается существенное различно этих характеристик в зависимости от углового распределения частсц в источнике, причем эти изменения носят на только количественный, но 2 качественный характер.

При- расчетах пространственного распределения выделнваеЁся в поглотителе энергия потока электронов результаты принято представлять з виде распределения энергии, поглощенной на некоторой глубине г в слое единичной кассы, в зависимостя от безразмерного параметра:

где Х(х) - безразмерная функция, опнсываюаая распределение выделившейся энергии; х - безразмерный параметр, опредедякдай. какую долю внтегрального пробега К(Е) составляет глубина проникновения г. 3 ранних лабораторных экспериментах по прохождению электрэлов з газовой среде было показано, что функция \(х). получившая название функция диссипацик. оказывается очень слабо зависящей от начальной энергия ира Е0>5000 эВ. Эта особенность функции дяссяпацкв позволила

исследователям получить удобшй и простой метод для решения- большого' круга геофизических задач. Однако в более поздних экспериментах, а также в теоретических расчетах било показано, что для начальных энергий Ед<2000 эВ функция диссипации зависит от энергии.

В этой главе на основе рассчитанных автором функций пространственного распределения выделившейся в поглотителе энергии построена безразмерная функция диссипации для начальных энергий электронов больших о. 09 кэВ, для которой получено аналитическое выражение:

ЧЕ0,Х) = (А,Х + А^ЕХР^х^х)

где х ~ безразмерный параметр, определяющий расстояние от источника электронов, Ед- начальная энергия электронов, А(- коэффициенты апроксимации, зависящие от Ед и начального питч-углового распределения потока электронов. Функция диссипации получена для двух типов начального углового распределения, монохаправленного с в-О и изотропного в нижней полусфере, что соответствует наиболее типичным угловым распределениям авроральных электронов, наблюдаемым на спутниках.

В третьей главе приведет результаты расчетов энергетических спектров и угловых распределений потоков электронов при их прохождении в атмосферных газах. Наиболее полно эволюция энергетического спектра авроральных электронов при прохождении их в атмосфере Земли изучена на основе численного решения кинетического уравнения переноса. Анализ результатов расчетов, проведеных различными авторами, показал, что столкновительная модель взаимодействия авроральных электронов с атмосферой в среднем удовлетворительно описывает регистрируемые в ионосфере дифференциальные потоки частиц. В то же время следует отметить, что в ряде случаев имвтся существенные. различия как между расчетами, полученными различными авторами, так и между теоретическими и экспериментальными результатами. В особенности . это касается низкоэнергичной части спектра авроральных электронов, которая формируется преимущественно электронами, рожденными в атмосфере в процессе ионизации. Поэтому при анализе результатов расчетов, полученных автором, особое внимание уделено исследованию роли электронов ионизационного каскада в формировании энергетических спектров на различных глубинах проникновения электронов в поглотитель. Показано, что спектр можно условно разбить на три энергетических интервала. Первый, с энергиями близкими к начальной, формируется за счет первичных электронов, претерпевших налое количество неупругих

соударений и а следствии этого, почти не потерявших свою энергию. Второй интервал, формирующий минимум энергетического спектра, образуется за счет частиц двух сортов: первичных электронов, потерявших значительную Долю своей энергяя, и высокоэнергнчной частя вторичных электронов. Относительный вклад первичных и вторичных частиц в полный поток а этом диапазоне энергий сильно меняется с глубиной проникновения. Третий, низкоэнергичный участок спектра, формируется в первую очередь электронами ионизационного каскада, относительный вклад которых растет с увеличением начальной энергии первичных частиц.

Особое вникание в этой главе уделено анализу энергетического спектра авроральных электронов в интервале энергяй 10 - 100 эВ. Этот участок спектра электронов янтересен тем, что, как доказала спутниковые измерения, кривая дифференциального потока как бы испытывает излом, в области 20-30 эВ. Ранее модели переноса авроральных электронов, учитывающие только стойкновительную диссипацию энергии частиц, не описывали это явленяе, и для его обьясненяя привлекались различные плазменные процессы взаимодействия авроральных электронов с ионосферой. При анализе рассматряваемого участка энергетического спектра его принято представлять а вяде двух показательных функций и Е*2, где ^ и соответствуют энергетическим участкам 10-20 я 20-100 эВ. Расчеты показали, что в рамках столкновятельной модели излом в кривой дифференциального потока электронов присутствует для всех начальных энергий первичных частиц я объясняется соотношением между различными каналами столкновятельной диссипация энергии. Пря этом в зависимости от начальной энергии в глубины проникновения потока индекс у^ меняется в интервале -3 - -4, а уг - -1.2 - -2.2, что находятся в хорошем согласии с данными спутниковых и ракетных измерений. Таким образом, показано, что наличие излома в области 20-30 зВ в энергетическом спектре авроральных электронов не может служить достаточным признаком реализация в ионосфере каких-либо механизмов диссипации энергии отличных от столкновительных. Однако регистрация в полярной ионосфере потоков электронов с |?г|<1 не находит объяснения в рамках столкновятельной модели переноса и требует привлечения дополнительных механизмов взаимодействия электронов с ионосферой.

Последний параграф главы посвящен анализу полученных результатов расчета угловых распределений электронов в различных диапазонах энергии. Показано, что низкоэнергичные электроны, представляющие собой преимущественно вторичные частицы, распределены изотропно. Угловое распределение электронов, формирующих минимум энергетического спектра, сильно зависят от глубины проникновения потока и меняется от

диффузного до изотропного. Угловое распределение нзпсглсиэкньп; электронов независимо от начального распределения с глубиной проникновения стремится к диффузному вкду.

Четвертая глава посвящена гсследованкгэ влияния дипслькэго магнитного поля Земля на характеристики переноса авроральных электронов. На высотах больших 100 кк гкрочастота авроральнъ^х электронов превосходит частоту их столкновений с нейтральными частицами. Поэтому питч-угол электрона пра движения в ионосфере меняется не только га счет рассеяния на частицах среды, по и, в соответствии с первым адиабатическим инвариантом, за счет неоднородности магнитного поля. Оценить эффект этого процесса на характеристика переноса электронов невозможно без точных модельных расчетов. При решении кинетического уравнения перекоса численными методами учет днпольного характера магнитного поля Земля значительно усложняет в без того непростой вычислительный алгоритм. В то же время метод Контв-Карло позволяет бьз значительных вычислительных трудностей рассмотреть влияние дипольности магнитного поля Землн на характеристика переноса авроральных электронов. Результаты анализа такого влияния представлены в данной главэ дпссертаацни.

Б первом параграфа описан алгоритн расчета длины свободного пробега электрона в ионосфере при наличие днпольного магнитного поля. При этом полагалось, что:

1. атмосфера представляет собой трехкомпонентную(Н2, 02> О), плоскую, слоисто-однородную среду с вершиной, расположенной на высоте 1000 км над поверхность» Земли;

¿. магнитное поле нормально к поверхностям равной плотности атмосферы, величина магнитного поля меняется с высоток по дкпольноиу закону, центробежным к градиентным дрейфом на длине свободного пробега можно пренебречь.

Анализ результатов проведенных расчетов показал, что учет дипольйого магнитного поля сильно влаяет на характеристики переноса потоков электронов с изотропным начальным угловык распределением и слабо сказывется в случае мононаправленных потоков. Особенно сильно это влияние сказывается на угловом распределении электронов, что выражается в относительном усилении потока обратнорассеяных частиц на всех глубинах проникновения пучка. Следствием этого является значительное увеличение (почта в два раза) величины интегрального альбедопотока. в то же время энергетический спектр электронов, как я функция пространственного распределения выделившейся энергии, не претерпевает значительных качественных изменений.

В Заключении диссертации сформулированы основные результаты, которые состоят в следующем:'

1. Разработана трехмерная модель перекоса электронов с начальными энергиями В0>50 эВ в атмосферных газах и атмосфере Земли при учете дяпольности магнитного поля. Модель реализована на основе метода Монте-Карло в рамках схемы индивидуальных соударений. Достоинством данной модели является корректный учет дискретного характера потерь я углового рассеяния электронов, а также корректный учет переноса электронов ионизационного каскада всех поколений.

2. Показано, что изменение функции пространственного распределения выделившейся в поглотителе энергии электронов, интегральных длин пробегов, интегральных альбедопотоков в зависимости от сорта газа незначительно и носит лишь количественный характер. В то же время наблюдается существенное изменение этих характеристик в зависимости от начального углового распределения в источнике, причем эта изменения носят не только количественный, но и качественный характер.

3. Построена безразмерная функция диссипации для электронов с начальными энергиями болызими 50 эВ я двух типов начального углового распределения частиц: мононаправленного с ео-0 и изотропного в нижней полусфере. Показано, что для электронов с энергиями неньшими 3 и 1 кэВ функция диссипации для мононаправленного и изотропного потока, соответственно, зависит от начальной энергии частиц. Получено общее аналитическое представление функции диссипации для двух типов начального углового распределения электронов.

4. Детально изучен процесс формирования я эволюции энергетических спектров электронных потоков, инициированных инжектированными в газ потоками моноэнергетнческих электронов. Оценен вклад электронов ионизационного каскада, родившихся непосредственно в поглотителе, п деградировавших ' первичных электронов в величину дифференциального потока в различных диапазонах энергий. Показано, что:

в области энергий О. 5Е0<Е<Е0 дифференциальный поток формируется деградировавшими первичными электронами;

на энергиях 0. 1ЕС<Е<0.5Е0 энергетический спектр формируется частицами двух сортов: деградировавшими первичными и высокоэнергичной часть» вторичных электронов, при этом вклад з полный поток электронов ионизационного каскада кзненяется с глубиной проникновения от 50Х до 20Z;

нхзкоэнергвчная часть дифференциального потока (Е<0. 1Е0)

формируется гфвЕнуяэстэенно электронами ионизационного каскада, вклад

которых в полный поток в этом диапазоне энергий уменьшается от 90Х до 50% с увеличением глубины проникновения пучка.

5, Показано, что характерный излом в кривой дифференциального потока в области энергий 20-30 эВ формируется вследствие столкноеительных механизмов потерь энергии электронов в газе. Спектральный индекс характеризующий спектр на энергиях меньших

точки излома, лежит в интервале -3 - -4, а индекс у2, характеризующий спектр на энергиях больших точки излома, изменяется от -1.2 до -2.2, что находится в хорошем согласии с экспериментальными данными.

6. Показано, что дипольный характер магнитного поля Земли заметно влияет на угловые характеристики потока электронов и, как следствие, значительно, почти в 2 раза, увеличивает величину альбедопотока. В то же время учет дипольности магнитного поля не приводит к существенным качественным изменениям других характеристик переноса, таких - как функция пространственного распределения выделившейся в поглотителе энергии, энергетические спектры.

В Приложении представлены сечения рассеяния электронов на атмосферных газах, используемые в модели, и даны их аналитические представления.

Результаты, составившие основу представляемой диссертации, изложены в работах:

1. G.A. Ivanov, T.I. Sergienko, V.E. Ivanov and A.S. Kirillov. Transport of auroral electrons with 0.03-30 keV initial energy in the atmospheric gases. //International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG) XIX General Assembly, Vancouver, Canada, August 9-22,1987, Abstracts V.2, 531.

2. Сергиенко Т. И.. Иванов Г. А. , Иванов В. Е.

Численное моделирование процесса переноса электронов в молекулярном азоте. //Геомагнетизм и аэроном., 1688, Т. 28, N6, 984-988.

3. Сергиенко Т.К.

Особенности дифференциальных характеристик переноса авроральных электронов. //Тезисы док. междунар. схмпоз. Оптические эмиссии средней и верхней атмосферы. , 16-21. 10. 1S89. Стара Загора, Болгария, 63-64.

4. Сергиенко т.н., Иванов В.Е.

Перенос электронов в атмосферных газах 1. Интегральные характеристики. //Геомагнетизм и аэроном., 1991, Т. 31, N 4, 635-642.

5. Иванов В. Е. , Козелов Б. В. , Сергиенко Т. И.

Перенос электронов в атмосферных газах 2. Дифференциальные спектры.

//Геомагнетизм я аэроном., 1991, Т. 31, N 4, 643-648.

6. Козелов Б. В., Иванов В. Е. , Сергяенко Т. И.

Перенос электронов в атмосферных газах 3. Угловые распределен«*. //Геомагнетизм я аэроном., 1991, Т. 31, N 6, 940-943.

7. Иванов В. Е. , Сергяенко Т.Н., Козелов Б. В.

Оценка погрешности определения профилей энерговыделения в задачах о прохождения электронов в газовых средах. //Геомагнетязм и аэроном. , 1991, Т. 31, N Б. 944-946.

8. Иванов В. Е., Сергяенко Т. И.

Взаимодействие авроральных электронов с атмосферными газами (статистическое моделирование). С.-Петербург. Наука. 1992, 144с.