Перенос заряджених частинок високих енергій у турбулентних магнітних полях геліосфери

Стеглик М. Перенос заряженных частиц высоких энергий в турбулентных магнитных полях гелиосферы. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.03.03 - Гелиофизикa и физика Солнечной системы. - Главная астрономическая обсерватория НАН Украины, Киев, 2009.

Диссертация посвящена исследованию свойств турбулентности в межпланетном пространстве и влиянию межпланетных магнитных полей на распространение частиц космических лучей (КЛ). Полученные результаты развивают концепцию гелиосферы, как турбулентной среды со случайным магнитным полем (МП), в котором движутся заряженные частицы, причем турбулентные магнитные поля обусловливают процессы диффузии, рассеяния и ускорения частиц. В диссертации разработаны и детально рассмотрены модели турбулентных полей, исходя из "первых принципов", разработаны модели диффузионного распространения частиц в этих полях, развита последовательная кинетическая теория переноса и рассеяния космических лучей и модель стохастического ускорения частиц в магнитогидродинамической (МГД) турбулентности. Показано, что кинетические коэффициенты переноса частиц КЛ определяются конкретным видом спектра турбулентности межпланетной среды.

Построены модели развитой турбулентности в рамках теоретико-полевого подхода. Проверена устойчивость (колмогоровского) режима и найдена зависимость критического значения размерности пространства от параметров анизотропии накачки энергии. Исследована гиротропная и негиротропная МГД турбулентность, найден, в рамках двойного разложения (е, д=d-2), кроме кинетического режима также и “магнитный” режим и определена область устойчивости турбулентности в зависимости от размерности d пространства. Показано, что проблему неустойчивисти гиротропной МГД турбулентности удается решить при помощи спонтанного нарушения симметрии с последующим возникновением однородного магнитного поля. Это явление сопровождается возникновением альфа-эффекта, который играет важную роль в теории динамо и в процессе ускорения частиц. Впервые построена модель турбулентности на основе принципа максимальной хаотичности и найдено соотношение, связывающее спиральность турбулентной среды с константой Колмогорова. Найдена четырех-параметрическая масштабная спектральная функция энергии. Данный принцип впервые обобщен на турбулентность в энергосодержащей области волновых чисел, и на этой основе рассчитана константа Колмогорова.

Построена последовательная дрейфовая теория распространения частиц в гелиосфере, в рамках которой найдены коэффициенты поперечной и питч-угловой диффузии. Найдены решения уравнения Фоккера-Планка, описывающего распространение космических лучей, с точностью до второго порядка по величине питч-угла. Дрейфовая теория обобщена на случай наличия спиральности межпланетного магнитного поля и ненулевого отношения гирорадиуса частицы к характерному размеру магнитных неоднородностей и исследовано влияние спиральности среды на питч-угловую диффузию частиц и на пространственную диффузию КЛ поперек регулярного магнитного поля. На основе уравнения Больцмана развита кинетическая теория распространения солнечных КЛ в турбулентной гелиосфере, которая применима для описания распространения частиц с произвольной величиной транспортного пробега. Найдены функции Грина кинетического уравнения в одномерном и трехмерном случаях. Получены решения для изотропной и мононаправленной инжекции частиц, которые обобщены на случай продолжительной инжекции частиц с произвольным угловым распределением, а также заданной диаграммой приема детектора КЛ. Показано, что кинетический подход правильно описывает наблюдаемые временные профили интенсивности анизотропных потоков солнечных космических лучей, а именно, первичный всплеск нерассеянных частиц, с последующим плавным максимумом многократно рассеянных частиц. Полученные решения кинетического уранения были использованы при исследовании анизотропной вспышки солнечных КЛ и определении параметров инжекции частиц на Солнце. Найдены соотношения, связывающие спектральную функцию турбулентного магнитного поля со спектром кросс-корреляционного вектора интенсивности КЛ и осцилляций МП. Проведено детальное сравнение теоретических предсказаний со значениями соответствующих величин, рассчитанными на основе наблюдательных данных по интенсивности КЛ и напряженности межпланетного магнитного поля.

Показано, что в турбулентной, гиротропной среде возникает ускорение частиц, обусловленное альфа-эффектом. Проведено сравнение этого нового типа ускорения КЛ, возникающего вследствие генерации крупномасштабного электрического поля в замагниченной анизотропной плазме, со статистическим ускорением Ферми. Показано, что альфа-ускорение зависит от спиральности среды и от энергетической зависимости транспортного пробега частицы, причем данный механизм ускорения оказывается эффективным для солнечных космических лучей с кинетической энергией до ~ 100 МэВ. Найден вид энергетического спектра солнечных КЛ, ускоренных вследствие альфа-эффекта, и его эволюция со временем.

Ключевые слова: космические лучи, межпланетное магнитное поле, солнечный ветер, магнитная гидродинамика, турбулентность, спиральность, диффузия, ускорение частиц, альфа-эффект.

Размещено на Allbest.ru