Автореферат (1155098)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

На правах рукописиМкртичян Гоар Сергеевна(Россия)Динамика траекторий на фазовой плоскости приультрарелятивистском серфотронном ускорении заряженныхчастиц электромагнитными волнами в космической плазмеСпециальность 01.04.02 – Теоретическая физикаАвтореферат диссертациина соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2016 г.1Диссертационная работа выполнена на кафедре прикладной физики факультетафизико-математических и естественных наук Федерального государственномавтономном образовательном учреждении высшего образования «Российскийуниверситет дружбы народов» (РУДН)Научный руководитель:доктор физико-математических наук, профессоркафедры прикладной физики РУДНЕрохин Николай Сергеевич,Официальные оппоненты:доктор физико-математических наукМалова Хельми Витальевна,научно-исследовательский институт ядерной физикиим. Д.В.СкобельцинаМосковского государственного университета имени М.В.Ломоносова;доктор физико-математических наук, профессорАндреев Николай Евгеньевич,Федеральное государственное бюджетное учреждениенауки Объединенный институт высоких температурРоссийской академии наукВедущая организация:Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки Институт общейфизики им.

А.М.Прохорова Российской академии наукЗащита диссертации состоится «19» января 2017 г. в 15:30 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.203.34 при Федеральном государственномавтономном образовательном учреждении высшего образования «Российскийуниверситет дружбы народов» (РУДН) по адресу: 115419, г.

Москва, ул.Орджоникидзе, д.3, ауд. №110.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Федеральногогосударственного автономного образовательногоучреждения высшегообразования «Российский университет дружбы народов» (РУДН) и наофициальномсайте диссертационныхсоветов РУДН по адресу:http://dissovet.rudn.ru .Автореферат разослан «____»__________2016 г.Ученый секретарь диссертационного совета,Д 212.203.34кандидат физико-математических наук2Попова Вера АнатольевнаОбщая характеристика работыАктуальность темы исследованийАктуальность данного исследования связана, в частности, с возможными приложениями вфизике космических лучей и околоземного пространства.

Земля постоянно бомбардируетсязаряженными частицами, приходящими из межзвѐздного пространства. Обычно заряженные частицы скинетической энергией Е свыше 100 Мэв называют космическими лучами (КЛ), а с меньшей энергией,порядка (1100) Мэв – субкосмическими лучами. Иногда интенсив-ность КЛ резко возрастает за счѐтпотоков частиц, порождаемых вспышками на Солнце. КЛ напоминают сильно разреженныйрелятивистский газ, частицы которого практически не взаимодействуют друг с другом, но испытываютредкие столкновения с веществом межзвѐздной и межпланетной сред и воздействие космическихмагнитных полей.

В составе КЛ преобладают протоны, имеются также электроны, позитроны, ядрагелия и атомных ядер, например, 1Н, 3Li, 4Be, 10B, 56Fe и 60Co.В окрестности Земли плотность потока КЛ составляет величину порядкаJ ~ (0.20.3)частиц/см2секстерадиан. Несмотря на то, что объемная концентрация частиц КЛ довольно малаN ~ 10-10 /см3, космические лучи обладают значительной плотностью энергии W = 1,5 эВ / см3, котораясравнима с плотностью энергии галактического магнитного поля и плотностью энергии турбулентныхдвижений межзвездного газа. Полная энергия КЛ для всей Галактики порядка 1055 эрг, а с учетомгалактического радиогало она составляет ~ 1056 эрг. Характерное время жизни частиц в КЛ с учетомгало толщиной ~ 4 кпк (1 парсек  3.081013 км) порядка 108 лет.

Из сказанного выше следует, чтоисточник генерации КЛ в Галактике обадает мощностью не менее (1040  1041) эрг/сек., что скорее всегообеспечено сверхновыми, пульсарами и взрывамигалактического ядра. Однако, галактическоеядро не может быть источником регистрируемыхв окрестности Солнца КЛ-электронов сэнергиями E > (1  10) Гэв поскольку, согласно оценкам, они на пути в солнечную систему теряют своюэнергию за счет синхротронных и комптоновских потерь. Характерное время тормозных потерь энергииэлектро-нами КЛ порядка е = 3107 лет, что значительно меньше времени их движения в галактическомгазовом диске ( см., например, [1-3]).Как показали исследования, развитие в космической плазме неустойчи-востей, формированиетурбулентности, генерация волн приводят к эффективному рассеянию и перемешиванию КЛ.

Поэтому,даже первоначально сильно анизотропное распределение КЛ по направлениям импульсов частиц(особенно в окрестности источников их генерации) достаточно быстро релаксирует в Галактике имежгалактическом пространстве к изотропному распределению, а их анизотропия становится весьмамалой. Таким образом, наблюдаемое почти изотропное распределение КЛ по направлениям их приходаобусловлено перемешиванием КЛ в турбулентной межзвездной среде, включающей стохастическиемагнитные поля.Следует отметить, что диаметр галактического газового диска порядка 2R ~ 1023 см, его толщинапорядка 61020 см, а магнитное поле в среднем имеет величину H0 ~ 510-6 Гс.

За время пребывания КЛ вГалактике они проходят толщу вещества 10 г / см2 для энергии порядка 1 Гэв на нуклон. По3существующим в настоящее время представлениям космические лучи самых высоких энергий должныбыть внегалактического происхождения и, соответственно, они должны иметь равномерноераспределение по Вселенной. В качестве основных механизмов генерации КЛ обычно рассматриваютсяускорение Ферми первого рода при многократном пересечении фронта ударной волны релятивистскимичастицами и стохастическое ускорение зарядов случайными МГД-волнами.Одним из механизмов генерации релятивистских частиц в космической плазме являетсяформированиепотоковультрарелятивистскихзаряженныхчастиц,когдаонирезонансновзаимодействуют с электромагнитными волнами - серфинг зарядов на электромагнитных волнах.Реализация механизма серфотронного ускорения заряженных частиц в магнитоактивной космическойплазме происходит при следующих главных условиях:фазовая скорость электромагнитной волны должна быть меньше скорости света ввакууме (при выполнении этого условия возможен черенковский резонанс волна-частица);амплитуда волны должна быть больше некоторого порогового значения (при выполненииэтого условия и при наличии внешнего магнитного поля возникает эффективный потенциал, которыйудерживает частицу в ускоряющей фазе поля электромагнитной волны);во время захвата скорость заряда в направлении распространения волны должна бытьблизка к фазовой скорости волны.Исследование механизмов формирования потоков ультрарелятивистских частиц входит в числоактуальных задач современной астрофизики и представляет интерес для проблемы генерациикосмических лучей.

Одним из главных механизмов формирования потоков ультрарелятивистскихчастиц явля-ется серфинг зарядов на электромагнитных волнах в космической плазме [4-15] причем онвозможен в относительно спокойной космической плазме и не требует кризисных процессов типавзрывов сверхновых. Поэтому для оценок числа ускоренных за счет серфинга частиц, их максимальнойэнергии и энергетических спектров необходим, в частности, анализ условий захвата заряженных частицв режим сильного серфотронного ускорения, динамика характеристик захваченных частиц,эффективности ускорения при воздействии пакетов и волн конечной амплитуды.

Кроме того ионизацияверхней атмосферы космическими лучами может влиять на выпадение осадков, что при наличиивариаций КЛ (обусловленных, в частности, серфотронным ускорением) может вызывать сильныевариации крупномасштабного циклогенеза (высотные профили температуры атмосферы, траекториициклонов). На связь вариаций КЛ с динамикой крупномасштабного циклогенеза указывалось,например, в работах [16-17].Цель исследованияЦель диссертационной работы состоит в теоретическом исследовании на основе численныхрасчетов серфотронного ускорения заряженных частиц электромагнитными волнами и волновымипакетами в космической плазме с упором на анализ особенностей траекторий изображающей точки нафазовой плоскости ускоряемой частицы.4Задачи исследованияДля достижения поставленной цели были решены следующие научные задачи:1) На основе численных расчетов дифференциального уравнения для фазы волны или фазы волновогопакета на несущей частоте на траектории частицы были изучены захват частиц в режим серфотронногоультрарелятивитстского ускорения электромагнитными волнами в космической плазме и последующаядинамика характеристик захваченной частицы.2) Исследована структура траекторий на фазовой плоскости при воздействии электромагнитных волнконечной амплитуды.

Амплитуды волн считались заданными и постоянными, учитывались вихревыекомпоненты волновых полей и интегралы движения для ускоряемых заряженных частиц. При этомзадача сводится к анализу нестационарного, нелинейного уравнения второго порядка диссипативноготипа для фазы монохроматической волны (либо фазы локализованного в пространстве волнового пакетана несущей частоте) на траектории частицы.3) Рассмотрена наиболее простая модель серфотронного ускорения, когда волны распространяютсяпоперек достаточно слабого внешнего магнитного поля.

Следует отметить, что серфотронное ускорениезарядов возможно и при наклонном (к внешнему магнитному полю) распространении электромагнитнойволны причем пороговая (для захвата частиц) амплитуда волны в этом случае будет несколько меньше(см., например, [18]).4) Проведен анализ динамики захвата частиц (электроны и позитроны) волнами в зависимости отначальной энергии заряженной частицы. Определены оптималь-ные (для захвата частицы в режимультрарелятивистского серфотронного ускорения) значения фазы волны или фазы пакета на несущейчастоте в начальный момент времени на траектории частицы.5) Рассмотрена временная динамика других характеристик заряженной частицы включая фазу волны(либо волнового пакета на несущей частоте) на траектории частицы включая компоненты ее импульса искорости, типичные траектории изображающей точки на плоскости поперечных (к внешнемумагнитному полю) компонент скорости заряда.Научная новизна работыДанная диссертационная работа позволила существенно продвинуться в понимании основныхзакономерностей реализации ультрарелятивистского серфотронного ускорения заряженных частиц вотносительно спокойной космической плазме, когда отсутствуют мощные кризисные события типасверхновых, пульсаров и взрывов галактических ядер.

Научная новизна работы характеризуетсяследующими результатами:1. На основе численных расчетов изучена типичная динамика траекторий на фазовой плоскостикак при реализации захвата частиц электромагнитными волнами в режим ультрарелятивистскогосерфотронного ускорения, так и в отсутствие (на доступных временах счета) этого захвата.52. Численными расчетами выявлены наиболее благоприятные условия (начальная фаза волны натраектории заряда, знак компоненты импульса вдоль волнового фронта, достаточно малая отстройка отчеренковского резонанса, превышение амплитудой волны некоторого порогового значения), длявозникно-вения ультрарелятивистского серфотронного ускорения заряженных частиц волнами.3. Расчетами показано, что при отсутствии захвата заряженной частицы волнами на некоторыхвременных интервалах возможен рост энергии частицы на величину порядка (30-200) % поскольку заряднаходится в благоприятной фазе.4.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации