МЕХАНИЗМЫ КОСМИЧЕСКОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ Тема: Плазменный механизм генерации радиоизлучения cm

Плазменный механизм генерации радиоволн был предложен среди первых нетепловых механизмов, использованных для объяснения некоторых типов всплесков радиоизлучения Солнца в метровом диапазоне волн. Важной особенностью этого механизма явилось предположение о когерентном механизме генерации плазменных колебаний, которые затем трансформируются в поеречные радиволны. Эта особенность позволила объяснить чрезвычайно высокие значения яркостных температур источников всплесков солнечного радиоизлучения, по-видимому, намного превосходящие всякие мыслимые значения средней энергии излучающих частиц E, ответственных за генерацию радиоизлучения ().

Другой важной особенностью обсуждаемого механизма явилась возможность естественным образмо объяснить дрейф радиоизлучения по частоте как следствие движения агента, возбуждающего плазменные колебания, через корону, поскольку частота генерируемых колебаний зависит от электронной плотности.

К настоящему времени плазменный механизм исследован детально в теории и достаточно широк используется при интерпретации широкого круга проявлений радиоизлучения космической плазмы.

10.1. Основные идеи

Как известно, одним из наиболее фундаментальных свойств плазмы являются плазменные, или ленгмюровские колебания, которые возникают вследствие появления локальных избытков электронов в каком-либо её объеме. Частота таких колебаний

где --- концентрация, e --- заряд и m --- масса электронов. Примечательно, что плазменная частота зависит только от концентрации, но не зависит от других параметров плазмы, скажем, от температуры. Вычисленнные по этой формуле значения частоты для плотностей, обычных в солнечной короне (), соответсвуют частотам радиоволн метрового диапазона, в котором и наблюдаются особенно мощные события во время солнечных вспышек.

Среди всплесков радиоизлучения Солнца (см Рис.10.1) наблюдаются события с характерным частотным дрейфом: медленным --- тип 2 и быстрым --- тип 3. Дрейфу по частоте мы можем сопостаавить некоторую конкретную скорость движения агента в солнечной короне, который при принятых значениях распределения электронной плотности вдоль радиуса давал бы наблюдаемое в спектре изменение частоты, предпологая, что частота излучаемой радиоволны близка соответствующей плазменной (). Соответствующие скорости оказываются порядка тысячи и ста тысяч км, соответственно. Как показали многочисленные исследования, в перврм случае мы обычно имеем дело с ударной волной, а во втором --- с потоком быстрых электронов (возможно, сущестыуют и другие возбудители плазменных колебаний).

Рисунок 10.1 Динамический спектр радиоизлучения солнечной вспышки Однако описанная картина не является достаточной для объяснения ддействия плазменного механизма генерации космического радиоизлучения. В самом деле, плазменные колебания и связанные с ними плазменные волны не в состоянии покинуть область плазмы с электронной плотностью, сильно отличающейся от определяяемой частотами (10.1). Кроме того, вомногих всплесках наблюдается одновременно излучения и на второй (а изредка и на третьей) гармонике основной частоты излучения. Стало быть с достаточной полнотой и убедительностью должна быть рассмотрена проблема трансформации плазменных волн в электромагнитные, с объяснением возможного возникновения излучения на гармониках.

Далее необходим анализ процесса возбуждения самих плазменных волн различными агентами и выянения предъявляемых к ним требований для эффективного действия механизма. На этих вопросах мы теперь и остановимся более подробно.

1.2.Дисперсионное соотношение для плазменных волн

Как мы уже упомянули выше, плазменные колебания могут распространяться в виде плазменных волн. Этот процесс оказывается возможным при наличии тепловых движений электронов, участвующих в колебаниях. Посдедние могут быть феноменологически учтены через член, представляющий электронное давление. Воспользовавшись этим приближением, выведем дисперсионное соотношени для плазменных волн.

Рассмотрим движение электрона в плоской монохроматической (плазменной) волне под действием двух сил: электрического поля волны и градиента электронного давления в расчете на одну частицу . Соответствующее уравнение имеет вид

где

Здесь k --- постоянная Больцмана, T --- температура, --- концентрация электронов. Мы рассматриваем электростатическую волну, то есть такую, в которой электрическое поле (как и в случае плазменных колебаний) обусловлено, в основном, локальной концентрацией зарядов. Соответственно

где плотность зарядов

определяется избытком/недостатком электронов в волне относительно равновесного состояния электрически нейтральной плазмы. При этом мы считаем, что ролью движений (тяжелых) ионов можно пренебречь.

Перемещение ионов в волне создает ток, который связан с изменением плотности электронов уравнением неразрывности:

где плотность тока

Заметим, что здесь входит полная концентрация электронов, а не их приращение, так как все они вовлекаются в движение полем волны. Далее, для волн малой амплитуды производоная тока по времени может быть ограничена учетом только изменения скорости, но не плотности электронов, поскольку соответсвующий член в уравнениии имеет второй порядок малости (пролизведение малой скорости на малое изменение плотности). Стало быть из уравнения (10.2) с учетом (10.7) следует:

Отсюла, в частности, следует, что в плоской монохромтической волне вектора , и --- параллельны, то есть плазменная волна является продольной. Для случая адиабатического процесса . Тогда (10.8) можно переписать в виде:

где --- показатель адиабаты.

Для получения дисперсионного уравнения от обеих частей равенства (10.8) возьмем дивегенцию и используем уравнение неразрывности (10.6). В результате поулчаем волновое уравнение для плотности заряда:

где мы учли, что . Заменяя производные соответсвующими множетелями для случая плоской монохроматической волны ( ), получаем после простых преобразований дисперсионное уравнение для продьной плазменной волны:

где k --- волновое чпсло. Полученное выражение позволяет сделать ряд важных выводов о природе плазменных волн, облегчающих реализацию плазменного механизма генерации радиоизлучения.

Найдем выражение для фазовой скорости волны. Для этого разделим обе части (10.11) и введем . Вспоминая, что фазовая скорость , получаем:

Из этого выражения следует, в частности, что фазовые скорости для ленгмюровских волн заключены в широкоих пределах --- от нескольких теплоавых скоростей света до бесконечности

В то же время групповая скорость продольных плазменных волн всегда меньше средней тепловой скорости электронов (как следует из уравнения (10.12)

Этим они существенно отличаются от поперечных электромагнитных волн, фазовые скорости которыхлжат выше скорости света (а групповые меньше c).

1.3. Генерация плазменных волн Условие (10.13) для фазовой скорости определяет возможность генерации плазменных волн механизмом Черенкова, для которого требуется, чтобы частица могла двигаться со скоростью, практически совпадающей со скоростью волны, находясь длитепльное время (много периодов) в области опрделенной фазы волны. Условием генерации волн является, как известно из теории черенковского механизма, рост числа частиц с увеличением их скорости:

где --- функция распределения частиы по скоростям. ОБычно появление положительной производной определяется потоком частиц через ``фоновую '' плазму. Распределение частиц по скоростям в этом случае имеет характер, представленный на Рис.10.3.

Рисунок 10.3 Функция распределения частиц по скоростям, ответственная за генерацию плзменных волн (поток частиц через плазму). Положительная производная кривой оказывается на низкоскоростном участке импульса скоростей потока, который возникает благодаря общей скорости потока. Как было показано выше, любой поток со сверхзвуковой скоростью может в принципе быть отвтественным за генерацию плазменных волн.

Наиболее изучен вариант плазменного механизма для всплесков радиоизлучения Солнца третьего типа, где генерация плазменных волн

Рисунок 10.2 Дисперсионная кривая для плазменных волн

обусловлена потоком ускоренных электронов, сгенерированных где-то в основании короны и двигающихся со скоростью около км/сек. Всплески типа 2 связаны с распространением ударных волн через корону со скоростями порядка 500-1000 км/сек. Эти скорости вообще говоря довольно близки тепловым скоростям частиц в короне, так что теории генерации таких всплесков обычно включают дополнительный процесс ускорения частиц, обычно электронов на фронте ударной волны. Последние и являются непосредственно ответственными за генерацию электростатических волн.

1.4. Трансформация плазменных волн в поперечные Дисперсионное соотношение для плазменных волн (10.11) показывает, в частности, что они возможны только при наличии фоновой плазмы. Впрочем это ясно из самого их физического смысла --- как колебаний электронов, которые по закону Кулона порождают соответствющее колеблющуеся электрическое поле. Таким образом, плазменный механизм определяется существенно тем, как плазменные колебания порождают поперечные электромагнитные волны, которые могут распространяться и в среде без фоновой плазмы значительной электронной плотности.

Известны два типа преобразования генерации поперечных волн плазменными: квазинейный механизм, при котором колеблющиеся с частотой генерируют электромагнитные волны приблизительно на той же частоте и комбинационное нелинейное рассеяние, при котором возможно слияние нескольких плазмонов, приводя к излучение на гармониках плазменной частоты.

На Рисунке 10.4 приведены дисперсионные кривые для плазменных волн и электромагнитных. Как видно из рисунка, вблизи X=1, то есть обасти плазменного резонанса обе кривые пересекаются, что означают, что оба типа волн имеют одинаковые фазовые скорости (чуть большие скорости света) и стало быть одинаковую длину волну. Колебания электронов, раскаченные одной волной могут быть источником генерации волны другого типа. Таким образом, волны разных типов сильно взаимодействуют друг с другом. Этот тип взаимодейсвия (с сохранением частоты) называется квазилинейным.

Рисунок 10.3. Дисперсионная кривая для плазменных волн Если раскачка электрона в плазме происходит по действием двух или большего чиса волн (вообще говоря, разных частот (скажем, и ) и направлений распространения), то в результитрующем движении электрона присутствуют так называемые комбинационные частоты: и . Соответсвенно волны на этих частотах могут генрироваться колеблющимися электронами. В случае плазменного механизма генерации радиоизлучения обе исходные частоты лишь немного выше плазменной . Так что суммарная частота и поперечная волна на этой частоте легко покидает плазму, определяя излучение второй гармоники. В тоже время ясно, что разностная частота лежит в области, где нвозможно распространения электромагнитных волн и она таким образом проявится в излучении не может. При рассмотрении конкретных моделей области излучения необходимо также учитывать и направление распространения, равно как и поляризацию соответствующих волн.

Учет этих факторов облегчается, если волны рассматривать подобно частицам ---- Ъ``плазмонам'' подобно тому как это делается в квантовой теории. При этом возможность взаимодействия или отсутствие таковой орпеделяется законами сохранения энергии ( частоты) и импульса ( волнового вектора ) плазмона. Так для описания результата слияния двух ленгмюровских (плазменных) плазмонов в один электромагнитный мы требуем выполнения условий

Второе условие, например, сравнительно легко реализовать для почти встречных поток плазменных волн (в магнтной трубке). В о всяком случае этот процесс, называемый комбинационным рассеянием, требует детального геометрии излучающей области.

1.5. Диагностика плазмы на основе плазменного механизма Основное применение плазменного механизма связано с интерпретацией генерации радиоизлучения всышек.

About this document ...

The command line arguments were:
latex2html lesson10.tex.

The translation was initiated by Susanna Tokhchukova on Втр Июл 23 20:56:21 MSD 2002

Susanna Tokhchukova
Втр Июл 23 20:56:21 MSD 2002