Функции распределения электронов по скоростям в плазменном торе Ио

Проведено объяснение вида функций распределения электронов по скоростям в различных областях плазменного тора Ио, измеренных КА «Voyager–1». В основе объяснения лежит представление о плазме тора Ио как о полностью ионизованной замагниченной термически неравновесной плазме, неравновесность которой св...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Вопросы атомной науки и техники
Date:	2003
Main Author:	Боев, A.Г.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2003
Subjects:	Космическая плазма
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111164
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Функции распределения электронов по скоростям в плазменном торе Ио / A.Г. Боев // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 183-186. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-111164
record_format	dspace
spelling	Боев, A.Г. 2017-01-08T16:47:21Z 2017-01-08T16:47:21Z 2003 Функции распределения электронов по скоростям в плазменном торе Ио / A.Г. Боев // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 183-186. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111164 533.3 Проведено объяснение вида функций распределения электронов по скоростям в различных областях плазменного тора Ио, измеренных КА «Voyager–1». В основе объяснения лежит представление о плазме тора Ио как о полностью ионизованной замагниченной термически неравновесной плазме, неравновесность которой связана с действующим в ней электрическим полем, вызванным «юпитерианским ветром». Сопоставление теоретической модели с данными космического эксперимента позволило оценить величину электрического поля и дать объяснение природы максвелловского «ядра» функций распределения – ему соответствует система электронов, находящихся в равновесии с излучением. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Космическая плазма Функции распределения электронов по скоростям в плазменном торе Ио Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Функции распределения электронов по скоростям в плазменном торе Ио
spellingShingle	Функции распределения электронов по скоростям в плазменном торе Ио Боев, A.Г. Космическая плазма
title_short	Функции распределения электронов по скоростям в плазменном торе Ио
title_full	Функции распределения электронов по скоростям в плазменном торе Ио
title_fullStr	Функции распределения электронов по скоростям в плазменном торе Ио
title_full_unstemmed	Функции распределения электронов по скоростям в плазменном торе Ио
title_sort	функции распределения электронов по скоростям в плазменном торе ио
author	Боев, A.Г.
author_facet	Боев, A.Г.
topic	Космическая плазма
topic_facet	Космическая плазма
publishDate	2003
language	Russian
container_title	Вопросы атомной науки и техники
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
format	Article
description	Проведено объяснение вида функций распределения электронов по скоростям в различных областях плазменного тора Ио, измеренных КА «Voyager–1». В основе объяснения лежит представление о плазме тора Ио как о полностью ионизованной замагниченной термически неравновесной плазме, неравновесность которой связана с действующим в ней электрическим полем, вызванным «юпитерианским ветром». Сопоставление теоретической модели с данными космического эксперимента позволило оценить величину электрического поля и дать объяснение природы максвелловского «ядра» функций распределения – ему соответствует система электронов, находящихся в равновесии с излучением.
issn	1562-6016
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111164
citation_txt	Функции распределения электронов по скоростям в плазменном торе Ио / A.Г. Боев // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 183-186. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT boevag funkciiraspredeleniâélektronovposkorostâmvplazmennomtoreio
first_indexed	2025-11-27T08:30:53Z
last_indexed	2025-11-27T08:30:53Z
_version_	1850806001164353536
fulltext	КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАЗМА УДК 533.3 ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ПО СКОРОСТЯМ В ПЛАЗМЕННОМ ТОРЕ ИО A.Г. Боев Радиоастрономический институт НАНУ, г.Харьков, Украина Проведено объяснение вида функций распределения электронов по скоростям в различных областях плазменного тора Ио, измеренных КА «Voyager–1». В основе объяснения лежит представление о плазме тора Ио как о полностью ионизованной замагниченной термически неравновесной плазме, неравновесность которой связана с действующим в ней электрическим полем, вызванным «юпитерианским ветром». Сопоставление теоретической модели с данными космического эксперимента позволило оценить величину электрического поля и дать объяснение природы максвелловского «ядра» функций распределения – ему соответствует система электронов, находящихся в равновесии с излучением. . 1. ВВЕДЕНИЕ Плазменный тор, образованный вращающимся вокруг Юпитера вулканически активным спутником Ио, является одним из интереснейших и необычных явлений в магнитосфере этой планеты, не имеющим аналога в Солнечной системе. Тор занимает значи- тельную часть пространства вокруг Юпитера – от четырех до восьми его радиусов, охватывая часть спутников (Ио, Европа, спутник 1979 J2). Свидетельства сильного взаимодействия магни- тосферы Юпитера с его спутником Ио известны дав- но как по оптическим, так и по радионаблюдениям (1956 г.). Первые непосредственные наблюдения Юпитера и его окрестностей, измерения магнитных полей, энергетических спектров и пространственно- го распределения заряженных частиц в магнитосфе- ре и ионосфере Юпитера были проведены космиче- скими аппаратами «Pioneer-10-11»в 1973-1974 гг. Акуна и Несс [1], в 1976 г. на основе данных о поглощении частиц, полученных КА «Pioneer-11», пришли к выводу о существовании плазменного кольца вокруг Юпитера. В марте 1979 г. оно было непосредственно обнаружено на телевизионных изображениях, полученных с КА «Voyager-1». Пер- вые прямые измерения параметров плазмы тора Ио также были проведены этим КА, когда он 5 марта 1979г. достиг точки наибольшего сближения с Юпи- тером - 4.89 RJ (RJ– радиус Юпитера). Проведенные при этом одновременные измерения концентраций положительных ионов - Ni и электронов - n указыва- ют на сложный радиальный профиль заряженных частиц в торе. Согласно оптическим и прямым изме- рениям плазма тора характеризуется сложным хими- ческим составом и высокими (∼100 эВ) ионными температурами [2] . Наряду с измерением макроскопических пара- метров плазмы тора проводилось и измерение функ- ций распределения электронов по скоростям (ФРЭ). В качестве характерных их черт следует отметить: наличие высокоэнергетичных «хвостов»; наличие точек «излома» ФРЭ при значениях на несколько порядков меньших максимума; наличие макс- велловской части (максвелловского ядра) с темпера- турой Tω, существенно меньшей температуры элек- тронов и ионов. Типичная ФРЭ центральной части тора показана на рисунке 1. Ей соответствует темпе- ратура электронов Te=6.3 эВ. Максвелловское «ядро» характеризуется концентрацией электронов 1250 см-3 и температурой 5 эВ. Температура «xво- ста» 626 эВ, концентрация 0.24 см-3 Имеющиеся тео- ретические объяснения тепловых свойств плазмы тора предполагают, что источником ионной компо- ненты плазмы тора является горячая (до 6000 С) Рис.1. Функция распределения электронов по скоростям в центральной части тора. Точки - экс- пери-мент, пунктир - ФРЭ Максвелла, сплошная ли- ния – теория поверхность Ио, а вращательная энергия свежевы- брошенных с поверхности Ио ионов, на порядок – два превышающая наблюдаемые средние энергии частиц, является основным источником нагрева электронов [2,3]. Если объяснение происхождения ионов возражений не вызывает, то объяснение про- цесса нагрева электронов встречается с рядом не- преодолимых трудностей из-за того, что время пере- дачи энергии ионами электронам (более года) пре- вышает время пребывания иона в торе (от 0.4 до 20 суток). Не объясненным является и происхождение максвелловского ядра электронной компоненты плазмы. Температура его Тм слишком высока, чтобы связать ее с наличием нейтральных атомов и их тем- пературой. Целью настоящей работы является объ- яснение наблюдаемых свойств функции распределе- ния электронов по скоростям, основываясь на суще- ствовании в торе электрического поля и излучения. В работе построена теоретическая модель формиро- вания кинетических свойств электронной компонен- ты плазмы тора, учитывающая основные процессы, характерные для высокотемпературной столкнови- тельной плазмы в скрещенных электрическом и маг- нитных полях. Показано, что функции распределе- ния электронов по скоростям, полученные КА «Voyager-1», представляют собой ни что иное как аналог ФРЭ Дрювестейна [4]. Высокоэнергетичные «хвосты» наблюдаемых ФРЭ соответствуют элек- тронам, нагретым сильным поперечным (по отноше- нию к магнитному полю) электрическим полем в условиях преобладания неупругих столкновений с ионами. Согласно [2,3,5] именно столкновения яв- ляются основным механизмом возбуждения эмис- сии, наблюдаемой с Земли и с различных КА. Ана- литическая аппроксимация наблюдаемых функций распределения позволила оценить величину элек- трического поля Е, действующего в плазме тора. По- казано, что величина его может быть объяснена лишь движением частиц «юпитерианского ветра» в магнитном поле Юпитера. При этом электрическое поле имеет только азимутальную компоненту, направленную в сторону вращения планеты. Макс- велловская же часть функции распределения форми- руется без влияния электрического поля и описыва- ет систему из электронов и излучения, находящихся в тепловом равновесии между собой. Таким образом, проведенное рассмотрение ука- зывает на существенную роль юпитерианского ветра и индуцируемого им электрического поля в фор- мировании свойств плазменного тора Ио. Плазмен- ный тор Ио представляет собой систему из возбу- жденных излучающих ионов, выброшенных с ее по- верхности и электронов, находящихся в равновесии с излучением. 2.КИНЕТИКА Согласно наземным и прямым измерениям [2,3,5,6] плазма тора Ио состоит в основном из ионов и электронов с концентрациями в централь- ной части тора ≤2000 см-3. Во внешней и внутренней частях тора концентрации этих частиц на порядок- два меньше. Из нейтральных частиц обнаружены лишь атомы калия и натрия. Время жизни нейтраль- ного атома до ионизации в торе согласно [2] состав- ляет 1 ч. Роль различных кинетических процессов в фор- мировании наблюдаемых ФРЭ заранее не ясна, и выяснение ее является целью дальнейшего рассмот- рения. Заранее можно лишь отбросить случай больших потерь энергии электронами при столкно- вениях с тяжелыми частицами, так как при этом вы- сокоэнергетичные части ФРЭ меньше макс- велловских, что противоречит наблюдениям. Поэто- му в дальнейшем будем исходить из общего выра- жения для симметричной части ФРЭ в случае плаз- мы с произвольной степенью ионизации, но с малой потерей энергии электронами при столкновениях [7]. : } )(3 2 {exp 1 22 2 2 2 2 0 1 du E m eAv m kT Auf k i pH p ii u k i ii − ⊥         + ++× ×        +−Φ= ∑ ∫ ∑ νω ν δ νδ ω . Здесь Φ - нормировочная постоянная; u -ско- рость электрона; νp-полная частота столкновений с передачей импульса; νi – полная частота столкнове- ний (упругих и неупругих) с передачей энергии; δi – доля энергии, передаваемая электроном при столк- новении; e и m – заряд и масса электрона; E⊥ - по- перечное электрическое поле; ωH -электронная гиро- частота. Для упругих столкновений δi =2m/M, где M - масса тяжелой частицы. Для неупругих столкнове- ний, сопровождающихся излучением тяжелой ча- стицей квантов с частотой ω [7] )(exp1 2 ,2 uuqN kTum ii i ii ii ω ωω νδ             −−=  , (1) где Ni и Ti – соответственно концентрация и темпе- ратура тяжелых частиц сорта «i»; k – постоянная Больцмана; qω,i – сечение неупругого рассеяния. Эф- фективная температура Tω,i излучающих частиц определяется формулой [7]: )/exp(1 )/exp( , ii iii i kT kT kT ω ωω ω   −− − = . (2) Суммирование в формуле для f проводится по всем сортам излучающих частиц и по всем ионным переходам. Величины А1 и А2 в ней характеризуют влияние межэлектронного взаимодействия на функ- цию распределения: 121 ),(2 A m kT AzFA e e == ν , .) 2 (,/ ),exp(2)exp(2)( 2/1 2 0 2 m kT uuuz zzdttzF e TT z ee == −−−= ∫ ππ В отсутствие электрического поля при относи- тельно больших А1 и А2 ФРЭ становится макс- велловской с температурой электронов, при относи- тельно малых – максвелловской, но уже с некой эф- фективной температурой .,,,,, ∑∑= k i ii k i iiiTT ωωωωωω νδνδ Это средняя температура системы квантов, излучае- мых различными ионами. Наличие в формуле частот столкновений с передачей энергии связано с различ- ной эффективностью их возбуждения. Возможность получения максвелловской ФРЭ с температурой Тω, отличной от температур электронов и ионов, далее будет использована для объяснения происхождения максвелловского ядра электронной компоненты плазмы тора. Для плазмы тора гирочастота суще- ственно превышает все частоты столкновений, сре- ди которых частота электронных столкновений яв- ляется доминирующей. Полная частота столкнове- ний с передачей импульса νp будет зависеть от ско- рости электрона так же, как и частота электрон- электронных столкновений. Таким образом, одина- ковыми зависимостями от скорости будут обладать и отношения частот. Поскольку явный вид зависи- мости суммарного сечения возбуждения ионов от скорости неизвестен, то она в дальнейшем будет ап- проксимироваться степенной зависимостью с неиз- вестным показателем степени S. В итоге для следу- ющих отношений частот получим: . 2 , 2 22 S T p S T e ee u uD u uC ++         =        = ωωωω νδ ν νδ ν Здесь С и D – также пока неизвестные безразмерные постоянные. В итоге после некоторых преобразова- ний выражение для функции распределения f может быть приведено к следующему виду: ,)exp( Wf −Φ= где ∫ ++ + ++ += eTuu S e S e S Ax T T xFCx T T xFCxxdxW / 0 22 2 )( )](1[2 ωω и D mkT EeA H 2 22 3 ωω ⊥= . Аппроксимация экспериментальной ФРЭ с помо- щью приведенных формул позволяет определить ве- личины A, C , S и отношение Tω/Te, а затем и элек- трическое поле E⊥ и параметры частот столкнове- ний. Если А=С=0, то ФРЭ является максвелловской с температурой Tω, поэтому для определения эффек- тивной температуры может быть использованы и положение точки излома и координата точки пере- сечения максвелловской ФРЭ с осью скоростей. Уравнениями для определения неизвестных па- раметров могут служить условия совпадения темпе- ратур различных частей ФРЭ, положения точек из- лома и пересечения максвелловской ФРЭ с осью скоростей. Отношение напряженности электриче- ского поля к магнитной индукции дается выражени- ем: 2/1 2 5 210464.2           ⋅= ∑ −⊥ i ii NZC AnT B E ω , где Zi и Ni –зарядовое число и концентрация “i”-го сорта ионов. 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ В процессе аппроксимации наблюдаемых ФРЭ величины A, C и S подбирались отдельно для каж- дой области тора, исходя из требования обеспечить максимальное совпадение во всех характерных эле- ментах. При этом оказалось, что хорошая аппрокси- мация наблюдаемых ФРЭ возможна только при зна- чении показателя степени S, близком к 2. При мень- ших положительных значениях S нельзя обеспечить наблюдаемого положения точки излома ФРЭ, при больших – нужной кривизны «хвоста», а при отри- цательных S – еще и убывания его с ростом скоро- сти. Дальнейшие результаты получены для значения S=2. Порядок и первые значащие цифры величин А и С определяются практически однозначно. Воз- можная вариация значений А и С в следующем по- рядке после первой значащей цифры почти не отра- жается на величине электрического поля. Эффектив- ное сечение неупругого столкновения должно со- гласно этим результатам убывать по закону )~(,~~ 46 −−− uquuqq e S eω , что качественно согласуется с поведением сечений возбуждения за максимумом [8]. Для ФРЭ центральной части тора хорошая ап- проксимация (см. рисунок 1, сплошная кривая) до- стигается при S =2, А=1.3⋅10-2, С=4.05⋅10-5. Для определения напряженности электрического поля и температуры максвелловского ядра плазмы привлекались данные прямых измерений ионного и химического состава плазмы, полученные КА «Voyager 1» [2,6]. Согласно им плазма центральной части тора очень сложна по своему ионному соста- ву, однако основную роль здесь играют однократ- ные ионы серы S+ (69%) и кислорода О+ (21 %), и поэтому далее будем считать ионную компоненту плазмы, состоящей лишь из этих ионов. Электрон- ная компонента плазмы при этом характеризуется следующими параметрами: n = 1250 cм-3, Тe = 6.3 эВ, Тω = 5 эВ Электронейтральность плазмы в этом случае может быть обеспечена 958 ионами серы и 292 ионами кис- лорода. Тогда 27.2=⊥E в/см и 11026.1/ − ⊥ ⋅=BE . (Средняя по долготе магнитная индукция в торе 0.02 гс). Электрическое поле такой величины не может быть индуцировано замедлением вращения плазмы тора относительно магнитосферы Юпитера, так как согласно оптическим измерениям [3] отклонение скорости вращения от коротационной (v0 =112 км/с) не превышает нескольких процентов. Этому откло- нению соответствует гораздо меньшее поле E⊥ =3⋅10- 5 В/см. Согласно величине отношения E⊥/В электри- ческое поле, необходимое для формирования экспе- риментально наблюдаемой ФРЭ, может быть объяс- нено лишь наличием в магнитосфере Юпитера ча- стиц, движущихся со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Действительно, приборы КА «Pioneer-10,11» [9] и «Voyager –1,2» [10] зафиксиро- вали радиальный «юпитерианский ветер» из ядер водорода, гелия и элементов средней части таблицы Менделеева с энергиями от 0.1…50 МэВ. Детальные энергетические спектры протонов для трех участков траектории «Pioneer-10» приведены в [9]. Электри- ческое поле, создаваемое таким ветром, имеет толь- ко азимутальную компоненту, направленную в сто- рону вращения Юпитера. Таким образом, электриче- ское поле, формирующее «хвосты» ФРЭ, индуциру- ется юпитерианским ветром, пересекающим сило- вые линии магнитного поля Юпитера. Перейдем теперь к оценке температуры Тω, макс- велловского ядра плазмы. При той электронной тем- пературе, которая имеется в этой части тора, в соот- ветствии с диаграммами Гротриана [3,5] будут воз- буждаться в основном два нижних уровня с суммар- ными энергиями квантов, равными 5 эВ для серы и 8 эВ для кислорода. Температуры ионов и серы ~ 8 эВ [2,5]. Эффективная температура Тω для рассматрива- емой двухкомпонентной смеси ионов имеет вид: SO SOOS TT T )/()(1 )/()( ωωωω ωωωωωω ω νδνδ νδνδ + + = , где эффективные температуры излучения ионов и серы вычислялись по формуле (2) и оказались рав- ными, соответственно: Tω S =5.75 эВ и Tω О =4.66 эВ. Отношение долей энергии, теряемых электрона- ми при столкновениях с ионами серы и кислорода, вычислялось с помощью формулы (1) 66.0)(/)( =SO ωωωω νδνδ . При этом предполагалось, что отношение сече- ний возбуждения и полных частот столкновений ионов серы и кислорода порядка единицы, т.е. .1~)/()( SO qq ωω νν Необходимость в такой гипотезе вызвана отсут- ствием точных данных о сечениях возбуждения. Оправданием ее могут служить оценки яркостей красных линий ионов серы и кислорода, получен- ные из оптических наблюдений и вполне коррелиру- ющие с процентным содержанием ионов [3]. В итоге с учетов всех предыдущих соотношений получаем Тω=5.31 эВ. Этот результат вполне согласуется со значением температуры максвелловского ядра плазмы, найден- ной из эксперимента. Отметим, что уменьшение температуры ионов на 1 эВ или уменьшение отно- шения сечений на порядок приводит к изменению Т ω в диапазоне от 4.8 до 5.7 эВ. Максимальная отно- сительная погрешность при этом составляет около 20% . 4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В заключение сформулируем основные выводы работы. Несмотря на ограниченный объем данных об ионной компоненте плазмы, можно достаточно уверенно утверждать, что в торе Ио существует сильное азимутальное электрическое поле, генери- руемое «юпитерианским ветром». Оно играет суще- ственную роль в формировании электронных функ- ций распределений по скоростям, создавая вы-соко- энергетичные «хвосты». Максвелловское ядро функ- ций распределения, формируется процессами взаи- модействия электронов с излучением, создаваемым возбужденными ионами. Отсутствие провалов на функциях распределения электронов вблизи порогов ионизации атомов и ионов химических элементов, образующих плазму, подтверждает известную гипо- тезу [2,3] о том, что основным источником ионов в плазме тора является горячая поверхность Ио. ЛИТЕРАТУРА 1. M .H. Acuna, N.F.Ness // J. Geophys .Res. 1976, vol. 81, p. 2917- 2922. 2. Д.Д. Салливен, Д.Д. Сиско. Наблюдения плаз- менного тора Ио. // Спутники Юпитера. М.: Мир, 1986, т.3, с.344. 3. К.Б. Пилчер, Д.Ф. Стробел. Эмиссия от ней- тральных частиц и ионов в магнитосфере Юпи- тера. Ibid. 4. И. Шкаровский, Т. Джонстон, М. Бачинский. Кинетика частиц плазмы, М.: Атомиздат, с.396. 5. R.A. Brown, C.D. Pilcher, D.F. Strobel. Spectro- metric Studies of the Io Torus. Phisics jf the Jovian Magneto-spher / Ed. by A.J Dessler. Cambr. Univ.- Press., 1983, p.546. 6. J.W.Belcher. The Low-Energy Plasma in the Jovian Magnetosphere. Ibid. 7. А.В.Гуревич, А.Б.Шварцбург. Нелинейная тео- рия распространения радиоволн в ионосфере. М.: Наука, 1973, с.272. 8. И. Мак-Даниэль. Процессы столкновений в ионизованных газах. М.: Мир, 1967, с.832. 9. Ф.Б. Мак-Дональд, Д.Г. Трейнер. Наблюдения энергичных юпитерианских электронов и про- тонов. Юпитер, т.3, / Под ред. Т. Герелса. М.: Мир, 1979, с.440. 10. A.W. Schardt, C.K Goertz. High – Energy Parti- cles. Phisics jf the Jovian Magnetosphere, / Ed. by A.J Dessler. Cambr. Univ.Press., 1983, p.546.

Функции распределения электронов по скоростям в плазменном торе Ио

Institution

Similar Items