Нелинейные возмущения и сопровождающие их эффекты нагрева и ускорения частиц в лабораторной и космической плазме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.03, доктор физико-математических наук Кичигин, Геннадий Николаевич

• Кичигин, Геннадий Николаевич
• доктор физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Кичигин, Геннадий Николаевич

Список принятых обозначений.

ВВЕДЕНИЕ

ЧАСТЬ I. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ, ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ПЛАЗМЕННЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ БОЛЬШОЙ

АМПЛИТУДЫ.

Введение.

ГЛАВА 1. Описание экспериментальных установок и диагностических методик

1.1. Установка "СОМБ"

1.2. Особенности энергетических спектров частиц в разреженной плазме.

1.3. Зондовые методики измерения плазменных параметров

1.3.1. Основы зондовых измерений в потоке разреженной плазме.

1.3.2. Измерение плазменного и плавающего потенциалов

1.3.3. Измерение уровня турбулентности плазмы с помощью ленгмюровских зондов

1.4. Метод пробного пучка для измерения турбулентных пульсаций в плазме

1.5 . Анализаторы энергетических спектров частиц

1.5.1. Дифференциальный анализатор ионной энергии на основе цилиндрического конденсатора.

1.5.2. Электростатический энергоанализатор для измерения ионной функции распределения по продольным и поперечным скоростям

ГЛАВА 2. Моделирование обтекания быстро движущего тела ионосферной плазмой и исследование процесса расширения плазмы в вакуум

2.1. Введение.

2.2. Закономерности расширения плазмы в вакуум

2.3. Структура следа при обтекании пластинки сверхзвуковым потоком плазмы. Результаты расчетов и экспериментов

2.4. Обсуждение результатов и возможных приложений

ГЛАВА 3. Эксперименты по моделированию вторжения энергичных электронов в полярную ионосферу.

3.1. Введение.

3.2. Постановка эксперимента и методы диагностики

3.3. Результаты эксперимента, их обсуждение и выводы.

ГЛАВА 4. Экспериментальные и теоретические исследования структуры фронта ламинарных и турбулентных бесстолкно-вительных ударных волн в незамагниченной плазме

4.1 . Введение.

4.2. Квазиламинарные ударные волны.

4.2.1. Теория ламинарных ударных волн, распространяющихся в бесстолкновительной незамагниченной плазме

4.2.1.1. Постановка задачи, основные уравнения

4.2.1.2. Методы численных расчетов

4.2.1.3. Результаты вычислений

4.2.2. Экспериментальные исследования ламинарных ударных волн.

4.2.2.1 Постановка эксперимента.

4.2.2.2. Результаты эксперимента и их обсуждение

4.3. Солитон в двухпотоковой плазме.

4.4. Турбулентные ударные волны.

4.4.1. Постановка задачи.

4.4.2. Установка и методы диагностики

4.4.3. Экспериментальные результаты.

4.4.3.1. Макроскопические характеристики ударной волны.

4.4.3.2. Анализ турбулентности в ударном фронте и возмущенной зоне.

4.4.3.3. Исследование функции распределения ионов в турбулентной области.

4.4.3.4. Обсуждение результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нелинейные возмущения и сопровождающие их эффекты нагрева и ускорения частиц в лабораторной и космической плазме»

ГЛАВА 5. Серфотронное ускорение заряженных частиц, захваченных в нелинейной периодической волне.131

5.1. Введение.131

5.2. Постановка задачи и основные уравнения .13:

5.3. Случай волны с малой амплитудой потенциала . 13(

5.3.1. Нерелятивистская стадия.13(

5.3.2. Релятивистская стадия.13í

5.4. Случай волны с большой амплитудой потенциала 13Í

5.5. Условия захвата частиц волной.14

5.6. Ускорение частиц в продольной плазменной волне 14; 5.6.1. Основные характеристики нелинейной плазменной волны .14

5.6.2. Ускорение электронов в плазменной волне, бегущей поперек слабого магнитного поля. 145

5.6.3. Серфотронное ускорение ионов в плазменной волне. 146

5.6.4. Расчет числа частиц, захваченных продольной волной в плазме. 147

5.7. Возможные причины ограничения времени ускорения частиц. 150

5.8. Обсуждение резултатов и возможных приложений 155

5.9. Основные результаты и выводы ГЛАВЫ 5 . 157

ГЛАВА 6. Серфотронное ускорение протонов в магнитозвуковых ударных волнах, распространяющихся в межпланетной плазме и в хромосфере Солнца. 159

6.1. Введение. 159

6.2. Теория серфотронного ускорения ионов во фронте ударной волны . 162

6.2.1. Обоснование выбора модели и постановка задачи . 162

6.2.2. Модель изомагнитного скачка с линейно нарастающим потенциалом . 163

6.2.2.1. Основные уравнения . 163

6.2.2.2. Динамика частиц во фронте. Условия захвата . 168

6.2.2.3. Методика вычислений на ЭВМ. Безразмерные параметры задачи . 172

6.2.2.4. Определение числа захваченных, пролетных и однократно отраженных частиц . 173

6.2.2.5. Условия выхода ионов из захвата. Оценка числа ускоренных частиц и величины энергии, отбираемой ими от волны. Влияние резонансных 6 ионов на макроскопическую структуру фронта 175 6.2.2.6. Результаты расчетов и их обсуждение . 179 6.2.3. Модель изомагнитного скачка с линейно нарастающим электрическим полем.189

6.2.3.1. Постановка задачи, основные уравнения 189

6.2.3.2. Результаты расчетов и их обсуждение . 192

6.3. Лабораторный эксперимент по исследованию сер-фотронного ускорения ионов в магнитозвуковой ударной волне .200

6.3.1. Схематическое описание эксперимента .200

6.3.2. Экспериментальные результаты.204

6.3.2.1. Ионные измерения вдоль фронта БУВ . 204

6.3.2.2. Измерения под углом к плоскости БУВ 206

6.3.3. Обсуждение результатов эксперимента.209

6.4. Оценки энергии протонов, ускоренных во фронте ударных волн на Солнце и других звездах .21(

6.4.1. Вывод соотношения для предельной энергии ионов в нерелятивистском случае .21(

6.4.2. Оценки предельной энергии протонов, ускоренных в хромосферной ударной волне в релятивистском случае .21:

6.4.3. Оценка влияния различных ограничений на предельные энергии частиц, ускоряемых в ударной волне .21

6.4.4. Об энергии ядер в плазменных оболочках звезд Галактики .21

6.5. Основные выводы ГЛАВЫ 6 .2Г

6.6. ПРИЛОЖЕНИЕ .22

Нахождение адиабатического инварианта.22

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.22

ЛИТЕРАТУРА. .22

Список принятых обозначений

О бщепринятые: с - скорость света и - круговая частота к, к - волновое число, волновой вектор

В, В - величина, вектор магнитного поля erf(x) — ¿ Jq exp(—t2)dt - интеграл вероятности

Для электронов: е - заряд т — масса Те - температура пе - плотность vTe — л/ 2Te/m - тепловая скорость ире = у/47гпее2/m - плазменная частота сосе = еВ/(гпс) - циклотронная частота de = VTe/^pe ~~ дебаевский радиус

Для протонов: е - заряд Мн ~ масса

Для ионов: q - заряд

Z = q/e - зарядовое число М - масса

А = М/Мн - атомный вес П{ - плотность Т{ - температура vtí = л/2Тг/М - тепловая скорость cs = л/Те/М - скорость ионного звука и - потоковая скорость upi — у//М - плазменная частота шс — qBJ{Mc) - циклотронная частота

ВВЕДЕНИЕ

Диссертация посвящена изучению нелинейных процессов в бес-столкновительной плазме с целью приложения к физике околоземной космической среды. Изложенные ниже исследования выполнены в рамках тематики Института Солнечно-Земной Физики (ИСЗФ) СО РАН. Основные рассматриваемые проблемы следующие:

I) формирование, закономерности распространения и эволюция возмущений большой амплитуды, созданных перепадами плотности, магнитного поля и мощными пакетами волн в лабораторной и космической плазме,

II) ускорение и нагрев заряженных частиц в плазме, сопровождающие упомянутые выше возмущения.

Актуальность. Вопросы нагрева и ускорения частиц в космической плазме постоянно находятся в центре внимания и являются актуальными. Как известно, наиболее эффективный нагрев и ускорение заряженных частиц имеет место в ударных волнах. Так, для объяснения происхождения космических лучей рассматривают ударные волны в межзвездной среде, в том числе - ударные волны от вспышек сверхновых. Ударными волнами, возбуждаемыми хро-мосферными вспышками, объясняют многие явления на Солнце, в том числе - происхождение быстрых частиц. Ключевую роль в геофизических явлениях, происходящих в околоземной плазме, играет достаточно подробно изученная бесстолкновительная ударная волна, огибающая магнитосферу Земли.

Согласно сложившимся к настоящему времени представлениям, околоземная ударная волна является достаточно сложным образованием. Ее форма и структура фронта сильно зависят от параметров солнечного ветра. В ударном фронте и за ним плазма, как правило, сильно турбулизована. Внутри фронта могут существовать субструктуры ("БиЬзЬоск") меньшего пространственного масштаба, типа изомагнитного скачка в магнитозвуковой ударной волне. Основной механизм бесстолкновительной диссипации солнечного ветра связан с образованием в ударном фронте многопотоковых течений плазмы с их последующей термализацией, протекающей вследствие развития турбулентности в плазме. Процессы, протекающие при этом в околоземной ударной волне, приводят к возникновению различных волн в широком диапазоне частот и быстрых частиц, проникающих в солнечный ветер, в переходный слой и внутрь магнитосферы. Изучение подобных явлений весьма актуально.

В настоящее время в физике бесстолкновительных ударных волн в плазме появились новые, не укладывающиеся в установившуюся картину, экспериментальные факты, полученные как в лабораторных экспериментах, так и с помощью спутниковых измерений параметров околоземной ударной волны. Среди них - отражение и сильный нагрев ионов в ударной волне с малым (меньше критического) числом Маха-Альфвена, отражение части налетающего потока частиц и нагрев ионов в околоземной ударной волне при скорости солнечного ветра меньше альфвеновской, ускорение ионов вдоль фронта ударной волны - серфотронное ускорение, ускорение электронов перед фронтом волны, уширение тепловой части электронной функции распределения. Многие из этих эффектов связывают с наличием ионов, отраженных от скачка электростатического потенциала во фронте волны [42]. Как известно, ионы, отраженные от фронта околоземной ударной волны, играют также важную роль в возбуждении геомагнитных пульсаций, регистрируемых на широкой сети наземных станций с целью прогноза геомагнитной обстановки. Все эти факты свидетельствуют о том, что исследование самого процесса отражения, и, в основном, зависимости количества отраженных ионов от параметров околоземной ударной волны весьма важно.

Запуск искусственных спутников и ракет вызвал интерес к изучению явлений, возникающих при обтекании тел потоком сильно разреженной плазмы [28-29]. При скорости потока много больше тепловой заполнение плазмой области тени за телом происходит за счет расширения плазмы в вакуум, а этот процесс можно рассматривать как эволюцию возмущения плазмы большой плотности с резкой границей. Такие возмущения достаточно часто возникают в космической плазме и потому понимание закономерностей их развития весьма важно. В частности, многократно высказывалась мысль о том, что образование солнечного ветра, возникающего при истечении плазмы с поверхности Солнца, а также полярного ветра в магнитосфере Земли, происходит по законам расширения плазмы в вакуум [30-31].

Для изучения околоземной среды в 80-х годах начались активные эксперименты (например, "Араке", "Зарница" и др.) по инжек-ции различных газов и пучков заряженных частиц в околоземную плазму, возбуждению искусственных пучково-плазменных разрядов в окрестности геофизических ракет и космических аппаратов. Активизировались и лабораторные эксперименты в этом направлении. Один из таких экспериментов рассматривается в диссертации. С момента начала этих экспериментов исследования взаимодействия потоков энергичных электронов с ионосферой начались на качественно новом уровне [32] и потому оказались актуальными. Эти исследования чрезвычайно интересны, так как, в частности, моделируют вторжение пучков быстрых электронов в полярную ионосферу. Такое вторжение приводит к целому ряду явлений, типа полярных сияний, постоянно находящихся в поле зрения исследователей.

В последнее время для объяснения больших значений энергии космических лучей (КЛ) астрофизиками интенсивно привлекается серфотронный механизм ускорения частиц [33]. Этот механизм позволяет обеспечить необычайно высокий темп ускорения. В космической среде с помощью этого механизма возможно длительное ускорение части заряженных частиц среды, захваченных либо ударной, либо квазипродольной плазменной волной, распространяющейся в слабом поперечном внешнем магнитном поле. Как показывают оценки, в продольной плазменной волне имеется принципиальная возможность возрастания предельной энергии галактических КЛ до величин (1017 -т- Ю20эВ) [33], существенно превышающих значения, которые может обеспечить механизм диффузионного ускорения частиц в ударных волнах [97].

Серфотронный механизм ускорения ионов широко применялся для объяснения происхождения солнечных протонов с энергиями более 1 МэВ. В основном, использовалась идея об ускорении протонов во фронтах магнитозвуковых ударных волн, возбуждаемых хромосферными вспышками на Солнце [35-41]. Для ударной волны, распространяющейся в хромосфере Солнца с малыми числами Маха-Альфвена (Мд < 3) скачки магнитного поля и потенциала во фронте имеют сравнимые пространственные масштабы, при этом максимальные энергии, до которых могут ускориться протоны, не превосходят 10 МэВ [35]. При Ма > 3 возможен режим, когда на фоне плавно нарастающего магнитного поля наблюдается резкий скачок потенциала на масштабе порядка дебаевской длины, в пределах которого магнитное поле практически не меняется по величине, - так называемый изомагнитный скачок. Величина продольного электрического поля в изомагнитном скачке может превзойти величину поперечного магнитного поля, а в этом случае, который подробно рассматривается в диссертации, серфотронный механизм, в принципе, может обеспечить для захваченных в скачке ионов ускорение до сколь угодно больших энергий.

Цель работы - исследовать нелинейные, в том числе - и ударные возмущения в бесстолкновительной плазме и сопровождающие их процессы нагрева и ускорения частиц в приложении к солнечно-магнитосферной физике и к физике галактической плазмы. Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Экспериментально исследовать процесс обтекания тела быстрым потоком бесстолкновительной плазмы, моделирующий движение космического аппарата в ионосфере.

2. Выяснить физическую природу процессов, происходящих в околоземной и межпланетных ударных волнах, путем проведения экспериментальных и теоретических исследований.

3. Изучить в лабораторной плазме особенности пучково-плаз-менного взаимодействия, которое сопровождает вторжение энергичных электронов с полярную ионосферу,

4. Детально исследовать один из возможных механизмов генерации космических лучей - серфотронное ускорения частиц, захваченных либо в нелинейной продольной волне, либо во фронте маг-нитозвуковой ударной волны.

5. Определить диапазон энергий: а) галактических КЛ, генерируемых за счет серфотронного ускорения в нелинейных плазменных волнах, б) протонов, ускоренных в ударных волнах, возбуждаемых хромосферными вспышками на Солнце.

Научная новизна. Новизна диссертации в основном определяется успешным решением всех поставленных задач. В качестве основных новых результатов, представленных и проанализированных в диссертации, можно выделить следующие:

1. Экспериментально изучен процесс обтекания тела потоком плазмы. Одновременно исследован процесс расширения плазмы в вакуум и продемонстрировано, что расширение сопровождается ускорением ионов [1].

2. Подробно исследованы условия формирования, структура и свойства ламинарных ударных волн в незамагниченной плазме [2-5]. Показано, что в формировании структуры ламинарной волны определяющую роль играют ионы, отраженные от фронта волны, которые также играют роль бесстолкновительной диссипации в ударной волне. Показано, что структура волны и ее свойства в существенной мере зависят от скорости волны (от числа Маха). Найдена предельная скорость волны, величина которой зависит от температуры ионов плазмы.

Установлено, что при скоростях плазменных возмущений, превышающих предельное значение, характерное для ламинарных волн, образуется новый тип ударной волны, структура которой определяется турбулентными процессами во фронте волны. Подробно изучены свойства турбулентной электростатической ударной волны, и происходящие в ней процессы бесстолкновительной диссипации и нагрева частиц [5-11].

3. Для электронного пучка в плазме, плотность которой близка к ионосферной, экспериментально продемонстрировано наличие модуляционной неустойчивости, приводящей к коллапсу области сильного электрического высокочастотного поля [12-13]. Процесс коллапса завершается быстрым затуханием поля, энергия которого уходит на нагрев и ускорение электронов плазмы.

4. Высказана и обсуждена новая идея о возможности ускорения до релятивистских и ультрарелятивистских энергий ионов в магни-тозвуковых ударных волнах с изомагнитным скачком, распространяющихся в космической плазме [14-18]. Показано, что в скачке магнитозвуковой ударной волны, распространяющейся в атмосфере Солнца, реально ускорение протонов до энергий 1 -т- 10 ГэВ [18].

5. Исследован процесс ускорения частиц, захваченных периодической потенциальной волной, движущейся поперек слабого однородного магнитного поля [20]. В рамках простой модели пространственной структуры полей волны найдены в аналитическом виде решения релятивистских уравнений движения частиц. Определены условия захвата частиц в волну и найдено число захваченных частиц. Оценена энергия галактических КЛ, ускоренных периодической плазменной волной.

Научная и практическая ценность. Научное значение диссертации определяется детальным анализом процессов формирования нелинейных возмущений и ударных волн в бесстолкновительной плазме, изучением их свойств, построением с общих позиций теории серфотронного механизма ускорения частиц.

Проведенные исследования по бесстолкновительным ударным волнам имеют большое практическое значение, так как дают возможность в совокупности со спутниковыми данными получить более полную картину о структуре околоземной ударной волны и механизмах ее образования.

Несомненную практическую ценность представляют собой результаты детального исследования нового, перспективного механизма ускорения, называемого серфотронным, с помощью которого появляется возможность объяснить образование высокоэнергичной (> 1012)эВ компоненты КЛ, а также понять механизм образования хромосферных протонов с энергиями до десятков ГэВ.

Основная практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы в приложениях к физике галактических КЛ, солнечно-земной физики, планетарной геофизики, физики плазмы, физики ускорителей.

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались на семинарах ИСЗФ СО РАН, ИЯФ СО РАН, ИКИ РАН, ИАЭ, ФИАН, ИПФАН, международной конференции в Голландии (1975), всесоюзных конференциях (1969, 1975, 1976), рабочем совещании в Новосибирске (1988), региональном семинаре в Якутске (1988), Ассамблее IAGA в Швеции (1997), Ассамблее EGS в Австрии (1997) и др. Всего по теме диссертации за период 1966-1998 гг. опубликовано более 30 работ, основные результаты изложены в работах [1-27].

Содержание работы

Диссертация состоит из двух частей. Первая часть содержит Введение и 4 главы. Во второй части имеются Введение, 2 главы, Приложение, Основные выводы и Литература. Всего в работе 173 страницы текста, 70 рисунков. Список литературы состоит из 122-х наименований. Общий объем диссертации 234 страницы.

Заключение диссертации по теме «Физика Солнца», Кичигин, Геннадий Николаевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные с целью выяснения физики процессов, протекающих в околоземной ударной волне, можно сформулировать в виде следующих пунктов: а) Показана принципиальная возможность образования ударных волн ламинарного и турбулентного типов в бесстолкновительной плазме. б) Получена достаточно полная информация о свойствах ламинарных ударных волн. Путем теоретических исследований и в экспериментах детально изучен процесс их формирования, определена область параметров, при которых образуются ламинарные ударные волны, подробно исследована структура волн в области их существования. в) В численных расчетах определена область существования нелинейных волн в двухпотоковой плазме в зависимости от скорости и плотности потоков. Найдено решение типа уединенной волны для двух одинаковых взаимопроникающих потоков, имеющих отличную от нуля температуру ионов. г) Экспериментально обнаружена и изучена установившаяся турбулентная ударная волна в плазме. Турбулентная область во фронте ударной волны формируется вследствие возбуждения в ней колебаний с большой амплитудой, появление которых в свою очередь обязано наличию ион-ионной неустойчивости из-за двухпотокового движения в ударном фронте. д) Установлена определяющая роль ионов, отраженных от фронта ударной волны. Найдено, с одной стороны, что наличие этих ионов имеет принципиальное значение для образования самой ударной волны как ламинарной, так и турбулентной природы. С другой стороны, выяснено, что отраженные ионы несут в себе большой запас энергии, который соизмерим с энергией набегающего на фронт волны потока плазмы. Эта энергия может трансформироваться в нагрев и ускорение частиц во фронте.

2. При изучении в лабораторном эксперименте структуры ближнего "следа", возникающего за пластинкой при ее обтекании сверхзвуковым потоком плазмы, плотность которой близка к плотности ионосферной плазмы, выявлены следующие особенности: а) заполнение области "тени" за пластинкой происходит по законам расширения плазмы в вакуум, плазма при этом движется с крутым фронтом, ширина которого определяется тепловым разбросом ионов. За счет существования во фронте электрического поля происходит непрерывное ускорение ионов. Ускоряющее поле по порядку величины можно оценивать из выражения Е0 ~ Ге/с?е, где Те, с1е - температура и дебаевский радиус электронов, соответственно. б) получены убедительные доказательства в пользу определяющей роли дисперсии в формировании следа. Действительно, сравнение экспериментальной картины с расчетами свидетельствует о том, что след по своей структуре представляет собой установившуюся нелинейную волну с колебаниями пространственной структуры определяемой длиной дисперсии (в данном случае - это дебаевский радиус).

3. В лабораторном эксперименте, моделирующим вторжение энергичных электронов в полярную ионосферу, изучена модуляционная неустойчивость ленгмюровских волн. При ее развитии происходит "схлопывание" области сильного поля, которое завершается резким затуханием поля. Энергия поля поглощается электронами плазмы, за счет чего происходит их нагрев и ускорение.

4. Исследования серфотронного механизма ускорения частиц, проведенные с целью выяснения возможностей получения с помощью этого механизма больших энергий КЛ, дали следующие результаты: а) Найдены общие решения релятивистских уравнений движения частиц в электромагнитных полях, обеспечивающих их серфотрон-ное ускорение. Подробно исследован полный цикл серфотронного ускорения, начиная от нерелятивистской стадии, до стадии, когда частицы имеют ультрарелятивистские энергии. Найдены условия захвата и определено число захваченных частиц. Определен темп ускорения. Найдены зависимости всех интересующих параметров от времени. б) Решена задача о серфотронном ускорении частиц для двух конкретных, практически осуществимых случаев:

- пучок частиц в виде кратковременного импульса инжектируется в направлении движения электромагнитной волны в определенной ее фазе, захватывается волной и затем подвергается ускорению,

- частицы плазмы захватываются продольной плазменной волной в процессе создания волны и затем ускоряются. в) В качестве приложения разработанной теории показано, что серфотронный механизм может обеспечить ускорение заряженных частиц, захваченных в нелинейную плазменную волну, пересекающую галактический диск, до энергий ~ 1019 -г- 1021эВ. д) Рассмотрены причины, ограничивающие во времени ускорительный процесс. Основная причина, ограничивающая предельную энергию - это конечный размер области распространения волн, в которых происходит ускорение частиц.

Отмечена интересная особенность, которая состоит в том, что при серфотронном ускорении электронов отсутствует самый опасный вид излучения - синхротронный, за счет которого обычно в Галактике энергия электронов ограничивается величиной 1015эВ [97]. Показано, что всеми другими видами излучения, возникающими при серфотронном ускорении электронов в плазменной волне, можно пренебречь, поэтому в галактическом диске электроны могут ускориться так же, как и ионы до энергий ~ 1021эВ.

5. Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные с целью изучения серфотронного механизма ускорения протонов в солнечной атмосфере, привели к следующим результатам: а) Исследован полный цикл ускорения ионов, захваченных в изо-магнитном скачке магнитозвуковой ударной волны. Определены условия, при которых происходит захват ионов, выяснена принципиальная возможность неограниченного ускорения ионов во фронте волны с изомагнитным скачком. Найдено полное число захваченных частиц. Оценена энергия, отбираемая ионами от волны. Получены зависимости энергии ускоренных частиц от величины электрического поля в скачке, температуры и массы ионов. б) В лабораторном эксперименте получено убедительное доказательство наличия серфотронного ускорения ионов во фронте поперечной магнитозвуковой ударной волны. в) Показано, что во фронте магнитозвуковой ударной волны с изомагнитным скачком, распространяющейся в атмосфере Солнца, реально серфотронное ускорение протонов до энергий l-f-Ю ГэВ. Отмечена возможность ускорения ядер в плазменных оболочках звезд до энергий ~ 1013эВ.

6. Суммируя результаты ГЛАВ 5 и б, можно предположить, что с помощью серфотронного механизма приобретения энергии заряженными частицами в нелинейных волнах возможно объяснить образование КЛ в Галактике во всем наблюдаемом на Земле диапазоне энергий. Действительно, из результатов ГЛАВЫ 6 следует, что во фронте ударных волн в атмосфере звезд частицы могут ускорятся от тепловых энергий до энергий ~ 1013 эВ. Далее, как показано в ГЛАВЕ 5, они могут ускорятся в нелинейных плазменных волнах до энергий ~ 1019 1021 эВ.

Найдено, что концентрация частиц, захваченных и ускоренных в ударных волнах, распространяющейся в плазменной оболочке звезд, достаточна, чтобы обеспечить наблюдаемую концентрацию КЛ в Галактике. Следовательно, звезды могут играть роль источников, в которых происходит начальная инжекция частиц, которые в дальнейшем образуют совокупность ядер, входящих в состав КЛ.

В заключение выражаю глубокую признательность всем моим соавторам за полезное сотрудничество и дружескую поддержку. Искренне благодарен Шухману И.Г., Чурилову С.М., Еселевичу В.Г., Пономареву Е.А., Леоновичу A.C., Дворникову В.М. за ценные и плодотворные обсуждения. Считаю приятным долгом поблагодарить Потапова A.C. за постоянную помощь и интерес к работе.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Кичигин, Геннадий Николаевич, 1999 год

1. Алиханов С.Г., Белан В.Г., Кичигин Г.Н., Чеботаев П.З. ЖЭТФ,1970, т.59, в.6, С.1961.

2. Алиханов С.Г., Белан В.Г., Кичигин Г.Н., Сагдеев Р.З. Труды Н-й Всесоюзной конференции по низкотемпературной плазме, Минск, 1969.

3. Алиханов С.Г., Белан В.Г., Кичигин Г.Н., Чеботаев П.З. ЖЭТФ,1971, т.60, в.З, С.982.

4. Alikhanov S.G., Kichigin G.N., Konkashbaev I.K. Plasma Phys., 1972,1. N4, p.6.

5. Кичигин Г.Н. Эксперименты по исследованию нелинейных установившихся возмущений в бесстолкновительной плазме. Кандидатская диссертация, 1975, ИАЭ, Москва.

6. Волков О.Л., Еселевич В.Г., Кичигин Г.Н., Паперный В.Л.

7. ЖЭТФ, 1974, т.67, в.11, С.1689.

8. Alikhanov S.G., Belan V.G., Kichigin G.N. Phys. Letters, 1969, V.29A,1. N6, p. 343.

9. Волков О.Л., Еселевич В.Г., Кичигин Г.Н., Паперный В.Л., Фридман A.M. Труды XII-й международной конференции по физикеионизованных газов. Голландия, 1975.

10. Астраханцев Н.В., Волков О.Л., Еселевич В.Г., Кичигин Г.Н.,

11. Паперный В.Л. Тезисы доклада на Всесоюзной конференции поплазменной астрофизике, 1976, "Наука", Москва.

12. Кичигин Г.Н. Сб. "Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца", 1980, вып.54, С.З.

13. Астраханцев Н.В., Волков O.JI., Еселевич В.Г., Кичигин Г.Н.,

14. Паперный В.Л. ЖЭТФ, 1978, т.75, С.1289.

15. Астраханцев Н.В., Волков О.Л., Караваев Ю.С., Кичигин Г.Н.

16. Препринт СибИЗМИР СО АН СССР, 1983, N17-83, 9 стр.

17. Astrakhantsev N.V., Volkov O.L., Karavaev Yu.S., Kichigin G.N. Phys.1.tters, 1985, V.A110, p. 129.

18. Алтынцев А.Т.,Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В., Строкин H.A. Письма в Астрономический журнал, 1989, Т.15, N.5, С.475.

19. Алтынцев А.Т., Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В., Строкин H.A.1. ЖЭТФ 1989 Т 96 N 2 С 574

20. Кичигин Г.Н. Препринт СибИЗМИР СО АН СССР, Иркутск,1990, N8-90, 11 стр.

21. Кичигин Г.Н. ЖЭТФ, 1992, Т.101, N.5, С.1487.

22. Кичигин Г.Н. Письма в Астрономический журнал, 1993, Т.19, N.6, С.547.

23. Индюков А.Е., Кичигин Г.Н., Строкин H.A. Физика плазмы, 1996, Т 22 N 8 С 1

24. Кичигин Г.Н. ЖЭТФ, 1995, Т.108, N.4(10), С.1342.

25. Алиханов С.Г., Белан В.Г., Кичигин Г.Н. Препринт N74-70, ИЯФ СО АН СССР, 1966, Новосибирск.

26. Астраханцев Н.В., Еселевич В.Г., Кичигин Г.Н., Паперный B.JI. Физика плазмы, 1979, т.5, N1, С.449.

27. Астраханцев Н.В.,, Кичигин Г.Н., Паперный B.JI. Сб. "Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца", 1980, вып. 54, С.73.

28. Астраханцев Н.В.,, Кичигин Г.Н., Паперный B.JI., Симонов В.Г. Физика плазмы, 1979, т.5, N1, С.613.

29. Астраханцев Н.В., Еселевич В.Г., Кичигин Г.Н., Паперный B.JI.

30. ЖТФ, 1978, т.48, N2, С.297.

31. Астраханцев Н.В.,, Кичигин Г.Н., Паперный B.JI. Сб. "Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца", 1980, вып. 54, С.86.

32. Алтынцев А.Т., Астраханцев Н.В., Кичигин Г.Н., Красов В.И., Лебедев Н.В., Паперный В.Л., Симонов В.Г. Сб. "Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца", 1980, вып. 54, С.З.

33. Альперт Я.Л., Гуревич A.B., Питаевский Л.П. Искусственныеспутники в разреженной плазме, М., Наука, 1964.

34. Гуревич A.B., Питаевский Л.П., Смирнова В.В. УФН, 1969, Т.99,1. С 3

35. Banks P.M. and Holzer Т.Е. J.Geophys.Res. 1968, V.73, p. 6846.

36. Singh N. and Schunk R.W. J.Geophys.Res. 1982, V.87, p.9154.

37. Мишин Е.В.,Ружин Ю.Я.,Телегин В.А. Взаимодействие электронных потоков с ионосферной плазмой, Гидрометеоиздат, 1989.

38. Ерохин Н.С., Моисеев С.С., Сагдеев Р.З. Письма АЖ, 1989, т.15,1. N 1, С.З.

39. Сагдеев Р.З. Вопросы теории плазмы, вып.4, Атомиздат, М., 1964.

40. Gubchenko V.M., Zaitsev V.V. Solar Phys. 1979. V.63. P.337.

41. Ohsawa Y. Phys. Fluids. 1985. V.28. P.2130.

42. Ohsawa Y., Sakai J.-I. Geoph. Res. Lett. 1985. V.12. P.617.231

43. Ohsawa Y. Phys. Fluids. 1986. V.29. P.773.

44. Ohsawa Y. Phys. Fluids. 1986. V.29. P.1844.

45. Ohsawa Y. Phys. Soc. Jap. 1987. V.56. P.443.

46. Ohsawa Y. Phys. Soc. Jap. 1988. V.57. P.929.

47. Strokin N.A., Indyukov A.E., Kichigin G.N. J. Geophys. Res.,1998,1. V.103, A9, p. 20541.

48. Ohsawa Y. Geoph. Res. Lett. 1987. V.14. P.95.

49. Богащенко И.А., Гуревич A.B., Салимов P.A., Эйдельман Ю.И.1. ЖЭТФ, 1970, Т.59, С.1540.

50. Чан П., Тэлбот JL, Турян К. Электрические зонды в неподвижнойи движущейся плазме, М., "Мир", 1978.

51. Диагностика плазмы, под ред. Р.Хадлстоуна и С.Леонарда,1. Мир", 1967.

52. Kiel R.E., Gustafson W.A. Phys. Fluids, 1966, V.9, p.1531.

53. Князюк B.C., Москаленко A.M. Геомагнетизм и аэрономия, 1965, Т. 5, С.1105.

54. Жуков В.В. Труды радиотехнического института АН СССР, 1972, N 8, С.42.

55. Койдан B.C., Пономаренко А.Г., Рогозин А.И., Рютов Д.Д. В Сб.:

56. Диагностика плазмы", вып.З. М., Атомиздат, 1978.

57. Плетнева Н.И., Саттаров Д.К., Семенов Е.П. Опт.-механ. промсть, 1976, том 2, С.67.

58. Eubank Н.Р., Wilkerson T.D. Rev. Sei. Instrum., 1963, V.34, p.12.

59. Arnow M., Jones D.R. Rev. Sei. Instrum., 1972, Y.43, p.72.

60. Daly N.R. Rev. Sei. Instrum., 1960, V.31, p.264; p.720.

61. Алиновский Н.И., Нестерихин Ю.Е., Рогозин А.И. Теплофизикавысоких температур, 1970, N8, С.359.

62. Тютиков A.M., Шапиро Ю.Л. ЖЭТФ, 1963, Т.33, С.1265.

63. Гуревич A.B., Парийская Л.В., Питаевский Л.П. ЖЭТФ, 1965, Т.49, С.647.

64. Гуревич A.B., Парийская Л.В., Питаевский Л.П. ЖЭТФ, 1968, Т.54, С.891.

65. Decoste R. and Pirin В.Н. Phys. Rev. Lett., 1978, V.40, p.34.

66. Векслер В.И., Саранцев В.П. и др. Доклад на VI Международнойконференции по ускорителям, Кембридж, США, 1967.

67. Теория когерентного ускорения частиц и излучение релятивистских пучков, Труды ФИАН, 1973, том.66, Наука.

68. Гинзбург В.Д., Сыроватский С.И. Происхождение космическихлучей, Изд-во АН СССР.М., 1963.

69. Незлин М.В. Динамика пучков в плазме. М.: "Энергоиздат",1982.

70. Галеев A.A., Сагдеев Р.З., Сигов Ю.С. Физика плазмы, 1975, том 1,N 1, С.10.

71. Галеев A.A., Сагдеев Р.З., Шапиро В.Д., Шевченко В.И. ЖЭТФ,1977, том 73, N 10, С.1352.

72. Горев В.В., Кингсеп A.C., Рудаков А.И. Радиофизика, 1976, том19, N 5-6, С.691.

73. Gurnett D.A. and Anderson R.R. Science, 1976, v.l94,p.H59; J.

74. Geophys. Res., 1977,v.82,p.632.

75. Веденов A.A., Рютов Д.Д. Сб. "Вопросы теории плазмы". М.;

76. Атомиздат", 1972, вып.6, С.З.

77. Коваленко В.П. "Успехи физ.наук", 1983, т.139, вып.2, С.223.

78. Захаров В.Е. ЖЭТФ, 1972, т.62, вып.5, С.1745.

79. Berrnstein I.B., Greene I.M., Krustkai M.D. Phys. Rev., 1957, , V.108, р.З, p.546.

80. Веденов A.A., Велихов Е.П., Сагдеев Р.З. Ядерный синтез, 1961, Т.1, С.82.

81. Kennel C.F., Sagdeev R.Z. J. Geoph. Res., 1967, V.72, p.3303.

82. Галеев A.A., Сагдеев Р.З. Вопросы теории плазмы, вып.7, Атомиздат, М., 1973.

83. Карпман В.И. Нелинейные волны в диспергирующих средах, Наука, М., 1973.

84. Moiseev S.S., Sagdeev R.Z. J. Niel. Energy, 1963, PC5, p.43.

85. Montgomery D., Joyce G. J. Plasma Phys., 1969, V.3, p.l.

86. Smith A. J.Plasma Phys., 1970, V.4, p.511; p.549.

87. Shamel H. J.Plasma Phys., 1972, V.7, p.l.

88. Parker E. Phys. Rev., 1958, V.112, p.1429.

89. Wong A.Y., Means R.W. Phys. Rev. Lett., 1971, V.27, p.973.

90. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программированиена ФОРТРАНе, "Мир", 1969.

91. Пикельнер С.Б. Основы космической электродинамики, Наука,1. М., 1966.

92. Ikezi H., Taylor R.J., Baker D.R. Phys. Rev. Letters, 1970, V.25, p.ll.

93. Kohn D.B., Mak Kienzie K.R. Phys. Rev. Lett., 1973, V.30, p.258.

94. Гуревич A.B. ЖЭТФ, 1967, T.53, N 4, C.954.

95. Алиханов С.Г.,Сагдеев Р.З., Чеботаев П.З. ЖЭТФ, 1969, том 57, С.1565.

96. Электродинамика плазмы, под редакцией А.И.Ахиезера, М., "Наука", 1974.

97. Веденов A.A., Велихов Е.П., Сагдеев Р.З. УФН, 1961, Т.73, С.701.

98. Formisano V., Hedgcock С. J. Geoph. Res., 1973, V.78, p.3705.

99. Еселевич В.Г., Еськов А.Г., Куртмуллаев Р.Х., Малютин А.Р.1. ЖЭТФ. 1971. Т.60. С.2079.

100. Карташев К.В., Пистунович В.И., Платонов В.В., Рютов В.Д.,

101. Филимонова Е.А. Физика плазмы, 1975, Т.1, С.742.

102. Иванов A.A., Крашенинников С.И., Соболева Т.К., Юшманов

103. П.Н. Физика плазмы, 1975, Т.1, С.753.

104. Кадомцев Б.Б. В сб.: "Вопросы теории плазмы", 4, Атоммиздат,1964, С.216.

105. Biskamp D., Pfirsch D. Phys. Fluids, 1969, V.12, p.732.

106. Алиханов С.Г., Алиновский А.И., Долгов-Савельев Г.Г., Еселевич В.Г., Куртмуллаев Р.Х., Малиновский В.К., Нестерихин Ю.Е., Пильский В.И., Сагдеев Р.З., Семенов В.Н. III Международная конференция по физике плазмы, Новосибирск, 1968, доклад 24/А.

107. Бережко Е.Г. и Крымский Г.Ф. Успехи физ. наук. 1988. Т.154. С.49.

108. Буланов C.B. и Сахаров A.C. Письма в ЖЭТФ. 1986. Т.44. С.421.

109. Грибов Б.Э., Сагдеев Р.З., Шапиро В.Д. и Шевченко В.И. Письма в Журн.эксперим.и теор.физики. 1985. Т.42. С.54.

110. Dawson J.M., Katsouleas T. Phys.Rev.Lett., 1983. V.51. P.392.

111. Файнберг Я.Б. Физика плазмы, 1987, Т.13, вып.5, С.607.

112. Nishida Y., Yugami N., Onihasi H., Taura T. and Otsuda K. Phys. Rev.1.tt., 1991, Vol. 66, p.1854.

113. Tajima T. and Dawson J.M. Phys. Rev. Lett., 1979, Vol. 43, p.267.

114. Breizman В., Fisher D.L., Chebotaev P.Z. and Tajima T. Preprint oi

115. Institute for Fusion Studies DOE/ET-53088-502, June, 1991.

116. Арцимович JI.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков, М.1. Атомиздат, 1979.

117. Eselevich V.G. Space Sei. Rev.1982. V.32. P.65.

118. Eselevich V.G. Planet. Space Sei. 1983. 1983. V.31. P.615.

119. Еселевич В.Г., Филиппов M.А. Физика плазмы. 1981. Т.7. С.1208.234

120. Paul J.W.M., Holmes L.S., Parkinson M.J., Sheffield J. Nature. 1965. V.208. P.133.

121. Sckopke N., Paschmann G., Barne S.J., Gosling J.T., Russell C.T. J. Geoph. Res., 1983. V.88. P.6121.

122. Застенкер Г.Н., Скальский A.A. Космич. исслед., 1986. Т.24.1. С.69.

123. Formisano F. Geoph. Res. Letters. 1982. V.9. P. 1033.

124. Morse D.L., Greenstadt E.W. J. Geoph. Res. 1976. V.81. P.1791.

125. Russell C.T., Greenstadt E.W. Space Sei. Rev. 1979. V.23. P.3.

126. Russell C.T., Hoppe M.M., Livesey W.A., Gosling J.T., Barne S.J. Geoph

127. Res. Letters. 1982. V.9. P.1171.

128. Строкин H.A. ЖЭТФ, 1985. T.88. C.2005.

129. Ogilvie K.W., Coplan M.A., Zwickl R.D. J. Geoph. Res. 1982. V.87 P.7363.

130. Фельдман У., Асбридж Дж. Бейм С., Гослинг Дж. Поток энергик Солнца и его изменения. Под. ред. О.Р.Уайта. М., Мир, 1980 С.377.

131. Phillips P.E., Robson А.Е. Phys. Rev. Letters. 1972. V.29. P.154.

132. Leroy M.M. Phys. Fluids. 1983. V.26. P.2742.

133. Sakai J.I., Ohsawa Y. Space Sei. Rev., 1987, V.46, P.113.

134. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. М.:Наука, 1965. С.193.