Иванов В.Е. Прохождение электронных и протонно-водородных пучков в атмосфере Земли. Апатиты, 2001.

Прохождение электронных и протонно-водородных пучков в атмосфере Земли Глава 7 ВОЗБУЖДЕНИЕ И ИОНИЗАЦИЯ N2, 0 2И О ЭЛЕКТРОННЫМИ ИПРОТОННЫМИ ПОТОКАМИ Как уже упоминалось ранее, процессы неупругого взаимодействия высыпающихся электронов и протонов с нейтралами атмосферы являются одним из доминирующих механизмов передачи энергии из магнитосферы в верхние слои высокоширотной атмосферы Земли. Через ионизацию и возбуждение авроральные электроны и протоны инициируют сложный комплекс физико-химических процессов, определяющих параметры ионосферной плазмы. В этой главе будут рассмотрены методы и результаты расчетов распределения потерь энергии тормозящимися авроральными частицами по внутренним степеням свободы молекулярных азота и кислорода, атомарного кислорода, их ионов и продуктов диссоциации. 7.1. Полярная ионосфера как неравновесная плазма Область полярной ионосферы представляет собой среду, заполненную низкотемпературной плазмой и состоящую из атомов, молекул, ионов различного сорта и тепловых электронов. В ионосфере присутствуют молекулы и атомы различных газов: 02, N2, О, N и другие, различные ионы: 0 2+, N2+, NO+, 0 \ N+, а также свободные тепловые электроны. Многочисленные нейтральные и ионизованные компоненты ионосферной плазмы постоянно находятся в различных состояниях внутреннего электронно-колебательного возбуждения, являясь источником оптического излучения, широко известного как полярные сияния. Поэтому спектральные исследования свечения в широком диапазоне длин волн (от крайнего ультрафиолета до дальней инфракрасной области) служат одним из информативных экспериментальных методов диагностики характеристик возмущенной ионосферной плазмы. Поскольку возникновение и существование ионосферной плазмы обеспечивается за счет притока энергии из внешней среды, которой являются различные области магнитосферы Земли, ионосфера всегда представляет собой систему открытую в термодинамическом смысле. Хорошо известно, что в формировании полярной ионосферы участвуют не только потоки высыпающихся электронов и протонов. В различных областях авроральной зоны, на различных высотах и в различных секторах местного времени ионосферная плазма подпитывается и за счет электромагнитного излучения Солнца, электрических полей и других внешних источников. Однако, учитывая направленность данной работы, мы будем рассматривать и анализировать только процессы и следствия столкновительного взаимодействия электронов, протонов и атомов водорода с нейтралами. Если параметры потоков высыпающихся авроральных частиц меняются во времени, ионосферная плазма оказывается нестационарной. Частным случаем нестационарной плазмы является так называемая релаксирующая плазма, получаемая, когда воздействие внешних сил изменяется по величине или прекращается. При изменении величины потока частиц или его начального энергетического (или углового) спектра ионосферная плазма релаксирует к новому неравновесному стационарному состоянию. В природе в различной степени реализуются все три возможные состояния системы. Спокойные и долгоживущие дуги и полосы, диффузное свечение больших участков ионосферы является отражением стационарного неравновесного состояния ионосферной плазмы. Пульсирующие сияния представляют собой яркий пример сугубо нестационарного режима. Примеры релаксирующей плазмы проявляются в ситуациях, связанных с мгновенным или кратковременным уярчением отдельных дискретных форм 167