Теория ШтермераОсновные закономерности движения заряженных частиц в дипольном магнитном поле были исследованы Штермером (Stormer). Полное изложение теории Штермера, включая вывод уравнений и их подробный анализ, приведено в монографии Штермера [1], а также в [10-13]. Отметим, что первые работы Штермера были опубликованы на рубеже XIX-XX веков, т.е. до открытия самих космических лучей, и были направлены на объяснение природы полярных сияний. Ниже представлена краткая сводка основных положений и выводов теории Штермера. 1. Движение заряженной частицы с массой m, скоростью v и зарядом e в магнитном поле описывается уравнением Лоренца при этом
m0 - масса покоя частицы.
Легко показать, что в стационарном магнитном поле энергия частицы сохраняется,
т.е. является первым интегралом движения. 2. В силу аксиальной симметрии магнитного поля диполя (оно не зависит от координаты φ, Bφ ≡ 0 ) существует еще один интеграл движения где M − магнитный момент диполя, ось которого направлена вдоль оси z. 3. Штермер ввел новую единицу длины, названную впоследствии его именем, Здесь Z– заряд частицы в единицах заряда электрона. Переход к штермеровским единицы длины позволяет единообразно анализировать движение частиц различных энергий. С ростом энергии частицы S уменьшается. Круговая орбита с S=1, расположенная в экваториальной плоскости, является устойчивой.
4. Заменив дифференцирование по времени t на дифференцирование по длине пути s с
учетом Уравнение движения меридиональной плоскости, в которой находится частица, при этом r2 = z2 + ρ2. Здесь γ – момент количества движения частицы относительно оси z, определяемый на бесконечном удалении от диполя. Характер движения частицы вблизи диполя однозначно определяется величиной γ (постоянной Штермера), при этом в зависимости от γ существует определенная конфигурация разрешенных и запрещенных областей движения. 5. Кинетическая энергия движения в меридиональной плоскости характеризуется величиной при этом
Аналитическое решение полученных уравнений возможно лишь в некоторых частных
случаях, например, в экваториальной плоскости диполя. Поверхность Q = 0, разделяющая разрешенные и запрещенные области движения, определяется соотношением здесь λ – широта, отсчитываемая от экваториальной плоскости диполя. При различных соотношениях между γ и λ получается разное число решений и структура границ областей. Запрещенные области движения
На рисунке показаны меридиональные сечения области вблизи диполя, запрещенные области движения выделены красным цветом. Координаты измеряются в штермеровских единицах длины. Пространственная конфигурация запрещенных областей получается вращением меридиональных сечений вокруг оси z. При γ = 0.3 частица может достичь оси диполя только в точке ρ = 0, z = 0. Следует обратить внимание на существование внутренней разрешенной области при γ >1, отделенной от всего пространства запрещенной областью. Наличие этой внутренней области обеспечивает устойчивое существование радиационных поясов Земли. При γ = 1 границы внутренней и внешней разрешенной области соприкасаются в точке ρ = 1, z = 0.
|