Электромагнитное излучение и его основные характеристик. Поляризация радиоизлучения. Некоторые эффекты распространения электромагнитных волн в плазме

Лекции по курсу “Космическое радиоизлучение”

Оглавление

Глава 1. Электромагнитное излучение и его основные характеристики

Глава 2. Поляризация радиоизлучения

Глава 3. Некоторые эффекты распространения электромагнитных волн в плазме

Глава 4. Коэффициент поглощения электромагнитных волн в изотропной плазме

Глава 5. Поглощение в магнитоактивной плазме

Глава 6. Перенос излучения

Глава 7. Основные свойства плазмы

Глава 8. Механизмы излучения

Глава 9. Тормозное излучение

Глава 10. Циклотронное излучение

Глава 11. Синхротронное излучение

Глава 12. Переходное излучение

Глава 13. Черенковское излучение

Глава 14. Плазменные волны

Глава 15.  Трансформация волн

Глава 16. Радиоизлучение в спектральных линиях.

Глава 17 Солнце

Глава 18. Солнечная система

Глава19. Межзвездная среда и области звездообразования в Галактике

Глава 20. Радиоизлучение сверхновых и их остатков

Глава 21. Пульсары

Глава 22. Радиоизлучение галактик и квазаров в спектральных линиях и в континууме

Глава 23. Радиозвезды

Глава 24. Реликтовое фоновое радиоизлучение

Глава 25. Радиоастрономия и космология

Глава 26. Радиоастрономические аспекты проблемы поиска внеземных цивилизаций

Литература

Предисловие

Учебное пособие составлено, в основном, по материалам основных учебных пособий (см. список литературы). Использовался также курс лекций по плазменной астрофизике, прочитанный Капланом С.А. в конце 60-годов в ГАО, дополнительные учебные пособия, а также некоторые оригинальные научные работы, в том числе и составителя курса лекций. На основе этого учебного пособия читается курс лекций магистрантам кафедры радиофизики физического факультета СПбГУ

. Некоторые вопросы изложены иногда слишком подробно для студентов-радиофизиков, но, учитывая возможную заинтересованность в этих лекциях студентов других специальностей (например, студентов-астрофизиков), составитель посчитал целесообразным сделать их такими, какими они и представлены ниже.

Лекции снабжены гиперссылками (выделены синим цветом), которые позволяют достаточно легко просматривать ссылки и возвращаться к исходному материалу.

Глава 1. Электромагнитное излучение и его основные характеристики

Общими характеристиками электромагнитного излучения безотносительно к конкретным условиям его генерации служат частотный и угловой спектры излучения и его поляризационные параметры. Они содержат основную информацию, содержащуюся во внеземном излучении, поэтому исследование указанных характеристик служит главным источником наших знаний о природе астрофизических объектов.

Космические источники излучения создают электромагнитное поле E(r,t), H(r,t), которое в однородной среде может быть представлено в виде разложения по плоским волнам:

                                                                                      (1.1)

Здесь Е и Н — соответственно напряженности электрического и магнитного полей;  — радиус-вектор, t — время,  и  — круговая частота и волновой вектор волны с комплексными амплитудами  и, наконец, d³k — элемент объема в пространстве волновых векторов. Интегрирование ведется по всему пространству волновых векторов. Частота  связана с соотношением =(), которое является решением дисперсионного уравнения. Дисперсионное уравнение в присутствии среды (плазмы) имеет несколько решений, соответствующих нормальным волнам с разной поляризацией. Поэтому все величины, введенные в этом разделе, относятся к волнам с определенной поляризацией и взаимно-однозначной зависимостью  и k. Предполагается также, что поглощение в среде отсутствует или оно достаточно слабое.

Если фазы волн (входящие в комплексные амплитуды , и ) случайны, то энергию электромагнитного поля в объеме V можно записать следующим образом:

.                                                                         (1.2)

Здесь — спектральная плотность энергии электромагнитных волн, равная энергии, заключенной в единичном объеме координатного пространства и пространства волновых векторов. Соответственно W_k — это спектральная плотность энергии в единичном интервале волновых чисел k и единичном телесном угле W в пространстве волновых векторов. Поскольку

,                                                                                                     (1.3)

где dk — интервал волновых чисел, a dW — элемент телесного угла, в котором лежат волновые векторы из d³k, из (1.2) ясно, что

Наряду с плотностью энергии W_k, приходящейся на единичный интервал волновых чисел k, можно ввести спектральную плотность энергии W_w, соответствующую единичному интервалу частот. Для установления связи между W_k и W_w  достаточно потребовать: W_k= W_w|dw|, откуда следует, что

.

Заметим, что W_w по-прежнему характеризует плотность энергии, которая приходится на единичный телесный угол вдоль .

В теории излучения широко используется понятие спектральной