Введение к работе
:
І, Диссертация посвящена экспериментальному исследованию плазменных возмущений, возникающих при искусственной инюкции энергичных частиц в ионосферу, которою позволяют ишиткровать и инициировать природные явления в околоземной среде, например, в периоды магиитооферных суббурь.
Актуальность проблемы. Эксперименты с использованием инжекции в ионосферную и магнктосфорную плазму искусственных пучісов и плазменных образований открывают больший' возможности з диагностике околоземной плазмы. Так, искусственные плазменные образования являются своеобразным зондом при трассировании магнитных и электрических полей, ветров и дрейфов в ионосфере и магнитосфере.
Не менее важными и актуальными являются иммитацпя и инициирование возмущений п ионосфере и магнитосфере дгя решения ряда ключевых проблем физики околоземного пространства, таких, например, как механизмы магнитосферных суййурь.
В ходе решения этих проблем возникает чисто практическая задача создания средств активного воздействия (инжекторов) и "управляемости", т.е. определения и измерения всех основных параметров среда, целенаправленного изучения характеристик самих пучков инжектируемых частиц, гарантирующих чистоту экспериментов.
Кроме того, некоторые теоретическив 'аспекты требовали экспериментального подтверждения и проверки. Так, результаты первых экспериментов с кумулятивной инжекцкей в ионосфере по измерению электрических полей по движению облаков бариевой плазмы, образушихся после торможения кумулятивной струи, показа.ли, что существующий критерия прилетом ста бариевых облаков (малость возмущения) для измерения электрических полей является неточным и для его коррекции необходимо учитывать механизм "короткого замыкания" при расплынанки нооднородтгасте^ в ионосфера. Этот же механик оказался существенны» при инжекции квазинейтралъных плазменных пучков в слайоионизоранной ионосферной плазме: деполяризация пучков наступает практически мгновенно благодаря токам замыкания по фоновой плазме.
В экспериментах с шшекцией пучков энергичных электронов возникла необходимость детального изучения процессов в околпракетлпй области. Были обнаружены излучения в оптическом и ра;г/одуапязоил'Х частит, возникавшие в области около ракеты н моуонты /.нуккцэт и сущее;"пенные, возмущения среды по.крок геомагнитного поли там, *у/.г
заведомо инжектируемый пучок не попадал.
Стало очевидным, что в околоракетной области происходят процессы, которые ранее в'є были принята во внимание, а условия проведения эксперимента оказались далекими от предполагавшихся ранее. Т.е. понятие "упраіляемое воздействие" теряло смысл, если не были известны конечные характеристики пучка, покинувшего область инжекции, например, такие, как направление инжекции, величина потока, анергия частиц, а возмошость разрядных механизмов в областа инжекции также способствовала неопределенности в конечных характеристиках пучка и оіфужаицей среда. Оказалось, что только после целенаправленного изучения плазменных процессов, происходящих в области ишекцш, имеется возможность корректного исследования процессов, происходящих на значите.щшх расстояниях от области воздействия.
Проведенные автором исследования посвящены именно этому актуальному кругу проблем: экспериментальному исследованию плазменных возмущений, возникающих в магнитосфере и ионосфере при искусственных инжекциях пучков различного тала, как в области воздействия, так и на значительных расстояниях о-1- него.
Цель работы заключается:
I. В комплексном экспериментальном исследовании эффектов кумулятивной инжекции бария в нижней ионосфере, исследовании эволюции генерируемых плазменных возмущений и возможности стимулирования высыпания электронов внутреннего радиационного пояса, а также в разработке и создании инструмента аффективных кумулятивных инжекторов бария.
?.. В исследовании процессов, сопровождающих инжекцюо плазменных пучков, в построении качественной модели электродинамической структуры возмущения в ионосферной плазмо, включал механизм "короткого замыкания" и остывания исходного пучка.
3. В исследовании высокочастотного радиоизлучения и возмущения длазмы вблизи раквты, вызываемых инжекцивй электронного пучка в ионосферу, и создании на основе этого модели взаимодействия пучка с ионосферной плазмой в околоракетной области.
Научная новизна работы. Получено экспериментальное подтверждение современной теории эволюции плазменных пеоднородностей и количестватгаа характеристики явления "короткого замыкания", возникающего как при генерации плотных плазменных сгустков <при помощи кумулятивной инжекции паров бария), так и при распространении пучков каазинойтральиой плазмы поперек геомагнитного поля. Создана методика
корректной диагностики параметров ионосферной плаамы методом искусственно* инжекции плазменных образований.
Впервые дано объяснение значительных искажений токами по слабой фоновой плазме поляризаионных полей, возникающих при искусственной инжекции плазменных пучков. На основе анализа экспериментальных данных определено распределение токов и электрических полей. Построена теоретическая модель распределения токов и полей, учитьіваюіцая влияние механизма "короткого замыкания" токов. Обнаружено и объяснено интенсивное адиабатическое остывание инжектируемого пучка вблизи инжектора.
Впервые рассмотрена задача о генерации МТД-возмущения при кумулятивной инжекции в динамо-области ионосферы и получено объяснение обнаруженных автором квазипериодических высыпаний энергичных частиц радиационного пояса, стимулированных кумулятивным взрывом в ионосфере.
Доказана возможность локального ослабления потоков субрелятивистских электронов при инжекции плазменных пучков в ионосфере и дано объяснение смешением их течек магнитного отражения полями, генерируемыми при инжекции.
Впервые детально исследованы спектр и динамические характеристики высокочастотного радиоизлучения, возникающего при инжекции электронного пучка в ионосферу, что позволило выяснить основные физические процессы, ответственные за это радиоизлучение. Получена зависимость спектра излучения от высоты, питч-угла и фазы инжекции. Показано, 'что источник радиоизлучения локализован в околоракетной области. Определена эффективность трансформации энергии пучка в радиоизлучение.
На основе анализа результатов четырех ракетных экспериментов с инжекциея пучка электронов в ионосферу изучено возмущение плазмы в околорзкетной области, вызываемое инжекцией, по комплексу данных наблюдений высокочастотного радиоизлучения, свечения околорзкетной области, отражения радиоволн от околоракетной области и радиопросвечивания с помощью бортового телеметрического передатчика.
Впервые показано, что в рамках столкковителъного взаимодействия электронов пучка с нейтральной компонентной ионосферы н&лъзя объяснить основный свойства возмущения плазмы. Построена модель пучково-плязкенного разряда з околпракотной области для широкого диапазона высот и питч-углов кнчгачттии. Определены параметры разряда в зависимости от параметров пучка и конпеїпраіг,;/ нс-.ятра.лъгпгс т?:.'.<-..
- G -
Показано, что основные экспериментальный закономерности комплекса явлений вблизи раїсета находят объяснение в рамках модели пучково-плазменного разряда в околорчкетной области, что является существенным вкладом в дальнейшее развитие теории взаимодействия потоков высыпающихся электронов с авроральной ионосферой во время магнитосферных возмущений.
Степень достоверности. Достоверность полученных результатов определяется тем, что на основе комплексного анализа экспериментальных данных р?инородных измерений (оптичєсісих, радиофизических, зондовых) создал.; моде.»! рааличных типов плазменных возмущений, ж подкрепляется детальным сопоставлением с теоретическими предстаашшями. Так например, в рамках предложенной модели ггучково-шшзмашгого разряда удается свести в еданую картину практически веч; совокупность экспериментальных данных с полученных в нескольких ракетных експериментах типа "Заршца" и "Араке" для различных гелкотеофизических условия. Ряд результатов был впоследствии подтвержден в работах других авторов. Некоторые прикладные аспекты диссертации защищены в в.цр изобретений, большинство из которых успешно внедрены в ИЗМИРЛН и других организациях.
На защиту выносятся следующие основные положен.* : Т. Иа основе разработанных устройств для искусственной инкащии развита методика исследований плазменных возмущении и разработан способ диагностики параметров ионосферы с помощи) экспериментов с кумулятивной игахокцивй.
-
Обнаруженные в экспериментах с кумулятивной штекцкей в ионосфера периодический усиления высыпания энергичных частиц радиационного пояса вызваны альфвановской волной „ возбуждаемой инхккцисіі и распространяющейся из областе 'генерации (деизма-области ионосферы) 5 силовую трубку нагнктосфарл.
-
На основе экспериментов с инизкцкеР. бариевых струй ?<; плазменных пучков показан?' їслючекая роль в динамике искусственные шгазмошшх образований эффекта "короткого замыкания" поляризащісіпи.:.-; полйй тонами фоновой плазмы.
4. Обнаруженные в їжспзримигглх серии "КОЖИ" <с квазипродольное їм::;-:;кпийй пл.ттшіх плафонных пучков)': интонсивтгы..-; кта:н?гк/-ф1щны;; колебания плазмі' в ионос^/зре; потоки евзрхтанловш; злеісгроної; ': аэ-:.-пучка V: вне; -:ігамалі:и радиоэхо инжектируемых пучков визвані.: пропзссйж. в зоне 7'оков "короткого замыкания", генжфуеМіЛл
инжекцией.
5. Обнаруженное в экспериментах с ипжекцией плазменных пучков локальное ослабление потоков субрэлятивистехих электронов объясняется смещением их точек магнитного отражения к экваториальной плоскости силовой трубки полями, генерируемыми при инженции.
в. Параметры возмущения ионосферы в области вблизи инжектора энергичных электронов, определенные с помощью' наземного широкополосного приема радиоизлучения, радиопросвечивания с помощью боргового передатчика, оптических и радиолокационных установок в экспериментах "Араке" и "Зарпща" не могут быть объяснены в рамках столкновительного взаимодействия инжектируемых электронов с верхней атмосферой.
7. Комплекс данных бортовых и наземных измерений в экспериментах с инжекцией электронных пучков в ионосфере находит объяснение в рамках построенной модели пучково-іілазмеїгаого разряда в пколоракетной области.
Научная и практическая значимость работы. В работе представлены результаты решения взккой научной задачи: исследование околоземного космического пространства -методом активного эксперимента с инжекцией энергичных частиц. Показана приоритетная, роль слабой фоновой плазмы в эволюции сильных ионосферных неоддородностей (плазменный сгусток при кумулятивной инжекции и квазинейтральная плазменная струя). Полученное экспериментальное подтверждение ключевой роли механизма "короткого замыкания" имеет принципиально важное значение как для процессов расплывания ионосферных неоднородпостай, так и для корректного определения измеряемых электрических полой, ВЗГрОВ и их вариаций. Уточнен критерий применимости бариевых облаков для измерений в ионосфере, что дзет возможность повысить точность пиапюстики основных параметров ионосферы.
На основе обнаруженного и исследованного явления стимуляции кумулятивной инжекцией квазкпериодических высыпаний энергичных частиц /а радиационного пояса создана модель генерации МТД-Еозмущений кумулятивной инжекцией в динамо-области ионосферы, что имеет важное .трименение для исследования источников естественных пульсаций в тотоке высылающихся электронов на средних широтах.
Автором выполнено обобщение комплекса зксперимоктал1>ных данных, звидетельствую'щгтх о сильном коллективном вг.зимодейстпик инжектируемых электронных пучков с ионизованной компонентой плазмы, результатом іего стяло создание теория путаовошкзкенішогп рлзляда з
_ о -
околоракетной области (ОТО). Изучение процессов в ОТО, ответственных за возмущение ионосферной плазмы во время инжекции, дало возможность выявления подобных процессов в природных условиях (в авроральной зоне). Результаты имеют достаточно общий характер, что следует из успешного сопоставления данных многих зкепаршентов с моделью, и они могут найти приложение для широкого круга задач физики плазменной оболочки Земли и физики лабораторной плазмы,
Реализация результатов. Работа представляет собой комплексное исследование физических процессов, сопровождающих инжекцию искусственных пучков энергичных часта; в слабоионизованную ионосферную плазму. Задача дальнейших исследований с искусственными иншкцкими состоит в первую очередь в доведении более детальных оцкеврзмешгых измерений на борту нескольких космических аппаратов в различных гелиогеофизкческих условиях, что позволит провести поиск резонансных условий, для эффективного пучково-плазкенного взаимодействия, как это запланировано в рамках проекта "АПЭКС".
Созданная серия кумулятивных ускорителей и модель генерации (при их помощи) импульсных М^Д-возмущений позволяет реализовать ряд экспериментов по убавлении некоторыми глобальными ионосферно-магни-тосферкыми процессами (высыпанипм захваченных частиц, магнитосфернои суббурей), а при соответствующем развитии средств инжекции и диагностики - для глубинного зондирования Земли.
Следующий важный шаг состоит в оценке антропогенного фаістора слабого воздействии на глобальные ионосферно-магтггосфзрные провесы аналогов активных эксперт .лантов с искусственной инжикцией, например„ плазменных и других дпигатшіей космических объектов.
Разработанные средства икхакции и диагностики, развитая методика проведения акешршзнтов с искусственной ннжекцией найдут применение в будущих антенных экспериментах, в частности, б рамках спутникового проекта М13КС, реализуемого по программа Совета "Иіперкосмог.".
Подученные результаты могут быть использованы з научных учреждениях РАН, где проводятся фундаментальные исследования плазконно-пучкопых взаимодействий в космической и лабораторной плазме. Кроме того, результаты диссертагзкншой работы могут найти приманерпе в учреждениях Госкомгидромета и в отраслевых института::,, занимающихся физикой лоносферно-мапгитосферных процессов, вопросами радиосвязи її диагностшем ионосферы.
Личный вклад автора. Все. результаты, изложенные з ддасертащіл, получены автором либо самостоятельно, либо при его непосредственно:*:
~ 9 -
участии. Из работ, в которых он участвовал в качестве соавтора, з диссертацию вошли только те результаты, в получении которых автор принимал непосредственной творческое участие на всех этапах работы.
Фактически большая часть работ по исследованию возмущений в ионосфере при кумулятивной инжекции бария выполнялась в рамках поставленной автором задачи: комплексное экспериментальное исследование эффектов применения высокоскоростной струи пэров бария п нижней ионосфере и возможности стимулирования высыпания электронов внутреннего радиационного пояса.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международных симпозиумах по активным экспериментам (Тулуза, ІЙ78; Боулдер, 1978), советстко-фраіщузских семинарах по эксперименту "АРАКС" (Троицк, 1975; Ленинград, 1978; Москва, 1877; Таллин, 1970), симпозиуме КАГГГ по солнечно-земной физике (Ашхабад, 1979), 8-ом Европейском симпозиуме по явлениям в ионизованных газах (Минск, 198Т)0 5-ом Международном симпозиуме по физике ионосферы и магнитосферы (Львов, 1983), Международном симпозиуме "Активные эксперименты в космосе" (Альпбах, 1983), Международном симпозиума "Модификация ионосферы мощным радиоизлучением" (Суздаль, 1986), Всесоюзной конференции по физике авроралькой ионосферы (Мурманск, 1979), 10-ом Международном симпозиуме по ударным трубам и волнам (Аахсн, 1987)в Международном симпозиуме по пиротехнике и взрывам (Пекин, 1907), 16-й Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Харьков, 1990), 23, 26, 27 и 28 пленарных заседаниях КОСГГАР (Будапешт, 1980; Тулуза, 1986; Хельсинки, 1988; Гаага, 1990), а также на научных конференциях и семинарах ИЗМИРАН, ККИ, ИАЭ им. Курчатова, КГУ, ЛГУ, ИПГ Госкомгидрокета.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Она содержит Звб страниц машинописного текста, включая && рисунков и список литературы из 2S3 наименовании.