Введение к работе
"
Актуальность темы. В овале полярных сияний основным источником энергии являются авроральные электронные пучки с энергиями О.б-б кэВ. Авроральные электронные пучки формируются в двойных слоях, которые характеризуются сильными продольными электрическими полями, низкой плотностью плазмы, и расположены на высотах от двух до нескольких десятков тысяч километров от Земли. Столкновительнне длины свободного пробега авроральных электронов таковы, что практически вся их энергия поступает п Е-об-ласть ионосферы на высоты II0-I30 км. Если авроральные электроны образуют неустойчивый пучок, то они могут терять энергия не только при столкновениях с заряженными и нейтральными частицами ионосферы, но и при "столкновениях" с возбуждаемыми пучком волнами, т.е. испытывать коллективную диссипацию энергии. Следствием такой коллективной диссипации энергии будет дополнительное по отношения к столкновительному поступление энергии на высоты выше I10-130 км.
Наиболее известным и мощным проявлением коллективной диссипации энергии авроральных электронных пупсов является аморальное километровой радиоизлучение Земли (АКР), мощность которого иногда достигает 10 Вт, что составляет - 1% от интегральной мощности диссипируемои энергии во зреня мігнитосфярной еуб-бури. Область генерации АКР расположена ця высотах нескольких тысяч километров от Земли. На более низких высотах электронные пучки генерируют авроральнов гектометровое радиоизлучение (АГР). Читатель получит возможность убедиться, что аномально высокие электронные температуры ~ 10000 К и их поперечные к геомагнитному полю градиен:н "- Т000 К/км, регистрируемые в авроралькой F2 «области ионосферы, такж» обусловлены коллективной диссипа-
цией энергии авроральных электронных пучков. Регистрируемое радиоприемником быстрое понижение частоты аврорального декаметрового радиоизлучения (АД5) отражает сложную динамику коллективного нагр»па F2 -области ионосферы.
Изучение указанных явлений, которое выполнено в диссертационной работе, входит в круг вопросов крупнрйшей международной солнечно-земной энергетической программы 1990-1995 (STEP) (проекты 3.1; 2.1; 2.2)..
Авроральная плазма, просвечиваемая установками некогерентного рассеяния, исследуемая с помощью рак»т, спутников и космических станций с человеком на борту, в некотором смысле является лабораторией, в которой изучается естественны» явления, в-роятно, имеющие те же основные механизмы, что и на удаленных космических объектах* планетах, Солнце и звездах. Сказанное как нельзя лучше относится к авроральногиу радиоизлучении, которое имеет множество одинаковых свойств с аналогичным радиоизлучением планет, Солнца и звезд. Основные проблемы теоретического исследования аєрорального радиоизлучения Земли:
-
стабилизация неустойчивых авроральных электронных пучков, о чем свидетельствует как коллективное радиоизлучение, отих пучков с различных высот, так и прямые их измерения;
-
высокий к.п.д. авроральных электронных пучков, особенно по отношению к генерации АКР;-
-
дискретный характер частотных спектров
- являются тают проблемами аналогичного радиоизлучения планет, Солнца и звезд.
Цель диссертации - теоретическое изучение генерации аврорального радиоизлучения в диапазоне от километровых до декаметрових длин волн в неоднородной неодномерной плазм». Основные
проблемы аврорального радиоизлучения получили решение благодаря учету таких бесспорных экспериментальных фактов, как неоднородность авроральной плазмы и ограниченность поперечных размеров авроральных электронных пучков. Найденное решение не является столь уж простым, поскольку оно одновременно учитывает как неоднородность плотности плазмы, так и геомагнитного поля; как крупномасштабную неоднородность, так и мелкомасштабную; как продольную относительно геомагнитного поля неоднородность, так и поперечную. Суть его состоит в следующем.
Крупномасштабные продольные неоднородности плотности плазмы и геомагнитного поля стабилизируют неустойчивые авроральные ялектронные пучки, поскольку они вызывают быстрый выход волн из области генерации в пространстве волновых векторов. Стабилизирующим фактором является и ограниченность поперечных размеров пучков, которая приводит в определенных случаях к быстрому выходу волн из области генерации в обычном пространстве. Прерывает стабилизацию черепковской и мазерной циклотронной неустойчивос-тей авроральных электронных пучков мелкомасштабная двухмерная неоднородность плотности плазмы. "Срыв" стабилизации заключается в том, что в продольных пямках" плотности находятся малые по продольной координате участки, где плазма квазиоднородна, в связи с чем выход волн из области- генерации в пространстве волновых векторов замедлен. D определенных случаях для "срыва" стабилизации необходимы двухмерные "ямки" плотности, чтобы путем захвата волн по поперрчкой координате обеспечить задержку выхода воли из области генерации в обычном пространстве. Дискретный характер "срыва" стабилизации предопределит дискретнії характер частотных опектроо аморального радиоизлучения." Внешний к.а,д. авроральных электронных пучком обусловлен линейным механизмом
генерации fcциоизлучення. .як показано в работах автора, сформулированное решение имеет универсальный характер на всем пути авроральных электронных пучков от двойных слоев до нижней ионосферы, исключая радиоизлучение на удвоенной плазменной частоте.
Научная новизна диссертации определяется достижением поставленной н:;ли. Комплексное решение указанных проблем удалюсь получить благодаря предложенному автором методу определения условий эффективной генерации волн в неоднородной неодномерной плазме (метод фазового» синхронизма). Ключевыми понятиями отого метода являются время генерации, которое определяется наблюдаемым или требун.ным уровнем плотности энергии волн при их абсолютной неустойчив ).„'ти, и время резонанса, определяемое как время наховдения волніі в резонансе с пучком при практически неизменном инкременте в неодно родной неодномерной плазме.
По ходу решения указанных проблем возникла задача линейной трансформации плазменной волач в Z -, 0- и Х-моды в области разреженной плазмы В = I иУр /и?'н) «\ і где "^ и «*„ - илазмен» и. циклотронная частоты электронов. Для ее решения оыл разработаї метод эйконального контура.
При численном решении динамической задачи коллективного нагрева и радиоизлучения авроральной Р2-области ионосферы было обнаружено новое явление - авроральная тепловая волна.
Научная ценность диссертации определяется тем, что в ней
решены основные проблеш -высокочастотного аврорального радиоиз
лучения. ІЗ предлагаемой теории наблюдаемые свойства аврорального
радиоизлучения получили не только качественное, но и количест
венной объяснение. Разработанные методы uovjf оказаться полезны
ми и дли рентний но рассматриваемых в диссертации задач генера
ции к линейной 'і-ршісі|ормаціга низкочастотных магнитобферлнх излу
чений. ,,
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные в ней результаты могут стать основой для разработки методов диагностики авроральной плазмы. В диссертации делается вывод, что пленки с записями частотного спектра аврорального радиоизлучения в определенном смысле являются кинофильма!. о динамике мелкомасштабной неоднородности.
Апробация работы. Основные результаты, диссертации опублико-3avitj в 28 работах и докладывались на семинарах ИГУ, ИЗМИР АН СССР, ИКИ АН СССР, ИКФИА СО АН СССР, ИДИ, И3 АН СССР, НИРФИ, СнбИЗМИР СО АН СССР, ФИ АН СССР, П рабочем семинаре по полярной ионосфере (Мурманск, I9B0 г.), Всесоюзном совещании "Крупномасштабная структура субавроральной ионосферы" (Якутск, T98I г.), П Байкальский школе по физике космической плазмы (Иркутск, 1981 г.), Всесоюзной-школе "Полярная ионосфера и магнитосферно-ионосферние связи" (Якутск, 1982 г.), Всесоюзной конференции "Шизика радиоавроры и авроральная суббуря" (Мурманск, 1983 г.), Третьем Всесоюзном совещании "Полярная ионосфера и магнитосфзр-но-ионосферные связи" (Апатиты, 1984г.), Межведомственном семинаре по распространению километровых и более длинных волн (Красноярск, 1986 г.), Совещании "Проблемы физики верхней атмосферы и динамики ИСЗ" (Якутск, 1987 г.), ІУ Всесоюзной школя по' космической физике (Суздаль, 1990 г.), Всесоюзном семинаре "Физика полярной ионосферы" (Иркутск, 1990 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения. Она содрржит 28 рисунков на 24 страницах и 4 таблицы. Список литературы включает 168 наименований. Общий обьем диссертации - 195 страниц,