Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию динамики декаметровых неод-нородностей ионизированного компонента атмосферы в различных ее областях. Проведено теоретическое рассмотрение условий образования неод-нородностей в Е-слое ионосферы и при воздействии мощным радиоизлучением на низкоширотный F-слой. Методом активного коротковолнового радиозондирования изучены декаметровые неоднородности в мезосфере и авроральной магнитосфере. Исследовано радиоизлучение молниевых разрядов ближних гроз в широком диапазоне частот с высоким временным разрешением.
Актуальность темы и предмет исследования
Ионизированный компонент присутствует практически во всех областях атмосферы. Его роль может быть определяющей как в природных явлениях, так и в хозяйственной деятельности, связанной, в основном, с использованием радиоволн, в том числе для дистанционной диагностики параметров атмосферы, что обусловливает неослабевающий интерес к его исследованию. Значительный интерес представляет неоднородная структура этого компонента, в частности, неоднородности декаметровых масштабов, которые могут развиваться в широком интервале высот атмосферы, начиная от самых нижних ее слоев вплоть до магнитосферы на высотах в несколько тысяч километров, и являются довольно чувствительным индикатором разнообразных естественных и искусственных возмущений окружающей среды.
Плазменные структуры декаметровых масштабов могут развиваться в различных областях атмосферы от самых низких ее слоев до высот магнитосферы. Изучение как самих структур, так и условий и механизмов их образования, вызывает неослабевающий интерес в связи с самыми разнообразными явлениями, происходящими в атмосфере. К таким явлениям можно отнести возбуждение неоднородностей нижней ионосферы как в результате дрейфовых движений заряженных частиц в геомагнитном поле, так и при внешних воздействиях, приводящих к изменению параметров плазмы, а также под действием турбулентных и волновых движений нейтральной атмосферы. Модификация верхней ионосферы мощным радиоизлучением также приводит к ее интенсивному расслоению и образованию плазмен-
ных структур различных масштабов. Наконец, интенсивные плазменные образования возникают в атмосфере в результате грозовой активности при возбуждении и развитии молниевых разрядов. Большая часть указанных явлений происходит в плазме, существенной особенностью которой является наличие столкновений с нейтральной компонентой атмосферы, которые во многих случаях являются определяющим фактором в процессах возбуждения и развития неоднородных структур.
Основной целью данной работы является исследование условий возбуждения и физических механизмов образования мелкомасштабных плазменных образований в земной атмосфере при наличии столкновений как в теоретическом плане, так и экспериментально с использованием методов активного и пассивного радиозондирования в декаметровом диапазоне длин волн. Теоретические исследования позволили предложить новую непротиворечивую формулировку задачи о возбуждении мелкомасштабных неод-нородностей при наличии дрейфовых движений и регулярного градиента плотности, существенной особенностью которой является последовательный учет столкновений, который оказывает определяющее влияние на граничные условия задачи. Последовательный учет столкновений позволил также объяснить ряд наблюдаемых особенностей неоднородных структур. Другим направлением теоретических исследований является определение роли самофокусировочных неустойчивостей в формировании неоднородной структуры возмущенной мощным радиоизлучением области ионосферы, в том числе в низкоширотной ионосфере, где, как показано, они должны играть определяющую роль.
Для проведения экспериментальных исследований, связанных с активным радиозондированием, использовался уникальный коротковолновый радар стенда СУРА, единственный в мире мощный радар, работающий в диапазоне частот 4.5-9.3 МГц. Разработанные методики радиозондирования и обработки данных измерений позволили предложить новый подход к изучению свойств авроральной магнитосферы на высотах в несколько тысяч километров. На основе данных радиозондирования мезосферы определены основные пространственно-временные характеристики плазменной турбулентности в области мезопаузы.
Исследование радиоизлучения молниевых разрядов с высоким временным разрешением проводилось с использованием специально разработанного уникального комплекса, включающего в себя ряд синхронно работаю-
щих установок, размещенных на территории стенде СУРА, характеризующейся низким уровнем промышленных помех. Аналогичный комплекс был развернут на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ТШВНС) и работал синхронно с установками регистрации широких атмосферных ливней и измерения гамма-излучения. Расположение ТШВНС на высоте более 3000 м над уровнем моря позволяет проводить исследования в непосредственной близости или даже внутри грозовых облаков. В результате проведенных исследований установлена непосредственная связь возбуждения молниевых разрядов с эффектом совместного действия пробоя на убегающих электронах и широких атмосферных ливней.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложен новый подход к исследованию малых возмущений в слабо-ионизованной неоднородной плазме, который более всего согласуется с реальными условиями в ионосферном Е-слое. Проведена последовательная формулировка задачи и детальный анализ общих свойств малых флуктуации плотности в неоднородной плазме применительно к і?-слою ионосферы. Показано, что ни один профиль плотности плазмы не может обеспечить локализацию плазменных возмущений без учета неоднородности частоты столкновений, которая и определяет своего рода граничные условия и высотную структуру возмущений і?-слоя.
-
Исследовано влияние нагрева электронов на устойчивость движущейся замагниченной слабоионизованной плазмы в области слоя Е и нижней части слоя F ионосферы. Показано, что при достаточно интенсивном нагреве, когда температура электронов в 1.5-2 раза превосходит температуру ионов, возможно возбуждение особой термодиффузионной неустойчивости, которая приводит к эффективному мелкомасштабному расслоению ионосферной плазмы. Установлено также существенное влияние зависимости частоты столкновений электронов от температуры и неизотермичности плазмы на условия возбуждения неустойчивости Фарли-Бунемана.
-
Исследована самофокусировочная неустойчивость плазменных волн в условиях экспериментов по воздействию на F-слой ионосферы мощ-
ным радиоизлучением. Показано, что совместное действие тепловых и пондеромоторных эффектов приводит к эффективному мелкомасштабному расслоению плазмы с малыми характерными временами. Образующиеся неоднородности могут играть роль начальных возмущений для развития взрывной стадии резонансной и тепловой параметрической неустойчивостей.
-
Проанализирована возможность возбуждения неоднородностей и формирования сильно нелинейных хорошо определенных структур при модификации ионосферы в низких широтах. Показано, что захват волны накачки крупномасштабными неоднородностями может приводить к изменению условий возбуждения мелкомасштабной турбулентности.
-
Предложен новый метод исследования магнитосферы с использованием коротковолнового радиозондирования. С использованием предложенного метода обнаружено рассеяние от области продольных токов в авроральной магнитосфере на высотах порядка 3000 км, соответствующее ионно-звуковой турбулентности.
-
На основе экспериментальных исследований по радиозондированию мезосферы на частотах около 9 МГц исследована структура мезо-сферных КВ-радиоотражений. Показано наличие практически постоянно существующего турбулентного слоя в области летней мезопаузы. Изучен суточный и сезонный ход интенсивности мезосферных радиоотражений и распределение углов их прихода.
-
С использованием специально созданного инструментального комплекса исследовано радиоизлучения близких молниевых разрядов в широком диапазоне частот с высоким временным разрешением. Показано, что молниевые разряды могут инициироваться при совместном действии эффекта пробоя на убегающих электронах и широкого атмосферного ливня для энергии первичной частицы порядка 10 эВ.
Методы и подходы, используемые в диссертации
1. При исследовании собственных мод неоднородной плазмы Е'-слоя ионосферы проводится последовательный учет зависимости частоты
столкновений электронов от высоты, определяющий граничные условия и структуру мод.
-
Для анализа условий возбуждения неоднородностей і?-слоя используются уравнения переноса с кинетическими коэффициентами, учитывающими зависимость частоты столкновений электронов от их температуры.
-
Исследование возможности генерации мелкомасштабной турбулентности при воздействии мощного радиоизлучения на F-слой ионосферы в низких широтах проводится на основе численного моделирования распространения радиоволн в неоднородной среде в приближении геометрической оптики.
-
Коротковолновое радиозондирование проводится с использованием современных методик кодирования и обработки сигналов, адаптированных к условиям экспериментов. Разработанные программы управления радаром, сбора и обработки данных позволяют реализовать различные схемы амплитудной и бифазовой модуляции зондирующего импульса, проводить измерения допплеровских сдвигов частот и углов прихода отраженных (рассеянных) локационных сигналов.
-
Исследование радиоизлучения молниевых разрядов проводится с использованием специально разработанного аппаратурного комплекса, позволяющего в грозовых условиях измерять квазистатическое электрическое поле, его вариации, волновую форму коротких электромагнитных импульсов с субмикросекундным временным разрешением и направление на источник таких импульсов. Все установки, входящие в комплекс, синхронизированы между собой с помощью специально вырабатываемого запускающего (триггерного) импульса.
-
Изучение связи молниевых разрядов с космическими частицами высоких энергий проводится на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН при совместных синхронизированных по времени регистрации широких атмосферных ливней и измерении радио- и гамма-излучения.
Научное и практическое значение проведенных исследований состоит в следующем.
Предложен новый подход к исследованию малых возмущений в сла-боионизованной неоднородной плазме, который более всего согласуется с реальными условиями в Е-слое ионосферы, заключающийся в последовательном учете влияния регулярной неоднородности плазмы на структуру собственных электростатических мод. Определяющую роль в формировании собственных мод при этом играет неоднородность частоты столкновений электронов, определяющая граничные условия задачи. Показана несправедливость квазилокального приближения при рассмотрения общего случая мелкомасштабной градиентно-дрейфовой неустойчивости и указано условие его применимости в частном случае наличия внешнего продольного тока.
Предложен новый механизм неустойчивости слабоионизованной ионосферной плазмы при наличии дрейфа — термодиффузионный — обусловленный конкуренцией процессов диффузии и термодиффузии. Данный механизм может реализовываться в неизотермической плазме при учете зависимости частоты столкновений электронов от их температуры. Развитые представления использовались (другими авторами) для объяснения данных наблюдений радиоэхо от і?-слоя авроральной ионосферы (радиоэхо 3 типа).
Рассмотренная самофокусировочная неустойчивость плазменных волн в области отражения волны накачки при воздействии радиоизлучением на ионосферу может служить источником затравочных неоднородностей для развития взрывной стадии резонансной и тепловой параметрической неус-тойчивостей в области верхнего гибридного резонанса.
Анализ возможности возбуждения неоднородных структур при модификации ионосферы в низких широтах позволил интерпретировать данные непосредственных наблюдений при прохождении ракеты через возмущенную область. Показано, что захват волны накачки крупномасштабными неоднородностями может приводить к изменению условий возбуждения мелкомасштабной турбулентности.
Создание многоцелевого исследовательского радара с гибкой системой управления и сбора данных на базе стенда СУРА позволило более эффективно проводить радиозондирование различных объектов ближнего космоса от нижних слоев земной ионосферы до солнечной короны. В частности, была обнаружена ионно-звуковая турбулентность в области продольных токов авроральной магнитосферы на высотах в несколько тысяч километ-
ров.
Проведенные с помощью радара стенда СУРА исследования мезосферы позволили определить основные характеристики мелкомасштабной плазменной турбулентности в этой области: пространственно-временное поведение, суточный и сезонных ход, допплеровские скорости и распределение углов прихода рассеянных сигналов, связь появления спорадических слоев с поведением регулярного профиля электронной концентрации. Результаты исследований показали хорошее согласие с теоретическими представлениями о возбуждении турбулентности замагниченной компоненты атмосферы турбулентностью нейтральной атмосферы.
Создан аппаратурный комплекс для исследования радиоизлучения молниевых разрядов в широком диапазоне частот с высоким временным разрешением, который может быть использован и для изучения коротких электромагнитных импульсов другой природы. Полученные с использованием созданного комплекса данные позволили получить свидетельство реализации механизма пробоя на убегающих электронах в молниевом разряде и установить возможность возбуждения молниевого разряда широкими атмосферными ливнями при выполнении условий пробоя на убегающих электронах.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Результаты исследования малых возмущений в слабоионизованной неоднородной плазме в условиях, более всего согласующихся с реальными условиями в ионосферном Е-слое.
-
Результаты исследования влияния нагрева электронов на устойчивость движущейся замагниченной слабоионизованной плазмы в области слоя Е и нижней части слоя F ионосферы.
-
Результаты исследования роли самофокусировочных неустойчивос-тей на формирование неоднородной структуры возмущенной мощным радиоизлучением области ионосферы.
-
Результаты экспериментальных исследований авроральной магнитосферы методом коротковолнового радиозондирования.
-
Результаты коротковолнового зондирования атмосферы на мезосфер-ных высотах.
6. Результаты экспериментальных исследований радиоизлучения молниевых разрядов в широком диапазоне частот с высоким временным разрешением.
Апробация работы
Изложенные в диссертации результаты неоднократно докладывались на семинарах ФГНУ НИРФИ, семинарах Шведского института космической физики, гг. Уппсала, Кируиа, Института электротехники Кориелльского университета, г. Итака (США), Института аэрономии им. М. Планка, Лин-дау (Германия), на многих международных конференциях и симпозиумах, включая I—VII Международные Суздальские симпозиумы УРСИ (Суздаль, 1986, 1988, 1991; Уппсала, Швеция, 1994; Москва, 1998, 2004, 2007), XXVI Генеральную ассамблею УРСИ (Прага, 1990), XVI, XXV, XXVII Генеральные ассамблеи европейского геофизического общества (Висбаден, Германия, 1991; Ницца, Франция, 2000, 2002), Международную конференцию по электромагнитному рассеянию в газах и плазме (ESGAP, Ассуа, Франция, 1994), 21 ежегодную конференцию общества дистанционного зондирования (RSS-21, Саутгемптон, Англия, 1995), международный симпозиум "Плазменные неустойчивости в Е-слое ионосферы" (Линдау, Германия, 1995), Международную научную конференции "Суверенный Казахстан: 15-летний путь развития космической деятельности" (Алматы, 2006), Европейский конгресс по наукам о планетах (Берлин, Германия, 2006), Международную научную конференции "Плазменно-волновые процессы в магнитосферах, ионосферах и атмосферах Земли и планет" (Нижний Новгород, 2009). Кроме того, изложенные в диссертации результаты были представлены в докладах на XIII, XV Всесоюзных и XVIII, XXII Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Горький, 1981; Алма-Ата, 1987; Санкт-Петербург, 1996; Ростов-на-Дону - Лоо, 2008), совещаниях по программе фундаментальных исследований отделения физических наук и отделения наук о земле РАН "Физика атмосферы: электрические процессы, радиофизические методы исследований" (Нижний Новгород, 2003, 2004, 2005), VI Российской конференции по атмосферному электричеству (Нижний Новгород, 2007).
Публикации
Всего по теме диссертации опубликовано 64 работы. Из них 23 ста-
тьи — в рецензируемых журналах, в том числе 11 работ в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов (Письма в ЖЭТФ, Геомагнетизм и аэрономия, Известия ВУЗов. Радиофизика, Журнал технической физики), 12 публикаций в международных журналах (Physics Letters A, Journal of Geophysical Research, Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, Annales Geophysicae, Physics of Plasmas, Physica Scripta), и 8 работ — в трудах всероссийских и международных симпозиумов и конференций.
Личный вклад автора
Представленные в диссертации результаты получены автором, в основном, в итоге совместных исследований. Работа [8] выполнена без соавторов. В работах [16, 22], носящих обзорный характер, автору принадлежат части, касающиеся технических характеристик радара стенда СУРА, результатов радиозондирования магнитосферы и мезосферы, исследования молниевых разрядов. Работы по зондированию магнитосферы [4, 5] и мезосферы [11, 13, 14, 23] выполнены под руководством автора, ему принадлежат идея исследований, методика проведения и часть программного обеспечения измерений и обработки данных, интерпретация полученных результатов, а также написание статей. В работе [18] автору принадлежат результаты коротковолнового зондирования и их сопоставление с результатами средневолнового зондирования, написание статьи. В работах [2, 6, 10] роль автора заключалась в конкретной формулировке задачи, проведении исследований и совместном написании статей. В работе [15] автором выполнено численное моделирование и написаны соответствующие разделы. В работах [17, 19, 20, 21] автору принадлежат относящиеся к наблюдениям радиоизлучения молниевых разрядов методика, определение требований к аппаратуре, программное обеспечение измерений и обработки данных, совместное написание статей.
Благодарности
Автор выражает глубокую признательность и благодарность всем сотрудникам, оказавшим помощь при выполнении работ, составивших основу настоящей диссертации, а именно, сотрудникам ФГНУ НИРФИ
В. И. Абрамову, А. М. Бабиченко, В. В. Беликовичу , И. Ф. Белову
В. В. Бычкову, Е. Б. Ерышеву, А. Я. Калашникову, О. С. Караштиной,
Г. П. Комракову, А. А. Лисову, В. О. Рапопорту, Ю. А. Сазонову, Ю. В. Токареву, Ю. В. Шлюгаеву, коллективу загородной лаборатории "Васильсурск"; сотрудникам ФИАН А. В. Гуревичу, К. П. Зыбину, М. О. Птицыну, В. А. Рябову, А. П. Чубенко, А. Л. Щепетову; сотруднику ТШВНС ФИАН Л. И. Вильдановой; сотрудникам ДГП "Институт ионосферы" МОИ РК В. П. Антоновой и С. В. Крюкову; сотрудникам РИ НАН Украины А. А. Коноваленко и Ю. М. Ямпольскому; М. С. Kelley и D. L. Hysell (Корнелльский университет, Итака, США); J. F. Providakes (MITRA, Бостон, США); Т. Hagfors (Институт аэрономии, Линдау, Германия).
Все представленные исследования выполнены в соответствии с планом работ ФГНУ НИРФИ, в частности, при поддержке РФФИ: "Исследование серебристых облаков с помощью радара на базе стенда "Сура" (грант РФФИ 94-05-16862-а), "Экспериментальные исследования суточных и сезонных характеристик мезосферных среднеширотных радиоотражений в KB диапазоне" (грант РФФИ 96-05-79132-к), "Радиолокационные исследования мезосферной турбулентности в KB диапазоне" (грант РФФИ 99-05-64483-а), "Коротковолновое радиозондирование мезосферы" (грант РФФИ 03-05-65169-а), "Исследование радиоизлучения молнии с высоким временным разрешением" (грант РФФИ 06-05-65024-а), а также ряда экспедиционных грантов РФФИ (99-05-79068-к, 00-05-79057-к, 01-05-79186-к, 07-05-10046-к, 08-05-10026-к). Работа была поддержана также грантами МНТЦ и фондом Дж. Сороса.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из Введения, пяти основных глав и Заключения. Общий объем диссертации — 290 страниц, в том числе 53 рисунка, 6 таблиц и 170 библиографических наименований.
