Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение особенностей взаимодействия мощного радиоизлучения с плазмой относится к числу наиболее активно разрабатываемых проблем физики плазмы. Интерес к ней диктуется разнообразными возможными приложениями, связанными с нагревом плазмы высокочастотным электромагнитным излучением. Здесь принципиальным моментом является то, что взаимодействие интенсивного излучения с плаз-" мой сопровождается развитием целого ряда фундаментальных нелинейных явлений, таких как: параметрические неустойчивости плазмы и возбуждение сильной плазменной турбулентности, модификация профиля плотности плазмы под действием сил светового и теплового давления, ускорение электронов до сверхтепловых энергий, генерация вторичного электромагнитного излучения,'а также возбуждение электрических полей н токов в возмущенной области ионосферы и т.п. Экспериментальное исследование этих явлении необходимо для многих разделов физики плазмы и ионосферы. Также среди ключевых "проблем, с решением которых связано понимание природы генерации естественной ионосферной турбулентности, является изучение эволюции возмущений плотности плаямы. Эти исследования весьма перспективно проводить путем изучения свойств турбулентности, созданной в ионосфере искусственно, например, с помощью воздействия на нее мощными радиоволнами. При этом измерения выполняются с управляемыми источниками возмущений^ которые индуцируются в ионосфере с определенной интенсивностью, в течение заданного интервала времени, на выбранных высотах ионосферы, в известных геофизических условиях и для диагностики которых используются такие хорошо-развитые методы исследования ионосферы, как вертикальное импульсное зондирование, ракурсное рассеяние радиоволн, мерцание сигналов дискретных ра-дноисточников и ИСЗ, некогерептное рассеяние, оптическое свечение атмосферы и др.
Рассматриваемый в диссертации круг вопросов является частью интенсивно проводимых в России и за рубежом экспериментальных и теоретических исследований по изучению свойств искусственной ионосферной турбулентности (ИИТ), индуцируемой мощной радиоволной в F-области ионосферы. В диссертации проводится детальный анализ результатов исследований стрикционной и тепловой (резонансной).параметрических неустой чнпостей, генерации мелкомасштабных искусственных иоігосферіїих неоднородностей (МИИН), спектральных и динамических характеристик искусственного радиоизлучения ионосферной плазмы (ИРИ). Выполненные исследования свойств ИЙТ позволили сформулировать эмпирические модели ее развития на разных, этапах взаимодействия мощной волны с
плазмой и раовить на их основе новые методы диагностики верхней ионосферы.
Суммируя вышесказанное, можно заключить, что актуальность те
матики диссертационной работы определяется необходимостью проведе
ния фундаментальных исследований свойств ИИТ, индуцируемой при воз
действии на верхнюю ионосферу пучком мощных радиоволн наземных
КВ-передатчиков, и развития новых методов диагностики ионосферной
плазмы. '
В основу диссертации положены результаты выполненных атітором экспериментов. Однако, где это было необходимо для полного и законченного описания наблюдаемых явлений, в диссертации приводятся и анализируются данные других исследований с указанием соответствующих источни-
КОГ1.
Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование характеристик ИИТ, возбуждаемой в .F-области ионосферы мощным КВ-радиоиалучением наземных передатчиков, и развитие на основе ее свойств новых методов диагностики ионосферы, в том числе:
— изучение свойств стрихционной и тепловой (резонансной) параме
трических неустойчиво стен и их взаимовлияния при развитии ИИТ;
—- исследование характеристик МЙИН при различных режимах воздействия мощным радиоизлучением на плазму;
изучение влияния состояния ионосферной плазмы на характеристики ИИТ; -
исследование динамических и спектральных характеристик различных компонент ИРИ и их зависимости от параметров мощной радиоволны, состояния ионосферной плазмы и близости частоты волны накачки (ВН) к гармонике гнрочастоты электронов;
исследование динамики высокочастотной плазменной турбулентности; .'."'..
разработка и апробирование различных схем диагностического зондирования возмущенной области моносферы с помощью ИРИ.
Научная новизна работы определяется полученными оригинальными результатами и заключается в следующем.
1. Впервые проведены детальные экспериментальные исследования раз-влтия стрикцнониой и тепловой (резонансной) параметрических не-устойчивостей в ионосферной плазме, модифицированной мощной электромагнитной волной О-поляризации, включающие
—намерение пороговых мощностей ВН и нх зависимости от /ин и состояния ионосферной плазмы;
—обнаружение "постстрикцпошшх" осцилляции отраженных от ионосферы'сигналов как самой ВН, так к пробных воли на частотах /пв ~ /вн;
—обнаружение эффекта гистерезиса в зависимости интенсивности МИИН от мощности ВН;
—обнаружение максимума в стационарном спектре МИШІ в области масштабов lx d До (Ло — длина волны ВИ п вакууме).
-
Обнаружена генерация МИИН с l± ~ Зм вблизи уровня отражения ВН на стрнкционной фазе развития её взаимодействия с плазмой.
-
Обнаружено существование максимума п спектре искусственных флуктуации плотности плазмы в области масштабоп 1± ~ Зм в первые секунды после начала модификации ионосферы (на стадии развития эффекта аномального ослабления), когда мощность ВН Р3 > 5-
10 МВт.
4. Обнаружены и исследованы эффекты "модуляционного провала" и пе
реноса модуляции амплитуды ВН на пробные полны близких частот.
5. Впервые в оавеїзшенном виде сформулирована эмпирическая модель
. мелкомасштабной ПИТ и проведена ее апробация при численном мо
делировании генерации широкополосной компоненты ПРИ.
в. Обнаружено резкое изменение условий генерации МШШ в /"-облает . ионосферы с изменением ее освещенности.
7. При исследовании характеристик ЇЇРІІ впервые:
—выполнены измерения динамики развития основных его компонент;, —поучены вариации спектральных характеристик ПРИ при приближении частоты ВН к гармонике гнрочастоты электронов; —изучены свойства излучения вблизи второй гармоники гнроча-стоты электронов;
—обнаружена и изучена компонента излучения п области больших положительных отстроек (Д/+ а 50-400 кГц) относительно частоты ВН;
—проведено детальное изучение характеристик ПРИ в області! его узкополосной компоненты и показано, что здесь можно выделить, по крайне мере, две различные ее структуры (NCC и NGT); :—выполнены измерения времен развития и релаксации ИРИ для различных его компонент, в различных геофизических условиях и для
различных частот ВН, в которых обнаружено резкое уменьшение характерных времен релаксации ИРЇЇ при приближении частоты ВН к гармонике гирорезонанса.
8. Предложены и апробированы новые методы исследования верхней ионосферы, в основе которых лежит использование эффекта генерации ИИТ при ее Модификации мощными радиоволнами.
Научная и практическая ценность работы. В научном плане выполненные автором исследования дают основу для более глубокого понимания физики взаимодействия мощного электромагнитного излучения с плазмой] а также механизмов образования как высокочастотной, тах н мелкомасштабной низкочастотной искусственной плазменной турбулентности, ее эволюции и зависимости ее свойств от состояния и параметров плазмы.
По результатам измерения характеристик МИЙН составлена эмпирическая модель мелкомасштабной ИИТ, которая была успешно апробирована при численном моделировании эволюции широкополосной компоненты ИРИ. Эти исследования вместе с результатами измерении свойств различных компонент ИРИ, а также выполненные измерения характеристик высокочастотной плазменной турбулентности открывают широкие возможности для развития новых методов диагностики ионосферы с помощью ИРИ. Первые ьыпопненные в этом направлении эксперименты показали, что здесь возможно измерение таких параметров ионосферной плазмы, как уровень ее естественной возмущенности, температуры электронов и частоты их соударений, потоков фотоэлектронов и ускоренных частиц, термодиффузионных коэффициентов в верхней ионосфере. ,
На защиту выносятся:
1. Цикл експериментальних исследований стрикционной стадии взаи
модействия мощного электромагнитного излучения О-иодяриоацли с
плазмой .F-области ионосферы, включающая результаты измерений
—зависимости порогов генерации стрикционной параметрической
неустойчивости от частоты ВН м ионосферных условии;
—генерации МИЙН на стрикцншшои фазе взаимодействия ВН с
плазмой;
—характеристик "постстрикционных" осцилляции отраженного от ионосферы сигнала ВН л пробных волн близких отстроек.
2. Эмпирическая модель мелкомасштабной ИИТ, включающая резуль
таты исследования
—особенностей развития и релаксации МИИН как при длительном,.
так и импульсном режимах излучения ВН;
—зависимости стационарной интенсивности МИИН от мощности
ВН;
—спектральных характеристик МИИН на стадии их разпитня и на
стационаре; -
—эффекта "модуляционного провала".
3. Цикл экспериментальных исследований эффекта аномального ослабле
ния радиоволн в возмущённой области ионосферы, включающих ре
зультаты измерений
—зависимости порогов генерации тепловой параметрической неустойчивости от частоты ВЦ и ионосферных условий я обнаруженного эффекта гистерезиса в пороговых мощностях развития и срыва .неустойчивости;
—'особенностей развития эффекта аномального ослабления при больших мощностях ВН и обнаруженного здесь эффекта переноса модуляции амплитуды ВН на пробные волны с /пв w /вн',' —спектральных характеристик МИИН п области масштабов ± ~ 50-200 м и обнаружение спектрального максимума на масштабах j.~ Ао.
-
Результаты измерений динамических, н спектральных характеристик ИРИ для его основных компонент (DM, NC, ВС, BUM), а также излучения на частотах вблизи юторой гармоники частоты ВН и компоненты ИРИ в области больших положительных отстроек.
-
Результаты исследований оволюцпп высокочастотной плазменной турбулентности, включающие
—обнаружение на первом этапе распада высокочастотной плазменной турбулентности ускорения релаксации ИРИ в области DM и существование в области ВС времени задержки начала релаксации излучения относительно момента выключения ВН при проведении измерений в дайн от гармоник гирочастоты электронов; —обнаружение резкого уменьшения характерных времен релаксации получения при приближении частоты ВН к гармонике гирочастоты электронов;'' —обнаружение зависимости темпа релаксации ИРИ от уровня ПИТ.
6. Цикл экспериментальных исследований с использованием ПРИ для
диагностики ИИТ, включающий
—определение оптимальных схем диагностического зондирования н условий її возможностей их использования;
—измерение скорости распространения индуцируемых мощной радиоволной возмущений вдоль силовых линий геомагнитного поля;
. —исследования суточных вариаций характеристик диагностического ИРИ;
—исследования изменения условии генерации различных компонент ИРИ при использовании режима дополнительного нагрева ионосферной плазмы.
Личный вклад автора. Большинство работ автора по теме диссертации написано в авторских коллективах. Из этих работ в диссертацию включены только те результаты, вклад автора в которые был определяющим и включал в себя: постановку и проведение измерений, обработку и анализ экспериментальных данных, формулирование результатов и выводов работы, а также оформление их в виде статей в лаучных журналах или представление в виде докладов на конференциях, совещаниях и симпозиумах. Во всех других случаях используемые в диссертации результаты приводятся с соответствующими ссылками на их авторство и приоритетные публикации.'
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Суздальских симпозиумах VRSI по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (Суздаль, 1983, 1986, 1991, Уписала, 1994), Всесоюзном совещании "Нелинейные явления в ионосфере" (Мурманск, 1979), Всесоюзной конференции "Волны в плазме" (Ленинград, 1978), Всесоюзных Конференциях по распространению радиоволн (Томск, 1973, Горьхлй, 1981, Ленинград, 1984, Алма-Ата, 1987, Харьков, 1990, Ульяновск, 1993), Всесоюзном совещании по проблеме "Неоднородная структура ионосферы" (Ашхабад, 1979), Всесоюзном симпозиуме "Ионосферг и взаимодействие декаметрових волн с ионосферной плазмой" (Звенигород, 1989), XXIII и XXIV Генеральных Ассамблеях URSI (Прага, 1990, Киото, 1993), симпозиуме Европейского геофизического общества (Гренобль 1994), XXX Ассамблее COSPAR (Гамбург, 1994), а также на научных семинарах НИРФИ, ФИ АН, ИЗМИР АН, IRF (Uppsala, Sweden).
Публикации. Работы автора опубликованы в научных журналах: Письмг вЖЭТФ, УФН, Радиофизика, Геомагнетизм и аэрономия, J.Geophys. Research, J. Atmos. and Terr. Physics, тезисах докладов, препринтах НИРФИ, тематических сборниках. Всего по темедиссертации опубликовано 92 работы.
Структура и объем диссертации; Диссертация состоит из введен ил, шести глав, заключения и двух приложений и содержит 256 страниц основного текста, 81 рисунок, 3G4 наименования цитируемой литературы (общим объемом 419 стр).
