Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Описание экспериментальных установок и методов диагностики 25
1.1 Лабораторные исследования 25
1.1.1 Условия лабораторного моделирования явлений в ионосфере и магнитосфере Земли 26
1.1.2 Лабораторная установка «Канал» 27
1.1.3 Методы диагностики лабораторной плазмы 31
1.2 Натурные исследования 36
1.2.1 Нагревный стенд «Сура» 37
1.2.1.1 Основные явления, наблюдаемые в экспериментах по модификации Т-области ионосферы 39
1.2.2 Методы диагностики параметров ионосферной плазмы 42
1.2.2.1 Бортовая научная аппаратура ИСЗ DEMETER 43
1.3 Заключительные замечания 46
Глава 2. Лабораторные исследования неустойчивостей в магнитоактивной плазме при наличии дакта плотности 47
2.1 Вынужденное ионизационное рассеяние волнового пучка, формирующего разрядный канал 48
2.1.1 Условия проводимых экспериментов 48
2.1.2 Экспериментальные результаты 50
2.1.3 Обсуждение экспериментальных результатов 52
2.1.4 Параметры подобия 54
2.2 Генерация ионно-звуковых волн в плазменно-волновом разряде 56
2.2.1 Условия и результаты экспериментов
2.2.2 Обсуждение результатов 59
2.2.3 Параметры подобия 64
2.3 Выводы 66
Глава 3. Генерация электромагнитных колебаний на частотах нижнегибридного и баунс резонанса в плазменном резонаторе магнитосферного типа с дактом повышенной плотности 68
3.1 Условия проводимых экспериментов 70
3.2 Экспериментальные результаты 73
3.3 Обсуждение экспериментальных результатов 76
3.4 О возбуждении баунс колебаний радиоразрядом в ионосфере Земли 79
3.5 Выводы 84
Глава 4. Формирование искусственных дактов плотности при нагреве ионосферы Земли мощным KB радиоизлучением стенда «Сура» 86
4.1 Теоретические предпосылки 87
4.2 Схема проведения эксперимента «Сура» - DEMETER 89
4.3 Результаты измерений характеристик электромагнитных и плазменных возмущений 90
4.3.1 Характеристики плазменных возмущений 91
4.3.1.1 Сопоставление с результатами измерений, выполненных с помощью метода спутниковой радиотомографии 97
4.3.2 Характеристики возмущений электромагнитных полей в области искусственного дакта плотности 100
4.3.2.1 Обсуждение результатов спутниковых измерений характеристик электромагнитных возмущений 109
4.4 Условия формирования искусственных дактов плотности при нагреве ионосферы Земли мощным KB радиоизлучением стенда «Сура» 115
4.5 Выводы 118
Заключение 120
Литература 123
- Основные явления, наблюдаемые в экспериментах по модификации Т-области ионосферы
- Генерация ионно-звуковых волн в плазменно-волновом разряде
- О возбуждении баунс колебаний радиоразрядом в ионосфере Земли
- Сопоставление с результатами измерений, выполненных с помощью метода спутниковой радиотомографии
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Интерес к исследованиям нелинейного взаимодействия сильного
электромагнитного поля с неоднородной плазмой возник сравнительно давно
[1-5] и обусловлен с одной стороны задачами построения полной физической
картины электромагнитных явлений в плазме, а с другой стороны
необходимостью решения ряда прикладных задач радиофизики и физики
плазмы и стимулируется, в первую очередь, потребностями и перспективами
разнообразных приложений, включающих, в частности, активную волновую
диагностику и мониторинг околоземного пространства, разработку новых
каналов дальней радиосвязи, высокочастотный нагрев плазмы в установках
управляемого термоядерного синтеза и плазмохимии
и т.д.
В магнитоактивной плазме нелинейные явления, возникающие при взаимодействии мощного радиоизлучения с плазмой, при определённых условиях могут привести к образованию ориентированных вдоль внешнего магнитного поля крупномасштабных плазменных неоднородностей с повышенной или пониженной плотностью плазмы [6-9] - так называемых дактов плотности (от английского слова duct - канал), играющих роль волноводов для распространения радиоволн. Такие плазменно-волновые каналы могут возникать и в естественных условиях, при этом их формирование связывают с полями грозовых облаков или с полями поляризации, возникающими при высыпаниях частиц в ионосферу [10-12].
Дакты плотности плазмы играют важную роль в динамике магнитосферного циклотронного мазера [13, 14]. Роль активного вещества в этом мазере выполняют частицы радиационных поясов, для которых из-за наличия конуса потерь в пространстве скоростей характерна инверсия населенностей, проявляющаяся в поперечной анизотропии функции
распределения. Если количество таких частиц начинает превышать некий пороговый уровень, шумовые волновые поля, всегда присутствующие в магнитосфере, стимулируют возбуждение магнитосферного мазера. Положительная обратная связь обеспечивается частичным отражением волн от областей нарушения условий геометрической оптики для возбуждаемых полей (ионосферных «зеркал»). Порог генерации достигается при балансе усиления волн и потерь. Характерными признаками генерации магнитосферного мазера являются следующие факторы: заметное по сравнением с фоном увеличение шумовых излучений ОНЧ и КНЧ диапазонов и высыпания отработанных энергичных частиц из возмущенной силовой трубки.
Наличие в магнитосфере дактов плотности позволяет локализовать возбуждаемые волновые поля в окрестности узкой магнитной силовой трубки, что значительно снижает требования на интенсивность возбуждающих эти поля потоков энергичных электронов.
В последние годы при разработке программ активного воздействия на процессы генерации естественных магнитосферных излучений [15] и экспериментов по контролируемым высыпаниям энергичных частиц [16] всё возрастающее внимание уделяется определению возможностей и условий формирования на высотах внешней ионосферы и в магнитосфере Земли искусственных волноводных каналов (дактов плотности), позволяющих влиять на ионосферно-магнитосферные связи, и изучению волновых явлений, наблюдаемых в таких структурах.
Натурные исследования по созданию искусственных плазменно-волновых каналов проводятся методами, основанными на активном воздействии на параметры ионосферной и магнитосферной плазмы мощным электромагнитным излучением как с поверхности Земли, так и с борта спутников и ракет.
Наиболее адекватной методикой формирования искусственных дактов плотности, позволяющей многократно повторять создание плазменных
возмущений с контролируемыми параметрами, является нагрев ионосферы мощными KB радиоволнами, излучаемыми наземным передатчиком. Очевидно, что подобного рода исследования удобнее проводить в спокойных геомагнитных условиях в среднеширотной ионосфере, чем в высокоширотной ионосфере с обычно достаточно высоким и быстро изменяющимся уровнем возмущённости. При этом одним из наиболее достоверных методов определения характеристик таких плазменных возмущений являются непосредственные измерения с помощью бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли.
Техническая сложность и высокая стоимость программ космических исследований оправдывают изучение плазменных процессов в модельных экспериментах, проводимых в лаборатории. Обширный арсенал разработанных диагностических средств, позволяющих практически полностью контролировать условия эксперимента, делает лабораторное моделирование важной частью работ по изучению физических процессов в космической плазме, тем более что основные процессы, протекающие как в околоземной, так и в лабораторной плазме, подчиняются одним и тем же закономерностям.
Таким образом, суммируя все вышесказанное, можно заключить, что актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью изучения влияния искусственных волноводных каналов на локальные ионосферно-магнитосферные связи и развитие неустойчивостей в магнитоактивной плазме, а также разработки методов активной волновой диагностики околоземного пространства.
Цель работы
Целью настоящей диссертационной работы является проведение экспериментальных исследований плазменно-волновых каналов,
формируемых мощным радиоизлучением в лабораторной и околоземной плазме, и изучение волновых явлений, наблюдаемых в таких структурах. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
лабораторные исследования нелинейных явлений в магнитоактивной плазме при наличии искусственной неоднородности в виде вытянутого вдоль внешнего магнитного поля плазменно-волнового канала;
определение возможностей и условий формирования искусственных волноводных каналов, влияющих на локальные ионосферно-магнитосферные связи, при нагреве ионосферы Земли мощным KB радиоизлучением наземных передатчиков;
натурные исследования влияния на процессы возбуждения и распространения низкочастотных электромагнитных волн искусственных плазменных каналов, вытянутых из ионосферы в магнитосферу Земли и создаваемых в результате взаимодействия радиоизлучения нагревного стенда «Сура» с плазмой /^-области.
Научная новизна
Научная новизна работы определяется полученными оригинальными результатами и заключается в следующем:
В лабораторных экспериментах, качественно моделирующих условия активных экспериментов по созданию искусственных периодических неоднородностей в нижней ионосфере Земли, проведены исследования вынужденного рассеяния волнового пучка, формирующего протяженный разрядный канал в пробочной магнитной ловушке, на релаксационных колебаниях решетки плазменных неоднородностей, создаваемой полем пучка.
Для условий плазменно-волнового разряда, соответствующих по параметрам подобия условиям во внешней ионосфере Земли,
экспериментально исследована генерация ионно-звуковых волн, возбуждаемых в результате распада высокочастотной волны, формирующей разрядный канал.
В линейной пробочной конфигурации магнитного поля для ВЧ разряда, в котором распределение плотности плазмы и поперечного масштаба волнового канала качественно подобно распределению этих параметров в магнитосферном резонаторе с дактом повышенной плотности плазмы, обнаружена и исследована генерация электромагнитных излучений на частотах баунс колебаний потоков быстрых электронов плазмы разряда.
Путем непосредственных (in situ) измерений с помощью бортовой аппаратуры ИСЗ «DEMETER» определены характеристики электромагнитных и плазменных возмущений, индуцируемых во внешней ионосфере Земли при нагреве ее F2-oблacти мощным радиоизлучением среднеширотного стенда «Сура».
Научная и практическая ценность
В научном плане результаты, полученные в работе, дают основу для более глубокого понимания особенностей взаимодействия мощного электромагнитного излучения с магнитоактивнои плазмой, условий и механизмов формирования на высотах внешней ионосферы и магнитосферы Земли крупномасштабных, вытянутых вдоль геомагнитного поля, неоднородностей - дактов плотности, влияния плазменных каналов на развитие неустоичивостеи в околоземном пространстве и возможностей моделирования подобных явлений в лабораторных условиях.
Проведенные исследования имеют большое практическое значение, а их результаты могут быть использованы для разработки программ новых активных космических экспериментов и интерпретации их данных, в задачах
дальней радиосвязи для возбуждения и каналирования низкочастотных волн большой амплитуды в ионосфере и магнитосфере Земли.
Полученные в диссертации результаты могут представлять интерес для следующих научно-исследовательских учреждений: ИКИ РАН, ИПФ РАН, ИЗМИРАН, НИРФИ, ААНИИ, ПГИ КНЦ РАН.
Публикации и апробация результатов
Результаты диссертации опубликованы в работах [17-38] и докладывались на XXI и XXII Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Йошкар-Ола, 2005; Ростов-на-Дону, 2008), 3-й Международной научной конференции «Фундаментальные проблемы физики» (Казань, 2005), 10-й и 11-й Научных конференциях по радиофизике (Нижний Новгород, 2006, 2007), XIII Научной школе «Нелинейные волны» (Нижний Новгород, 2006), XIII Международном конгрессе по физике плазмы (Киев, 2006), 5-й Международной школе молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» (Томск, 2006), Международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (Таганрог, 2007), Международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (Иркутск, 2007), VII Международном Суздальском симпозиуме URSI по искусственной модификации ионосферы (Москва, 2007), Генеральной Ассамблее EGU (Вена, 2008), XV Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Красноярск, 2008), XXIX Генеральной Ассамблее URSI (Чикаго, 2008), а также на семинарах НИРФИ и кафедры электродинамики радиофизического факультета ННГУ.
Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях в ведущих научных журналах, 5 работах в сборниках трудов международных и
российских научных конференций, 11 тезисах докладов научных конференций, симпозиумов и школ.
Достоверность
Достоверность полученных результатов и выводов работы определяется физической обоснованностью проводимых экспериментальных исследований, большим объемом полученных данных, на основе которых делаются соответствующие выводы, повторяемостью результатов измерений, а также сопоставлением результатов исследований с данными других экспериментов и разработанными теоретическими моделями.
Личный вклад автора
Экспериментальные исследования, положенные в основу диссертационной работы, были выполнены на крупномасштабных экспериментальных установках.
Лабораторные исследования выполнены в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского на установке «Канал». Натурные эксперименты были выполнены на нагревном стенде «Сура» (НИРФИ, Н.Новгород).
Все эксперименты по лабораторному исследованию нелинейных волновых явлений в плазме ВЧ разряда были выполнены при непосредственном участии автора. Личный вклад его в этом направлении являлся определяющим при проведении численных расчётов и построении теоретических моделей наблюдаемых явлений.
В силу своей масштабности исследования воздействия мощного радиоизлучения на ионосферную плазму требовали привлечения для их
выполнения большого научного коллектива. Личный вклад автора в эти исследования выразился в том, что автор принимал непосредственное участие в проведении основных экспериментов и интерпретации экспериментальных данных. Лично автором были проведены обработка и анализ спутниковой телеметрической информации.
Основные положения, выносимые на защиту
В лабораторных экспериментах, качественно моделирующих условия активных экспериментов по созданию искусственных периодических неоднородностей в нижней ионосфере Земли, наличие стоячей структуры волнового поля приводит к вынужденному рассеянию волнового пучка, формирующего разрядный канал, на релаксационных колебаниях решетки плазменных неоднородностей, создаваемой полем пучка.
В плазме с квазиоднородным распределением магнитного поля при малых давлениях газа, когда длина свободного пробега электронов превышает длину волны накачки и близка к продольному размеру системы, в результате распада высокочастотной волны накачки имеет место эффективное возбуждение ионно-звуковых волн. Многокаскадное рассеяние волн, формирующих разряд, на возбуждаемых ионно-звуковых колебаниях приводит к значительному уширению спектра сигнала накачки и влияет на величину высокочастотных потерь в плазме.
В линейной пробочной конфигурации магнитного поля для ВЧ разряда, позволяющего проводить качественное моделирование явлений в резонаторе магнитосферного типа с дактом повышенной плотности, присутствие достаточно интенсивных электронных потоков
проявляется в шумовых излучениях в виде максимумов интенсивности сигнала на баунс частотах, соответствующих характерной энергии электронов. При наличии дополнительной накачки, по отношению к излучению, формирующему разряд, возможно возбуждение широкополосного шумового излучения с максимумом на частоте нижнегибридного резонанса. 4. При воздействии на F2-oблacть ионосферы мощными KB радиоволнами О-поляризации, излучаемыми среднеширотным нагревным стендом «Сура», возможно формирование на высотах внешней ионосферы Земли вытянутых вдоль геомагнитного поля искусственных крупномасштабных возмущений (дактов плотности) с повышенной до 25 - 35 % относительно фонового уровня плотностью плазмы, в которых наблюдается повышение уровня сигналов ОНЧ передатчиков и уширение их частотного спектра, а также значительное увеличение интенсивности низкочастотных флуктуации электромагнитных полей.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 140 страниц, включая 42 рисунка и 4 таблицы. Список цитированной литературы содержит 136 наименований.
Краткое содержание диссертации
Во введении обосновывается актуальность выбранного направления исследований, формулируется цель исследований и кратко излагается содержание диссертационной работы.
В главе 1 приведено описание установок, на которых были выполнены экспериментальные исследования, составляющие основу диссертации. Рассмотрены основные методы диагностики плазмы, используемые в представленных экспериментах.
Основные явления, наблюдаемые в экспериментах по модификации Т-области ионосферы
Обсуждение экспериментальных результатов приведено в разделе 3.3. Наблюдаемая генерация широкополосного шумового излучения с максимумом на частоте 800 кГц может быть объяснена группировкой потока тепловых электронов разряда и возбуждением, модулированным потоком частиц, квазипотенциальных колебаний в сформированном разрядом плазменном резонаторе. Резонатор выделяет из теплового шума на собственной частоте колебаний пучка излучение сгруппированных частиц со скоростями, определяемыми размерами резонатора. Прежде всего, выделяется максимум, соответствующий наиболее характерной тепловой скорости электронов. Этот факт позволяет по наблюдаемому шумовому пику излучения оценивать температуру электронов в разряде.
При наличии дополнительной ВЧ накачки количество высокоэнергичных электронов заметно увеличивается, и в плазменном столбе появляются движущиеся осцилляторы, которые в полосе частот около 3.4 МГц накачивают шумовое излучение в плазме.
Численное моделирование волновых процессов в отрезке плазменного волновода с однородным распределением плотности заряженных частиц в поперечном сечении разрядного канала и заданным по результатам измерений продольным кусочно-однородным распределением магнитного поля и концентрации плазмы показало наличие резонанса для основной осесимметричной моды в окрестности нижнегибридного резонанса на частоте 4 МГц. Максимум интенсивности сигнала приходится на частоту нижнегибридного резонанса, т.к. наибольшее замедление, необходимое для обеспечения обратной связи для эффективной группировки быстрых электронов и резонансного усиления возбуждаемых колебаний, волны испытывают на этой частоте. В разделе 3.4 лабораторные исследования проиллюстрированы результатами натурного ракетного эксперимента в ионосфере Земли. Формирование искусственных дактов плотности в магнитосфере Земли было реализовано в ракетных экспериментах «Активный шнур» в конце 1980-х годов.
Из работы [39] приведены данные о влиянии плазмы разряда на потоки высыпающихся электронов. Показано, что формирование искусственных дактов плотности приводит к значительному увеличению потока высыпающихся частиц, в вариациях которого выделяется максимум, отвечающий частотам баунс осцилляции быстрых электронов с энергией 40 кэВ. Возрастание потока высыпающихся частиц сопровождается увеличением шумовых КНЧ излучений в данной силовой трубке, что может быть использовано для активной диагностики радиационных поясов и процессов, происходящих в магнитосфере Земли. Выводы по третьей главе сформулированы в разделе 3.5. Глава 4 посвящена исследованию искусственных плазменно-волновых каналов, формируемых при нагреве ионосферы Земли мощным KB радиоизлучением стенда «Сура». В рамках проводимых исследований, была впервые предпринята попытка проведения на регулярной основе измерений на высотах внешней ионосферы Земли параметров плазмы и электромагнитных полей в области возмущенной мощным KB радиоизлучением магнитной силовой трубки. В разделе 4.1 представлены теоретические оценки параметров искусственных дактов плотности, формируемых при локальном нагреве ионосферы. В работе [40] рассмотрены возникающие при локальном нагреве ионосферы потенциальные поляризационные электрические поля, связанные со сдвигом ионизационно-рекомбинационного баланса. Механизм образования дактов плотности связан с локальным перераспределением плазмы при дрейфе в поляризационном поле. При действии этого механизма в зависимости от естественных условий могут формироваться дакты как с пониженной, так и с повышенной плотностью плазмы, причём относительные возмущения электронной концентрации в экваториальной области магнитосферы могут достигать 10 %. Более проработана модель [41, 42], описывающая тепловые возмущения магнитосферной плазмы при резонансном нагреве F-слоя ионосферы полем мощной радиоволны. Численные расчёты, проведённые в работе [42], возмущений концентрации и температуры плазмы при учёте дополнительного локализованного источника нагрева, вызванного мощным радиоизлучением нагревного стенда, показали, что резкий рост электронной температуры и давления в области интенсивного нагрева плазмы приводит к образованию «тепловой волны», которая при распространении вдоль магнитных силовых линий вызывает перераспределение окружающей плазмы и приводит к формированию искусственного плазменного канала. Структура формируемого дакта плотности достаточно сложна, в ней присутствуют области, как с повышенной, так и с пониженной относительно фона плотностью плазмы, причём уровень возмущений может достигать десятков процентов. Таким образом, теоретические оценки дают довольно оптимистичный прогноз, согласно которому относительные возмущения электронной концентрации на высотах внешней ионосферы и в магнитосфере Земли могут достигать значения десяти и более процентов при разумных значениях величины искусственного нагрева ионосферы. В разделе 4.2 представлена схема проведения эксперимента «Сура» - «DEMETER». Основные результаты измерений характеристик искусственных электромагнитных и плазменных возмущений приведены в разделе 4.3.
Измерения, выполненные в дневных условиях, а также когда ИСЗ «DEMETER» находился в магнитосопряженной относительно расположения стенда точке, не дали значимых результатов. Не было обнаружено каких-либо искусственных плазменных возмущений и в случае, когда нагрев ионосферы проводился либо на частоте fpump, значение которой было выше критической частоты F2-oблacти (/OFT), либо при малых ( 40 МВт) мощностях волны накачки, а также когда траектория спутника проходила достаточно далеко ( 100 км) от оси возмущенной силовой трубки. Последнее условие могло быть выполнено всего 1-2 раза в месяц, поэтому за четыре года (2005 - 2008 годы) было проведено всего 10 сеансов, удовлетворяющих представленным требованиям, из которых в четырех сеансах нагрева бортовой аппаратурой спутника были зарегистрированы крупномасштабные искусственные возмущения с повышенной до 25 - 35 % относительно фонового уровня плотностью плазмы (п. 4.3.1). Характерный пространственный масштаб вдоль траектории ИСЗ наблюдаемых плазменных каналов составлял 50 км.
Генерация ионно-звуковых волн в плазменно-волновом разряде
Нагревный стенд «Сура» [57], расположенный в 120 км восточнее г. Н.Новгород, является одной из пяти в мире и единственной в Российской Федерации действующей установкой для исследования взаимодействия мощного радиоизлучения с околоземной плазмой. Более того, стенд «Сура» (географические координаты: 56.15 N, 46.11 Е) - это единственная установка, расположенная в средних широтах, где сильные естественные геомагнитные возмущения являются достаточно редкими явлениями. Остальные стенды — установки EISCAT (Тромсё, Норвегия), HAARP и HIPAS (Аляска, США), SPEAR (Шпицберген, стенд принадлежит Великобритании) - расположены в высоких широтах.
Нагревный стенд «Сура» включает в себя три коротковолновых передатчика ПКВ-250 с непрерывной мощностью излучения 250 кВт каждый в диапазоне частот 4-25 МГц. Каждый передатчик нагружен на свою антенную решетку, имеющую полосу частот 4.3 - 9.5 МГц. Каждый из трех таких модулей стенда может работать независимо, излучая волну на своей частоте, обыкновенной или необыкновенной поляризации и в своем временном режиме с различной длительностью импульсов - ОТ 50 МКС до непрерывного излучения. Все три модуля стенда могут быть объединены в режиме когерентного излучения. При этом полный размер антенного поля составляет 300 м х 300 м. С учетом коэффициента усиления антенной решетки максимальная эффективная мощность излучения стенда составляет 80 - 280 МВт, увеличиваясь с ростом частоты излучаемой волны. Имеется также возможность наклонять луч антенны стенда в плоскости геомагнитного меридиана в пределах ± 40 от вертикали.
Структурная схема и общий вид нагревного стенда «Сура» приведена на рисунках 1.5 и 1.6 соответственно.
Выполненные к настоящему времени исследования явлений, возникающих при распространении в ионосфере мощных радиоволн, позволили определить основные свойства возбуждаемой искусственной ионосферной турбулентности и развить теоретические модели для генерации отдельных ее компонент. Детальное изложение многих аспектов этой проблемы можно найти в монографиях, обзорах, а также в публикациях, собранных в специальных выпусках журналов [58-60].
Эксперименты по воздействию мощным радиоизлучением О-поляризации на плазму F2-oблacти ионосферы показали, что основная доля энергии ВН вблизи уровня ее отражения поглощается не за счет омических потерь (в результате столкновительного затухания), а за счет развития целого комплекса нелинейных процессов, основным из которых, длящемся 0.05 - 0.2 с после включения ВН, является стрикционная параметрическая неустойчивость (СПН) [61, 62]. СПН носит характер индуцированного рассеяния электромагнитной волны в ленгмюровские (плазменные) волны и образованию непосредственно вблизи уровня отражения мощного радиоизлучения узкого слоя с высоким уровнем высокочастотной плазменной турбулентности. В этом слое за счет диссипации энергии плазменных волн происходит сильный разогрев электронов фоновой плазмы, модификация профиля плазмы и ускорение наиболее энергичных электронов до сверхтепловых энергий.
На втором этапе взаимодействия, спустя 0.5 - 1 с после включения ВН, наблюдается развитие тепловой (резонансной) параметрической неустойчивости [63-65]. В её основе лежит генерация и локальная столкновительная диссипация собственных колебаний замагниченной плазмы в области верхнегибридного резонанса (ВГР). При этом возбуждение плазменных волн происходит за счет рассеяния падающей электромагнитной волны О-поляризации на мелкомасштабных неоднородностях плотности плазмы l± AQ 30 - 50 м, (/± - масштаб неоднородностей поперек геомагнитного поля, AQ - длина волны накачки в вакууме). Такая трансформация возможна в интервале высот между уровнями отражения ВН, где её частота совпадает с плазменной и верхнегибридной соин =Jco"pc + со Не . В условиях неоднородной среднеширотной ионосферы диапазон высот, где развивается ТІШ, находится ниже высоты отражения ВН и не превышает 3-10 км.
О возбуждении баунс колебаний радиоразрядом в ионосфере Земли
Из представленного выше описания экспериментальных установок, на которых были выполнены экспериментальные исследования, составляющие основу диссертации, можно выделить следующий ряд ключевых моментов.
Возможность создания оторванного от стенок разрядного баллона плазменно-волнового канала, а также широкий диапазон изменения параметров плазмы и магнитного поля позволяют на лабораторной установке «Канал», при соответствующем выборе условий эксперимента, проводить исследование ряда нелинейных явлений, протекающих в ионосферно-магнитосферной плазме при наличии искусственной неоднородности в виде вытянутого вдоль внешнего магнитного поля плазменного столба. Обширный арсенал диагностирующих средств предполагает детальное изучение особенностей наблюдаемых явлений и практически полный контроль за условиями проведения экспериментов.
Самым доступным и наиболее адекватным методом формирования в околоземной плазме искусственных волновых каналов является нагрев ионосферы мощными KB радиоволнами, излучаемыми наземным передатчиком. Причём данные исследования более целесообразно проводить в спокойных геомагнитных условиях в среднеширотной ионосфере. По этой причине для проведения натурных исследований был выбран среднеширотный нагревный стенд «Сура».
Одним из наиболее достоверных методов определения характеристик электромагнитных и плазменных возмущений, индуцируемых на высотах внешней ионосферы Земли мощным радиоизлучением стенда «Сура», являются непосредственные (in situ) измерения с помощью аппаратуры, размещаемой на борту спутников. В проводимых исследованиях для этой цели была использована бортовая аппаратура ИСЗ DEMETER, обладающего уникальным набором высокочувствительных инструментов.
В последние годы достаточно интенсивно проводится изучение физических явлений в околоземной плазме в связи с многочисленными научными и техническими приложениями.
Эти исследования проводятся как пассивными диагностическими методами, так и методами, основанными на активном воздействии на параметры ионосферной и магнитосферной плазмы посредством мощного электромагнитного излучения.
Постановка и проведение таких активных волновых экспериментов стимулировали выполнение подобных исследований и в лабораторных условиях, т.к. в лаборатории можно использовать весь арсенал современных диагностических средств параметров плазмы и есть возможность многократно воспроизводить исследуемое явление, целенаправленно варьируя условия его протекания.
Особенность проблемы заключается в том, что в плазме уже при относительно низких значениях напряжённости электромагнитного поля могут развиваться нелинейные процессы, приводящие к возникновению совершенно новых эффектов, которые могут существенно модифицировать параметры окружающей среды и повлиять на характеристики распространения радиоволн.
Экспериментальная установка «Канал» допускает изменение в широких пределах параметров плазмы, величины и распределения внешнего магнитного поля, что позволяет проводить моделирование некоторых явлений в ионосфере и магнитосфере Земли, т.к. при правильном выборе условий эксперимента основные процессы как в околоземной, так и в лабораторной плазме подчиняются одним и тем же закономерностям.
Основные эксперименты на лабораторной установке «Канал» были посвящены исследованию неустоичивостеи плазмы в поле сильных электромагнитных волн. Плазменный резонатор формировался в продольном магнитном поле пробочной конфигурации в результате ионизационного самоканалирования плазменных волн, возбуждаемых линейной квадрупольной антенной, состоящей из трёх колец с диаметром 6 см, размещённых перпендикулярно оси разрядного баллона в центральной его части на расстоянии 10 см друг от друга (длина антенны la = 20 см). Высокочастотное напряжение (fo = 200 МГц) от генератора ГСТ-2 подводилось к возбуждающим кольцам антенны с помощью коаксиального кабеля, согласно схеме представленной выше в п. 1.1.2. На рисунке 2.1 представлены распределения вдоль продольной оси установки поперечного радиуса канала RL(z) и усредненной по поперечному сечению канала плотности плазмы N(z) для заданного распределения продольной составляющей магнитного поля Bz(z) при Р = 8-Ю"3 Тор. Значения параметров выбраны из условия наиболее яркого проявления наблюдаемых эффектов [19, 29, 31].
Сопоставление с результатами измерений, выполненных с помощью метода спутниковой радиотомографии
Лабораторная исследовательская установка «Канал» позволяет проводить исследования поведения плазмы ВЧ разряда в линейной пробочной конфигурации магнитного поля. Такая система является открытой магнитной ловушкой, которую иначе называют адиабатической ловушкой или пробкотроном.
Натурным примером такой конфигурации является геомагнитная ловушка. Магнитосфера Земли является открытой магнитной ловушкой для заряженных частиц. Плазме в таких ловушках присуща инверсия заселённостей по поперечным скоростям. Энергичные частицы, которые отражаются магнитными пробками достаточно далеко от торцов ловушки, могут двигаться без столкновений. С уменьшением поперечной энергии частица на некотором отрезке своей траектории все ближе подходит к торцам. В лабораторных установках это приводит к осаждению частиц на стенки, а в условиях земной магнитосферы энергичные частицы заходят в ионосферу и рекомбинируют на высотах порядка 200 км из-за высокой частоты столкновений.
Практически наиболее интересны случаи, когда высыпание энергичных частиц на торцы компенсируется источниками частиц. Концентрация энергичных частиц может увеличиваться за счет диффузии частиц из радиационных поясов. Если количество таких частиц начнет превышать некоторый пороговый уровень, шумовые волновые поля, всегда существующие в магнитосфере, начнут отбирать энергию у этой неравновесной компоненты (электронной или ионной), что в свою очередь приведет к генерации и усилению поля волны на определенных резонансных частотах. Этими резонансными частотами могут служить частоты, связанные с каким либо из квазипериодических движений, которые совершают частицы в магнитной ловушке.
Можно ожидать, что эффективно взаимодействовать с энергичными частицами могут волны, которые направляются магнитным полем, так как они, отражаясь от торцов магнитной ловушки, многократно проходят область взаимодействия. Как известно, в магнитосферной плазме такими свойствами обладают альфвеновские и свистовые волны.
Канализации низкочастотных электромагнитных волн и слежению волнового вектора за магнитным полем способствуют вытянутые вдоль него неоднородности концентрации плазмы - дакты плотности.
Технологические трудности реализации синхронных измерений параметров плазмы, характеристик волновых процессов и энергетических спектров заряженных частиц в разных концах магнитной силовой трубки, в которой происходят процессы генерации, затрудняют проверку в натурных условиях имеющихся теоретических моделей, поэтому роль лабораторных исследований достаточна значима.
Проведённые к настоящему времени модельные эксперименты в лабораторных открытых плазменных магнитных ловушках были выполнены, в основном, для условий распадающейся плазмы ЭЦР разряда и касались исследования генерации вспышек электромагнитного излучения, связанных с развитием циклотронной неустойчивости магнитоактивной плазмы и сопровождающихся высыпанием частиц из ловушки [94-98].
В работах [99, 100] предложена методика создания плазменного резонатора магнитосферного типа путем формирования ВЧ разрядом в свистовом диапазоне частот неоднородного плазменного волновода в продольном магнитном поле пробочной конфигурации.
В настоящей главе представлены результаты лабораторных исследований генерации электромагнитных колебаний на частотах нижнегибридного и баунс резонанса в магнитосферном резонаторе с дактом повышенной плотности плазмы [22, 26-28, 30, 32]. Плазменный резонатор магнитосферного типа формировался в результате ВЧ разряда в пробочной магнитной ловушке. Разряд формировался (аналогично экспериментам, представленным в главе 2) при ионизационном самоканалировании волновых полей, возбуждаемых квадрупольной антенной из трёх медных колец, надетых на колбу в центральной её части на расстоянии 6 см друг от друга.
Структура разрядного канала зависела от распределения Bz(z) и пробочного отношения (ст = 2?max /Bmin ). На рисунке 3.1 представлены распределения вдоль разрядного канала радиуса канала R± и усредненной по поперечному сечению плотности плазмы N для заданного на оси баллона распределения продольной составляющей магнитного поля Bz(z) и при давлении разреженного воздуха Р = 10 5 Тор. Отметим, что представленные распределения параметров плазмы и магнитного поля в разряде являются качественно подобными приведённым на рисунке 2.1. Отличие заключается в том, что данные распределения получены для меньших давлений и при большем пробочном соотношении, что привело к более резкому изменению концентрации и характерного радиуса канала. В области пробок диаметр канала (2R±) существенно обужался, а плотность плазмы увеличивалась на полтора порядка. Эффективность магнитной ловушки во многом зависит от общего перепада магнитного поля, определяемого пробочным отношением. Для дипольной аппроксимации геомагнитного поля: где L - магнитная оболочка, равная расстоянию от центра планеты до вершины магнитной трубки, выраженному в радиусах планеты.
