Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Некоторые вопросы физики метеорных следов (Обзор) 13
1.1. Роль процессов рекомбинации и прилипания в разрушении метеорных следов 14
1.2. Процесс распада плазменных неоднородностей в магнитном- поле 22
1.3. Экспериментальное исследование отражения радиоволн от метеорных следов с учетом гео магнитного поля 32
ГЛАВА II. Исследовдние-шдасов формирования и распада . 42
2.1. Охлаждение электронов в метеорных следах за счет упругих и неупругих соударений 43
2.2. Диффузионное охлаждение электронов и его влияние на образование начального радиуса метеорного следа 51
2.3. Совместный вклад процесоов диффузии, рекомбинации и прилипания в разрушении метеорных следов 59
2.4. Влияние процессов деионизации на распределение метеорных радиоэхо по длительности. 67
ГЛАВА III. Влияние геомагнитного поля на распад метеорных следов 73
3.1. Характер процесса диффузии метеорного следа в геомагнитном поле 74
3.2. Влияние кулоновских соударений на характер диффузии плазмы метеорного следа в геомагнит ном поле 77
3.3. Распределение концентрации зарядов в попе речном сечении ионизированного метеорного следа в геомагнитном поле 84
3.4. Влияние кулоновских соударений на распреде ление концентрации электронов в метеорном следе, находящемся в геомагнитном поле... 90
ГЛАВА ІV. Рассеяние радиоволн нещоуплотненшм метеорным следом с учетом влияния геомагнитного поля 96
4.1. Влияние геомагнитного поля на рассеяние радиоволн вперед от недоуплотнеиного метеорного следа 96
4.2. Геометрия рассеяния радиоволн вперед метеорным следом с учетом геомагнитного поля ... 102
4.3. Метод обнаружения влияния геомагнитного поля на процесс диффузии в ионизированных метеорных следах с помощью одного радиолокатора 109
4.3.1. Рассчет оптимальной ориентации антенн... 109
4.3.2. Методика эксперимента 117
4.4. Экспериментальное исследование геомагнитно го эффекта при отражении радиоволн от мете орных следов 124
Заключение 131
Литература
- Процесс распада плазменных неоднородностей в магнитном- поле
- Диффузионное охлаждение электронов и его влияние на образование начального радиуса метеорного следа
- Влияние кулоновских соударений на характер диффузии плазмы метеорного следа в геомагнит ном поле
- Геометрия рассеяния радиоволн вперед метеорным следом с учетом геомагнитного поля
Введение к работе
Актуальность работы. Задачи, связанные с освоением космического пространства, требуют глубокого и детального изучения процессов, происходящих как вблизи Земли, так и в Солнечной системе в целом. Одной из проблем подобного рода является исследование метеорного вещества и метеорных явлений в верхней атмосфере.
Метеорное вещество в Солнечной системе является прежде всего объектом изучения астрономии. Научные проблемы метеорной астрономии в конечном итоге связаны с важнейшей фундаментальной задачей происхождения и эволюции Солнечной системы.
Однако, метеорные явления, происходящие при пролете метеорных тел в атмосфере Земли, представляют значительный интерес также с точки зрения геофизики. Здесь метеоры оказываются своеобразным инструментом, позволяющим исследовать свойства и определять параметры верхней атмосферы. Так, например, весьма надежный метод непрерывного контроля ветрового режима на высотах 80-120 км основан на радиолокационном измерении скорости дрейфа ионизированных метеорных следов. Метеорные явления оказывают влияние также на состояние ионосферы. Важное значение имеет проблема метеорного прироста массы Земли и ряд других геофизических задач, прямо или косвенно связанных с метеорами.
Изучение метеорных явлений имеет прямое отношение также к решению ряда интересных и важных физических и радиофизических задач. Так, например, метеорное тело, вторгающееся в атмосферу, может служить моделью при исследовании движения тел в газовой среде с гиперзвукевой скороотью. Образование и разрушение ионизированных метеорных следов - это по сути процессы, характерные для поведения плазменных образований в неогранияенном
5 пространстве. Весьма актуальными являются исследования, связанные с изучением рассеяния радиоволн метеорными следами. Практическим результатом, возникшим при решении указанной научной проблемы, стала метеорная радиосвязь, системы которой, обладающие рядом важных особенностей, успешно работают как в нашей стране, так и за рубежом.
Наконец следует отметить важную роль метеорных явлений в космических исследованиях. Знание законов распределения метеорного вещества в межпланетном пространстве и вблизи планет необходимо при планировании и организации полетов космических аппаратов.
Таким образом, метеорные исследования, являясь пограничной областью астрономии, геофизики, радиофизики и космических исследований, связаны с решением важнейших фундаментальных и прикладных научных задач.
Теоретические и экспериментальные исследования метеорных явлений выполняются в настоящее время во многих институтах как нашей страны, так и за рубежом. Об актуальности и важности их свидетельствует и тот факт, что на протяжении последних десятилетий изучение метеоров стало частью международных программ: Международного геофизичеокого года (MIT). Международного геофизического сотрудничества (МТС), Международного года спокойного Солнца (МГСС). В настоящее время изучение метеоров входит в состав программы Международного проекта средней атмосферы (МАП), где предусмотрено исследование ветрового режима на высотах 80-120 км с использованием метеорных наблюдений, и в проект Глобальной системы метеорных наблюдений (Международная программа ГЛОЖЕТ), направленный на исследование взаимодействия ионизированных метеорных следов с нейтральной атмосферой, гео-
магнитным полем; изучение влияния неоднородностей ионизации на процессы рассеяния и явлений в долгоживущих следах; исследование влияния состояния ионосферы на процессы в метеорных следах.
цель работы. Методы ріс следования метеоров весьма разнообразны. Для этой цели используются как прямые методы, основанные на применении аппаратуры, установленной на космических летательных аппаратах, так и косвенные (оптический и радиолокационный), при которых наблюдения метеорных явлений проводятся с поверхности Земли. Однако ни один из методов не может претендовать на универсальность, и наиболее ценные результаты могут быть получены лишь на основании их комплексного применения.
Один из наиболее эффективных методов исследования метеоров является радиолокационный метод,благодаря которому изучение метеоров за последние десятилетия существенно продаинулось вперед.Исследования метеоров радиометодом ведутся в нескольких направлениях: изучение свойств метеоров и пространственного распределения метеорных тел; систематическое определение основных параметров метеорных следов,связанных с процессами в верхней атмосфере Земли; рассеяние радиоволн метеорными следами как средство радиосвязи и др. И хотя эти направления используют одно и то же явление,они существенно отличаются постановкой задачи и методами их решения.
Метеорная радиолокация на современном этапе характеризуется весьма высоким уровнем аппаратурных разработок. Постановка новых сложных научных задач потребовала разработки оригинальной радиолокационной аппаратуры. Накопление большого экспериментального материала позволили выяснить ряд важных вопро-
7 сов и одновременно поставило новые задачи, для решения которых требовались как дальнейшие экспериментальные,так и фундаментальные теоретические разработки отдельных аспектов физической теории метеоров,теории взаимодействия радиоволн с метеорными следами, статистической обработки результатов радиолокационных наблюдений.
Разработаны и реализованы крупные метеорные проекты,в результате чего резко повышена чувствительность аппаратуры и в значительной степени автоматизирована обработка результатов наблюдений с использованием ЭВМ. Разрабатывается методика многочастотных наблюдений, наблюдений с выносными пунктами,комплексных рациолокационных, телевизионных и визуальных наблюдений.
Вместе с тем, на фоне беспорных достижений в области аппаратуры и методики наблюдений, становится все более очевидным отставание теории. Использование упрощенных и приближенных моделей, сформулированных еще в пятидесятые годы, уже не может удовлетворять запросы, которые предъявляются к результатам обработки наблюдений. Это относится, в первую очередь, к физической теории метеоров и вопросам взаимодействия радиоволн с ионизированными метеорными следами. На недостаточную точность и неполноту существующих моделей указывают, в частности, результаты попыток установить функциональные связи между основными,получающимися из радиолокационных наблюдений,характеристиками метеоров и метеорных тел,(такими,например,как начальный радиус метеорного следа Т*0 коэффициент диффузии D в точке отражения,высота метеора h и скорость метеорного тела 2/).При поиске корреляции между указанными величинами вместо простых детерминированных зависимостей,вытекающих из упрощенных теорий,получается обычно весьма широкое поле разброса Гнапр., 8,18.23-28*] ,
что,помимо Констанции факта наличия больших случайных погрешнос-тей,может служить указанием на недостаточную точность используемых моделей.и существование факторов,которые в этих моделях не учитываются.
Изложенная ситуация и является, по-видимому, причиной наметившейся в последнее время тенденции к пересмотру и уточнению сложившихся ранее представлений о различных аспектах метеорной физики и выработке новых, более современных методик обработки наблюдательных данных, которые позволили бы производить подобную обработку более точно и корректно, а также давали бы возможность извлекать из наблюдательных данных больше информации, чем это удавалось делать до сих пор. Появляется все больше работ, в которых упомянутая тенденция проявляется в полной мере.К таким работам можно отнести,например,исследования роли нейтральных частиц метеорного происхождения в общем балансе ионизации метеорных следов [2э] ; изучение процессов рекомбинации и прилипания в зависимости от начальной концентрации электронов в следе [зо] ; учет необходимости принимать во внимание процессы прилипания с участием метеорных нейтральных частиц для корректного определения масс и плотностей метеорных тел [ЗО, 54]] ; выяснения причин, приводящих к искажению результирующих данных о зависимости амбиполярной диффузии JD от п. [зі, 32] ; изучение влияния отрицательных ионов на диффузионный распад метеорного следа Q33] ,а также теоретические [_34, 35, 94^] и экспериментальные [Зб] работы, изучающие воздействие магнитного поля Земли на метеорные следы.
Приведенные примеры свидетельствуют о попытках все более глубокого проникновения в физические процессы,обуславливающие формирование и распад метеорных следов. Следует отметить также непрерывно происходящее накопление и уточнение данных о состоя-
9 нии и параметрах атмосферы на высотах, где разыгрываются метеорные явления, о сечениях элементарных процессов частиц, участвующих в этих явлениях, и процессах взаимодействия быстрых тяжелых частиц с поверхностью твердого тела. Все это позволяет совершенствовать существующие модели, уточняя входящие в них параметры и учитывая новые факторы, а также создавать новые модели, более полно описывающие физические процессы, происходящие в метеорных следах.
Настоящая диссертационная работа относится к работам подобного направления и ставит своей целью исследование некоторых физических процессов, имеющих место при образовании и распаде метеорного следа, применительно к интерпретации результатов радиолокационных наблюдений.
В работе рассматриваются вопросы, связанные с протеканием деионизационных процессов в плазме метеорного следа, охлаждением электронов, влиянием геомагнитного поля на распад метеорного следа и связанных с этим особенностей отражения радиоволн от метеорных следов.
Целью работы является :
оценка на основе теоретических исследований и экспериментальных данных степени влияния различных процессов деионизации на разрушение метеорных следов;
теоретический анализ процессов, происходящих в неизотермической плазме метеорного следа, и оценка явлений, приводящих к быстрому охлаждению электронов, т.е. к образованию метеорного следа, характеризующегося определенным начальным радиусом, и к установлению изотермического коэффициента амбиполярной диффузии;
исследование влияния геомагнитного поля на среднюю длитель-
10 ность радиоэхо от метеорных следов при произвольной ориентации следа относительно направления падающей волны и магнитного поля и разработка методики наблюдения геоглагнитного эффекта при отражении радиоволн от метеорных следов.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
Первая глава представляет собой обзор исследований, посвященных образованию и распаду метеорных следов. Наиболее детально обсуждается роль процессов рекомбинации и прилипания в разрушении метеорных следов, теоретические представления о процессе распада плазменных не однородноетей в магнитном поле, основные наблюдательные данные об отражении радиоволн от метеорных следов с учетом геомагнитного поля.
Во второй главе исследуются процессы образования и распада метеорного следа. Подробно рассматривается вопрос о релаксации температуры и охлаждения электронов, возникших при ионизации атомов воздуха и метеорного тела при образовании метеорного следа. Исследуется вклад различных процессов (амбиполярной диффузии, рекомбинации и прилипания) в деионизацию метеорных следов.
Важными являются результаты, полученные при одновременном учете влияния всех элементарных процессов на ход деиониза-ции. Это позволяет правильно учесть вклады рекомбинации и прилипания, определить характеризующие их параметры и тем самым правильно интерпретировать данные, получаемые на основе обработки долгоживущих радиоэхо.
Третья глава посвящена изучению влияния геомагнитного поля на процесс распада метеорных следов. Рассматривается характер диффузии метеорного следа в геомагнитном поле и обсуждает-
ся вопрос о форме следа. Обосновывается правильность представлений об амбиполярном характере диффузии плазмы метеорных следов в геомагнитном поле, рассчитывается сам процесс диффузии и оценивается форма метеорного следа. Рассмотрено влияние кулоновских соударений на процесс распада метеорных следов в геоманнитном поле.
В четвертой главе рассматривается рассеяние радиоволн не-доушютненными метеорными следами с учетом влияния геомагнитного поля. Эта глава диссертации посвящена в основном экспериментальной части работы. Разработана методика оптимальной ориентации антенны радиолокатора для экспериментального обнаружения эффекта влияния геомагнитного поля Земли на диффузию метеорных следов. Приведена также методика обработки метеорных радиоэхо. Представлен детальный анализ полученных результатов.
Основные результаты, полученные в диссертационной работе, и положения, выносимые на защиту, могут быть кратко сформулированы следующим образом:
I/ исследован процесс релаксации температуры при образовании метеорного следа; впервые учтено влияние охлаждения электронов метеорной плазмы на формирование начального радиуса метеорного следа;
2/ построена модель временного и пространственного распределения концентрации электронов в метеорном следе при одновременном учете диффузии, рекомбинации и прилипания электронов;
3/ рассчитаны особенности рассеяния радиоволн ненасыщенным метеорным следом при произвольном угле падения волны на след с учетом влияния магнитного поля Земли;
4/ в результате радиолокационных наблюдений метеорного потока из одного наблюдательного пункта получено подтверждение влияния магнитного поля Земли на среднее время жизни радиоэхо от метеор-
12 ных следов.
Апробашя работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на Всесоюзном симпозиуме "Проблемы радиометеорных исследований атмосферы" (г.Харьков, 1977 г.) и "Взаимодействие космичеоких веществ с атмосферой'. Земли (г.Фрунзе, 1978 г.), Всесоюзной конференции "Метеорные тела в межпланетном пространстве и земной атмосфере" (г.Суздаль, 1984 г.), на УІ Казахстанской межвузовской научной конференции по математике и механике, посвященной 60-летию Великой Октябрьской социалистической революции (г.Алма-Ата, 1977 г.), на научных семинарах кафедры радиоэлектроники радиофизического факультета, метеорного отдела астрономической обсерватории КГУ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем 133 отраницы машинописного текста без спиока литературы. В диссертацию включены 22 рисунка, 7 таблиц. Библиография содержит 144 наименования.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 ра-
бот: [94~ [121] , '
, [101] , [Ю2] , [108] , [ш] , [Пб] , [lI8] , І26] , [134] , [138] , [144] .
Процесс распада плазменных неоднородностей в магнитном- поле
Наиболее важным фактором в разрушении метеорного следа остается все же амбиполярная диффузия, которая приводит к уменьшению объемной плотности электронов и не влияет на линейную плотность. Процесс рекомбинации, происходящий в результате столкновения электронов с положительными ионами, может преобладать только при больших концентрациях электронов на ранней стадии распада следа. При этом концентрация электронов спадает от начального значения до конечного обратно пропорционально вре мени ( 7le- t ). Такое спадание отличается от спадания, вызываемого диффузией, которое происходит по экспоненциальному /r закону п о и от спадания, определяемого прилипанием электрона к атому, которое зависит экспоненциально от времени. Экспоненциальное (в результате диффузии и прилипания) спадание продолжается в распадающейся плазме следа значительно дольше, чем спадание по закону t (рекомбинации).
Следовательно, процесс прилипания электронов к атомам и молекулам играет преобладающую роль на конечной стадии жизни следа.
При исследовании вопроса о диффузии метеорных следов обычно пренебрегают влиянием магнитного поля Земли и рассматривают процесс диффузии метеорного следа как амбиполярной диффузии изотропной плазмы напр.18 . В отсутствие внешних сил частицы, движущиеся с определенными начальными скорое тягли, после соударения с другими частицами, движутся из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией, движение частиц между соударениями происходит по прямым линиям.
При наличии магнитного поля заряженные частицы движутся по спирали вокруг силовой линии поля. Столкновения приводят к возмущению орбит, однако в целом движение зарядов поперек магнитных силовых линий оказывается затрудненными. Поэтому скорость диффузии частиц перпендикулярно направлению магнитного поля снижается по сравнению с диффузией, параллельной направлению поля, и рассматриваемый диффузионный процесс становится анизотропным. Критерием преобладающего влияния магнитного поля на движение заряженных частиц по сравнению с действием соударений является условие с //а— а » гце синас Ух " гирочастота и частота столкновений заряженных частиц.
Используя данные о параметрах стандартной атмосферы [ 8б] можно показать, что, начиная с высот 92 км и больше, указанный критерий начинает выполняться для электронов.
Поскольку высоты порядка 90 км являются характерными высотами образования и существования метеорных следов, следует полагать, что на диффузию последних может оказывать существенное влияние геомагнитное поле и пренебрегать его действием при изучении вопроса о распаде метеорных следов было бы неправильным.
Некоторые теоретические сведения, необходимые для рассмотрения тех процессов, которые могут происходить в следах метеоров в геомагнитном поле, изложены в работах [34,35,37,87-89,90, 95] .
Работа является одной из первых, в которой исследуется влияние магнитного поля Земли на процесс диффузии в ионизированных метеорных следах.
Диффузионное охлаждение электронов и его влияние на образование начального радиуса метеорного следа
Однако, механизм неупругих соударений с возбуждением колебательно-вращательных, уровней оказывается не единственным механизмом, который может быть ответственным за быстрое охлаждение электронов метеорного следа. Другим, параллельно действующим механизмов, может быть амбиполярное диффузионное охлаждение электронов ІII0-II21 . Сущность этого механизма заключается в следующем. В процессе амбиполярной диффузии электроны "забегают" вперед, создавая электрическое поле пространственного заряда, которое ускоряет ионы и замедляет электроны. Устремляясь вслед за элекгронагли, ионы приобретают энергию направленного движения, которую они, однако, быстро теряют при упругих соударениях с молекулами газа. Действительно, при упругом соударении коэффициент аккомодации иона оказывается порядка 0,5, а при перезарядке равен единице.
Таким образом, энергия теплового движения электронов в конечном счете передается молекулами нейтрольного газа,но через посредство ионов, которые, с одной стороны, хорошо ускоряются амбиполярным электрическим полем, а с другой стороны, эффективно отдают энергию молекулам газа. Поэтому в целом этот процесс оказывается весьма эффективным. В указанных выше работах диффузионное охлаждение рассматривалось применительно к плазме, окруженной стенками, тогда как мы рассматриваем этот процесс для метеорного следа, диффузионно расширяющегося в безграничном пространстве. Амбиполярное поле в плазме равно:
Результаты численного интегрирования (2.20) для нескольких значений Ті и Те(о) і эВ представлены на рис. 2.4. При этом полагалось Э = 0,75; V оценивалось для молекул азота при Те — 0 02 эВ; значения D{ взяты из таблицы работы 34] . Величина определялась по методу, иаложенному в работе [І8] для метеоров, обладающих начальной скоростью У0 = 40 км. с .
Из сравнения рис. 2.3 и 2.4 следует, что диффузионное охлаждение оказывается более эффективным, чем охлаждение за счет неупругих соударений. Так, например, на высоте Ті - 95 км охлаждение за счет неупругих соударений к концу первой миллисекунды дает электронную температуру 0,4 эВ, тогда как диффузионное охлаждение снижает Ге до 0,15 эВ. Особенно эффективным оказывается диффузионное охлаждение на поздних стадиях. Эффективность неупругих соударений по мере уменьшения электронной температуры быстро убывает, как это мы уже отмечали ранее, за счет уменьшения YK и У , тогда как темп диффузионного охлаждения спадает гораздо медленнее за счет увеличения лишь величины 71 .
В результате, если за счет одних лишь неупругих соударений снижение Те до 0,02 эВ происходит за 25 мс, то диффузионное охлаждение позволяет достичь той же температуры за 2,5 мс (рис. 2.4а). Аналогично обстоит дело и для высот 100 и 105 км (рис. 246 и 2.4в).
Наконец, серия рисунков (2,5а,б,в) соответствует одновременному учету охлаждений как за счет неупругих соударений, так и за счет диффузии (т.е. решению уравнения (2.21). Поскольку вклад от неупругих соударений, как было показано выше, невелик по сравнению с диффузионным охлаждением, эти результаты оказываются мало отличимыми от данных (рис.2.4 а,б,в). Наблюдается лишь несколько больший темп охлаждения.Так,например,для h =95км
Интересным результатом последнего расчета является график величины 7-L , нанесенный на (рис.2.5 а,б,в), т.е. изменение среднего радиуса метеорного следа. Как видно, эта величина испытывает быстрое нарастание в первые моменты времени, пока еще электронная температура достаточно велика. Далее темп роста 7 сильно замедляется, и кривая f (t) приобретает вид медленно поднимающегося плато. Это дает основание полагать, что наблюдаемый начальный радиус обусловлен двумя процессами и происходит в два этапа: а) разлет быстрых частиц метеорного следа; б) расширение следа за счет неизотермической амбиполярной диффузии.
Лишь после того, как закончится второй этап, расширение следа будет происходить со скоростью, обусловленной изотермической амбиполярной диффузией и именно средний радиус, установившейся к моменту окончания второго этапа, экспериментально оценивается как начальный радиус. Это установление начального радиуса завершается для h = 95 км за 0,5 мс, для h = ЮО км -за 2,0-2,5 мс, а для А = 105 км - за 3-4 мс.
Влияние кулоновских соударений на характер диффузии плазмы метеорного следа в геомагнит ном поле
Основным фактором, определяющим распад следа, является его диффузия в фоновую плазму. При воздействии магнитного поля скорость диффузии электронов в направлении, параллельном силовым линиям геомагнитного поля больше, чем скорость диффузии ионов. Между ними возникает электрическое поле, связанное с разделением зарядов, которое тормозит диффузию электронов и увеличивает диффузию ионов, поддерживая в целом зарядовую нейтральность следа. Возникающее при этом электрическое поле видоизменяет диффузию заряженных частиц, так что результирующий поток ионов оказывается равным потоку электронов.
Зависимость скорости диффузии заряженных частиц от магнитного поля должна сказываться на времени распада метеорного следа при различных углах между направлением силовых линий магнитного поля и осью следа. Это приводит к анизотропии диффузии заряженных частиц метеорного следа. За счет анизотропии заряженных частиц поперечное сечение следа приобретает не круглую, а эллипсоидную форму, что должно соответственно проявиться в анизотропии отражательной способности следа.
Выше упоминалось, что магнитные эффекты приобретают значение на высотах более 92 км, где поперечный коэффициент диффузии электронов D± становится меньше, чем коэффициент диффузии положительных ионов JDZ- . Дяя следов, ориентированных вдоль поля в пределах критического угла Окр , диффузия оказывается сильно затрудненной.
Как показано в \_Ъ \ , инжектированные в плазму электроны занимают эллипсоид с размерами \De t вдоль магнитного поля и yDijt - поперек, ионы - эллипсоид длиной yJDf t и шириной "VJDJ t . Поскольку подвижность ионов поперек магнитного ПОЛЯ превышает электронную, то квазинейтральность в объеме электронного эллипсоида поддерживается не за счет противотока фоновых электронов, как это было без магнитного поля, а за счет поперечного потока фоновых ионов, так как образуются области обеднения фоновой плазмы. Когда инжектированные в плазму электроны диффундируют вдоль магнитного поля, а ионы - поперек поля, квазинейтральность обеспечивается за счет протекания токов и образования областей обеднения в фоновой плазме. Этот вид процесса называется механизмом короткого замыкания по фоновой плазме, выполняющей роль проводящих стенок.
Исследования Q) ,41,43 , в которых была учтена конечная величина исходного возмущения плотности плазмы, показали, что если это возмущение достаточно велико, то плотность фоновой плазмы может оказаться недостаточной для эффективного осущест вления механизма "короткого замыкания". В этом случае диффузия плазменной неоднородности будет носить амбиполярный характер.
Критерием амбиполярного характера диффузии в случае плазменного столба, образующего угол с магнитным полем, является условие (1.32)
При расплывании плазменного столба могут оказаться существенными также холловские потоки, возникающие при диффузии в магнитном поле. Однако,как показано в Qs,47]] , вклад холловских потоков оказывается несущественным при выполнении условия где Xj e—fou/У/je j00//" циклотронная частота;. у - частота столкновений соответствующих заряженных частиц с нейтральными молекулами.
Легко оценить, что на высоте 90-110 км величина угла % оказывается порядка 10, так что для большинства метеоров условие (3.1) удовлетворяется. Что же касается условия (1.32), то оно может как выполняться, так и не выполняться, в зависимости от линейной плотности метеорного следа, высоты и состояния ионосферы l34 .
В качестве примера можно подсчитать величину для не II т доуплотненных метеорных следов (Г — 10 см ), которые наблюдаются в течение нескольких десятых долей секунды ( t =0,2 с). На характерной для метеоров высоте 93 км коэффициенты диффузии рав№:2?, «зй = 3,74.104см2.с 1; De = 7,55.104ом2.с"1; J9e = 1,21-Ю8 см2, с""1 С341 - Для некоторого среднего угла О = 45, ./7 = 1,21-10 см2, с""1. Днем концентрация электронов в ионосфере на указанной высоте составляет AfQ = 2»10 см , ночью - 2.10 см Е б] . После подстановки указанных значений в (1.32) получаем днем к = 0,6, ночью 7lK = 60. Проведенные оценки дают основания полагать, что в ночное время, когда ионизация в слое Е мала, диффузия даже для недоуп-лотненных метеорных следов должна носить амбиполярный характер. Тем самым впервые ставится вопрос о влиянии состояния ионосферы в нижней области Е - слоя на характер протекания физических процессов в метеорных следах.
Геометрия рассеяния радиоволн вперед метеорным следом с учетом геомагнитного поля
Проведем теперь интегрирование по области, которая отражает радиосигнал. В направлениях. X11 ж у" эта область ограничивается поперечными размерами метеорного следа, поэтому интегрирование без ущерба для точности может вестись в бесконечных пределах. Вдоль оси Z протяженность следа может быть весьма большой. Но, поскольку основной вклад в отражение дает первая зона Френеля, в пределах которой выполняется поставленное выше условие синфазности отраженного сигнала, можно ограничиться учетом лишь тех электронов, которые находятся в ее пределах. Считая распределение концентрации вдоль метеорного следа однородным, интегрирование вдоль оси Z можно заменить умножением на F . В результате получим где Dp = cos2 p +D n2f=tylsm2QWjCos20)cos2tp+DJsin2tp Легко показать, что JCL есть ни что иное, как компонента тензора диффузии Dyiy , где ось у11 совпадает с нормалью к оси метеорного следа.
От радиолокационного случая полученное выражение отличается только известным множителем со$2 в показателе временной экспоненты, который увеличивает .длительность отраженного сигнала в случае отражения вперед [из] .
Однако сама длительность оказывается теперь зависящей через 2?yj сложным образом также и от взаимной ориентации оси следа, геомагнитного поля и биссектрисы ON между лучом падения и лучом отражения [J44] .
Рассмотренная в 4.1 модель отражения вперед с учетом влияния геомагнитного поля приобретает практическое значение лишь тогда, когда известны углы 2 , О , у и тГ , входящие в нее. Для этой цели необходимо "привязать" метеорный след к конкретному расположению приемной и передающей станций Т и S . Задача ставится так: пусть относительно точки отражения О (рис,4,1) в горизонтальных координатах будут заданы направления линий ОТ, OS , OR и ОМ ( ОМ - направление силовой линии геомагнитного поля, проходящей через точки О ). Требуется найти углы 2. t О » ip , If . Эта задача решается обычными методами сферической тригонометрии [l39,I40] .
Направления линий ОТ и OS с достаточной степенью точности могут быть найдены, если известны географические координаты точек Т ж S ш Зная местоположение передающего ( /) и приемного ( «S ) пунктов (рис.4.3), из точки Т восстанавливаем перпендикуляр к поверхности Земли и вокруг него строим конус, образующая которого составляет относительно вертикали утоп =90-Ф ( р - угол возвышения оси диаграмм направленности передающей антенны над горизонтом). Считая, что метеоры наблюдаются на высоте А (напр., h = 95 км), проводим на этой высоте плоскость, параллельную поверхности плоской Землих . Пересечение конуса с этой поверхностью образует окружность с центром, лежащим над точкой 7" . Аналогично проводим такое же построение относительно точки приема б4 . Пересечение этих окружностей дает точку О , наиболее благоприятную для обнаружения в ней метеорных следов (а также сопряженную с ней точку О ).
Расстояние LT по лучу зрения от точки 7" до О будет Lr=7i/$inW , а по поверхности Земли lT hctcf (рт , и аналогично L —h/sirKPs и l hctfffL . Проводим на поверхности Земли вокруг точки Т окружность радиусом lT , а вокруг «5 -радиусом Т . Их пересечения дадут точки В и В , которые являются проекциями точек О и О на поверхности Земли. Направление из точки О в точку 7" имеет горизонтальные координаты Z.T- 1=90 + Рт ; Ат——рт , где /Зг - азимут направления из точки 7" на точку О (или В ),(т.е. радиус ОТ направлен противоположно лучу ТО ). Аналогично для направления OS: Z$=
Переходам теперь к построениям относительно точки О -точки рациоотракенйя. Для решения вопроса привязки геометрической модели к реальному расположению в пространстве метеорного следа передающей и приемной станции, воспользуемся вспомогательной сферой, изображенной на рис. 4.4. Из центра сферы проведем прямые линии, соответствующие заданным направлениям. Пересечение этих прямых со сферой дает нам точки, лежащие на ее поверхности, центр сферы совместим с отражающей точкой О Проводим далее через точку TOS плоскость распространения (аа). Лежащая в ней линия N0 представляет собой биссектрису угла TOS. Ось метеорного следа лежит на плоскости, перпендикулярной линии А/О , которая и есть плоскость касания (ее). Линия DOD является линией пересечения плоскости распространения и плоскости касания; угол DOR соответствует углу /3 на (рис. 4.1).
На поверхность сферы наносится точка М , которая соответствует пересечениям магнитной силовой линии с поверхностью сферы. Аналогично метеорному радианту назовем ее магнитным радиантом. Линия ОМ соответствует направлению силовых линий геомагнитного поля в окрестности точки О . Угол/?0Л/соответствует углу О . Проводим далее плоскость через точки ROM . Вектор OQ лежит в этой плоскости и перпендикулярен OR .
Наконец, проведем линию ОЕ , соответствующую направлению электрической поляризации падающей волны. Эта линия перпендикулярна ТО и лежит обычно в горизонтальной плоскоети.
