Содержание к диссертации
Введение
1. Экспериментальные исследования начальной стадии самовоздействия мощной радиоволны
1.1. Результаты экспериментальных исследований стрик-пионыых эффектов в верхней ионосфере 1?
1.2. Экспериментальные исследования характеристик эффекта "пичков"
1.3. Исследование начальной стадии самовоздействия волны накачки со случайной модуляцией несущей частоты .50
2. Исследование мелкомасштабных неоднородностей концентрации плазмы, вытянутых вдоль силовых линий геомагнитного поля .
2.1 Спектральные, пространственные и динамические
характеристики возмущенной области и особенности развития искусственной ионосферной турбулентности при большой мощности волны накачки ЭД
2.2. О возможности определения спектра мелкомасштабных неоднородностей с помощью метода пробных волн
2.3. Развитие мелкомасштабных неоднородностей, вытянутых вдоль геомагнитного поля, как третий этап начальной стадии
3. Стимулированное радиоизлучение ионосферной плазмы 81
3.1. Динамика развития стимулированного радиоизлучения (ср) 83
3.2. Спектральные и энергетические характеристики СР 89
3.3. Зависимость интенсивности стимулированного радиоизлучения от мощности волны накачки .9?
4. О природе эффектов, возникающих при воздействии мощным радиоизлучением на верхнюю ионосферу Земли 405
4.1. О возможных механизмах происхождения "пичков" Юб
4.2. О соответствии результатов экспериментального исследования мелкомасштабных искусственных не-однородностей теоретическим представлениям о механизмах теплового расслоения плазмы 116
4.3. Обсуждение результатов исследований искусственной высокочастотной плазменной турбулентности. Модель начальной стадии взаимодействия КВ-ра-диоволн с верхней ионосферой 122
Заключение
Приложение IkS
Литература
- Экспериментальные исследования характеристик эффекта "пичков"
- О возможности определения спектра мелкомасштабных неоднородностей с помощью метода пробных волн
- Спектральные и энергетические характеристики СР
- О соответствии результатов экспериментального исследования мелкомасштабных искусственных не-однородностей теоретическим представлениям о механизмах теплового расслоения плазмы
Введение к работе
В настоящее время проводятся интенсивные исследования нелинейных эффектов в ионосфере Земли, возникающих при взаимодействии мощных радиоволн с ионосферной плазмой. Интерес к этой проблеме возник в связи с разнообразными геофизическими и астрофизическими приложениями, представляющими значительный интерес не только .для физики ионосферы, но и .для физики плазмы в целом, а также для многочисленных приложений в задачах ионосферно- го распространения радиоволн. Особенно большие успехи в решении этой проблемы были достигнуты в связи с созданием специальных стендов по воздействию на ионосферу мощным коротковолновым излучением. В настоящее время эксперименты по воздействию на ионосферную плазму проводятся в ряде ведущих научных центров СССР (ШИР, ИЗМИР АН СССР, НИРШ, ПГИ КФ АН СССР, ИА АН Тадж.ССР); США - исследовательские центры в Аресибо (Пуэрто-Рико), Боулдере (штат Колорадо), на Аляске; Норвегии (Тромсё).
Основное внимание в этих исследованиях уделяется изучению нелинейных явлений в F-ббласти ионосферы, где возникает широкий комплекс разнообразных эффектов.
В ходе активных экспериментов, наряду с такими ожидаемыми эффектами, как изменение температуры и концентрации ионизованной компоненты ионосферы /1-5/, возникновение квазипериодических решеток в поле стоячей радиоволны /6-7/, возбуждение крупномасштабных неоднородностей концентрации плазмы за счет самофокусировоч-ной неустойчивости электромагнитных волн /8-ІІ/, были обнаружены новые явления, наиболее замечательным из которых явилось возникновение искусственной ионосферной турбулентности (ИИТ). Оказалось, что при воздействии на F-слой вертикальным пучком электромагнитных волн обыкновенной поляризации вблизи уровня отраже- ния радиоволн возбуждаются неустойчивости плазмы, приводящие к росту высокочастотных колебаний плазмы (плазменных волн) /12 -17/ и низкочастотных возмущений ее параметров - мелкомасштабных неоднородностей концентрации и температуры, обладающих сильной вытянутостью вдоль направления геомагнитного поля л0 /18-20/. Интенсивность плазменных волн при воздействии на ионосферу возрастает на несколько поря.цков по отношению к естественным шумам среды /14-15/, и в силу повышенной плотности энергии плазменные волны, в свою очередь, становятся источником возмущения среды. Это приводит к уширению их частотного спектра /12-17/, к генерации электромагнитного излучения на частотах, отличающихся от частоты электромагнитной волны накачки /21-24/ и к возникновению ускоренных потоков электронов, вызывающих свечение нижележащих слоев атмосферы /25-26/. Таким образом, при воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением возникают и развиваются различные процессы плазменной турбулентности, приводящие к искажению функций распределения электронов и ионов, к образованию широкого спектра масштабов неоднородностей плазмы и к возбуждению собственных волн плазмы различных типов. Возмущенная область начинает сильно влиять на условия распространения KB и УКВ радиоволн, проходящих через нее и сама становится источником радиоизлучения. При этом волна накачки испытывает почти полное поглощение, отдавая свою энергию искусственной ионосферной турбулентности /27/.
Для интерпретации полученных результатов привлекаются теории стрикционной параметрической неустойчивости /28-30/, которая приводит к быстрому (за время порядка нескольких миллисекунд) развитию турбулентности вблизи уровня отражения мощной радиоволны и тепловых неустой чи во от ей - резонансной /31-35/ и теп, ловой параметрической /36-43/, приводящих к мелкомасштабному расслоению плазмы и к возбуждению плазменных волн вблизи верхнегибридного резонанса плазмы.
Целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование динамики развития искусственной ионосферной турбулентное-ти. При этом необходимо было выяснить-условия возбуждения ИЙТ, в том числе в различных геофизических условиях, установить зависимость основных характеристик возникающих неустойчивостей от мощности волны накачки (ВН), от способа нагрева ионосферы и от ее параметров. В экспериментах, проведенных в данной работе, в качестве возмущающего ионосферу устройства, в основном, использовался стенд "Зименки" с эффективной мощностью излучения г< ^ 25 МВт ( Р^ = Р0' С) , Р0 - мощность передатчика, q -коэффициент усиления антенны). В отдельных, отмечаемых в диссертации, случаях воздействие на ионосферу осуществлялось стендом "Гиссар" ( Р9 ^ 10 МВт) и более мощным, по сравнению с первыми, стендом "Сура" ( Pj ^ 160 МВт).
Результаты этих исследований позволяют построить основы модели возбуждения в верхней ионосфере искусственной ионосферной турбулентности, обозначить границы применимости существующих теоретических моделей, установив экспериментальные факты, не нашедшие пока должного отражения в теоретических исследованиях взаимодействия электромагнитных волн с плазмой.
Изложенные в диссертации результаты экспериментов.и проведенный анализ экспериментальных данных могут быть использованы при планировании и постановке новых экспериментов по воздействию на ионосферу (например, при сильном нагреве \ -слоя). Полученные в ней основные характеристики мелкомасштабных неоднороднос-тей' возмущенной области (ВО), возбуждаемых волной накачки с большой эффективной мощностью Рэ = Р0 ' ц ^ 100 МВт необходимы для использования ВО в целях практики. В диссертации рассмотре- на возможность использования некоторых нелинейных явлений (стимулированного излучения, стрикционного самовоздействия) для исследований физики верхней ионосферы. На защиту выносятся:
1. Результаты экспериментальных исследований самовоздейст вия волны накачки и особенностей развития мелкомасштабных неод нородностєй ионосферной плазмы на начальной стадии взаимодейст вия мощного радиоизлучения с плазмой г -слоя, в том числе: а) эффекта.стрикционного самовоздействия мощного КБ радио импульса при его отражении от ионосферы; б) временных, энергетических и пространственных характерис тик эффекта "пичков" (осциллирующего режима самовоздействия на временах * ОД - 0,5 сек); в) особенностей воздействия на ионосферу радиоизлучением со случайной модуляцией несущей частоты; г) обнаружение и исследование эффекта подавления стрикцион ного самовоздействия и явления "пичков" при развитии аномально го ослабления мощного радиоизлучения; д) обнаружение особенностей на начальной стадии развития мелкомасштабных неоднородностєй ионосферной плазмы при воздейст вии на нее излучением с эффективной мощностью Г% ~>/ 30 МВт, состоящих в повышенном (на 3-Ю дБ) уровне их интенсивности в первые несколько секунд после начала воздействия по сравнению с устанавливающимся стационарным уровнем.
2. Метод оценки параметров пространственного спектра мелко масштабных неоднородностєй, основанный на анализе динамических характеристик аномального ослабления "пробных" радиоволн.
3. Результаты экспериментальных исследований динамических и спектральных характеристик стимулированного радиоизлучения ионосферной плазмы, в том числе: а) динамики развития стимулированного радиоизлучения (СР) на разных частотах в зависимости от мощности БН и от предысто рии воздействия на ионосферу; б) особенностей динамического спектра СР, заключающихся в интенсивности СР наличии нескольких максимумов в зависимостиуот частоты; в) зависимости интенсивности СР от мощности волны накачки; обнаружение эффекта гистерезиса в этой зависимости.
Содержание работы
Диссертация состоит из Введения, четырех разделов, Заключения и Приложения.
Во Введении дана общая характеристика работы и кратко изложено ее основное содержание.
В первом разделе диссертации изложены экспериментальные результаты исследования двух этапов начальной стадии самовоздействия мощной радиоволны, характеризуемых временами развития 0,5 * f 4 мсек и 50 * 500 мсек (соответственно, первый и второй этап самовоздействия),
В п.1.1 приведены результаты экспериментальных исследований первого этапа начальной стадии - эффекта стрикционного самовоздействия. Исследованы основные характеристики этого явления (времена развития и степень самовоздействия) в зависимости от мощности волны накачки и проведено сравнение с существующими теоретическими расчетами стрикционной параметрической неустой-чивосттеТстановлено, что стрикционное самовоздействие, которое испытывает ВН только обыкновенной поляризации, является пороговым эффектом и определены пороги его возбуждения ( РЭП = 7 * г 10 МВт). Из анализа полученных результатов следует, что время ,.,„,„ „,,„<. „.,_ —т ч-г. а характерное время нелинейной стадии Т^ от К зависит очень слабо. Ослабление интенсивности ВН, которое обусловлено стрикционным самовоздействием, растет с увеличением Ij и достигает * 75$ при К ~ 50 МВт.
Используя теоретические расчеты СПН, показано, что самовоздействие ВН с характерными временами Т. = 0,5 * 4 мсек определяется трансформацией падающего радиоизлучения обыкновенной поляризации в плазменные волны.
В п.1.2 изложены результаты исследований эффекта "пичков", представляющего из себя резкое уменьшение амплитуды отраженного от ионосферы сигнала ВН (и пробных волн), происходящее через время %* їі 50 * 500 мсек после включения мощного передатчика. Обнаружено, что часто этот провал в амплитуде принимаемого сиг- . пала сопровождается затухающими квазипериодическими осцилляция-ми с нарастающим во времени периодом. Показано, что исследуемое явление обладает более низким порогом возбуждения по сравнению с эффектом стрикционного самовоздействия, его пороговая мощность
К - 4 МВт, что указывает на независимость эффекта "пичка" от ш стрикционной параметрической неустойчивости. Исследованы характеристики эффекта в зависимости от мощности ВН, времени суток "и геофизических условий. Отмечены особенности его проявления на пробных волнах.
Представленные в п.1.1 и п.1.2 данные, получены в экспериментах по воздействию на ионосферу монохроматическим излучением.
В п.1.3 диссертации обсуждаются результаты исследования начальной стадииibMMotaTBWL& ионосферой мощного радиоизлучения со случайной модуляцией несущей частоты. Определены критические значения полосы излучения, при превышении которой рассмотренные в п.1.1 и п.1.2 эффекты подавляются. Показано, что основную роль играет расширение спектра излучения ВН до величины h\.^ 5 кГц, которое и приводит к подавлению стрикционного самовоздействия, что подтверждает определяющую роль СПН в развитии этого эффекта. Найдена полоса подавления эффекта "пичков" А тг , которая существенно превышает полосу подавления сгрикционного самовоздейсгвия: Д і - 30 * 40 кіц.
Бо втором разделе приводятся результаты экспериментальных исследований низкочастотной искусственной ионосферной турбулентности - вытянутых вдоль геомагнитного поля Uq" мелкомасштабных неоднородноетей концентрации ионизированной компоненты плазмы с характерными масштабами поперек HQ I м ^ ^ ^ 50 м.
В п.2.1 изложены данные о неоднородной структуре возмущенной области, о спектральных характеристиках мелкомасштабной турбулентности и о динамике развигия неоднородноегей различных масштабов, полученные методом ракурсного рассеяния радиоволн.. Приводятся результаты исследования основных характеристик ВО, полученные при больших мощностях нагрева ( Р5 ^ 100-МВт). Отмечены особенности развигия мелкомасштабной ИИТ при эффективной мощности радиоизлучения, превышающей 30 МВт.
В п.2.2 обсуждается возможность определения качественного вида спектра ИИТ более простым (по сравнению с методом ракурсного рассеяния) способом, используя данные о релаксации аномального ослабления пробных волн. Проанализированы экспериментальные результаты и на их основе сделан вывод о том, что с увеличением Рэ в спектре ИИТ увеличивается относительный вклад малых масштабов.
П. 2.3 посвящен исследованию влияния мелкомасштабных неоднородности, возбуждаемых на третьем этапе начальной стадии (времена Т1*1-30 с) на первые два этапа процесса развигия взаимодействия электромагнитных волн с ионосферной плазмой. Экспериментально доказано, что развитие низкочастотной искусственной ионосферной турбулентности (ИИТ) приводит к подавлению стрикци-онных явлений и эффекта "пичков". Этот факт обусловлен аномальным ослаблением интенсивности ВН за счет ее трансформации в плазменные волны на вытянутых вдоль ~Е0 мелкомасштабных неод-нородностях, возбуждаемых на высотах ионосферы, меньших высоты отражения волны накачки. В связи с этим, волна накачки распространяется сильно ослабленной, что и приводит к срыву нелинейных явлений стрикционного самовоздействия и эффекта "пичков".
В третьем разделе рассмотрены характеристики электромагнитного излучения, источником которого является возмущенная область ионосферы, - стимулированного радиоизлучения (СР).
В п.3.1 этого раздела диссертации приводятся результаты экспериментальных исследований динамики развития стимулированного излучения. Показано, что СР представляет из себя электромагнитные волны обыкновенной поляризации, носит шумовой характер изменения амплитуда и возбуждается волной накачки с обыкновенной поляризацией. Это излучение регистрируется в широком спектре частот Д і - -80 кГц * +20 кГц около частоты ВН. Во временном развитии сигнала СР наблюдается максимум с дальнейшим уменьшением уровня сигнала до стационарного состояния. Характерные времена достижения максимума и установления стационарного уровня излучения уменьшаются с увеличением отстройки частоты стимулированного излучения от несущей частоты ВН. Исследована зависимость динамики развития СР от предыстории воздействия на ионосферу. Получена зависимость времени развития СР от мощности волны накачки: ^.41 Р^ , где (3 = 0,5 * 2.
В п.3.2 исследованы спектральные характеристики СР; отмечаются особенности в динамическом спектре излучения, к которым относится широкополосное излучение вблизи Д 4 * -30 кГц на начальной фазе развития и узкая линия вблизи частоты ВН (|д{|$5 кГц) а также спорадическое появление линии в спектре излучения при Л + = -12 кГц, Такие особенности указывают, по-видимому, на существование нескольких механизмов генерации стимулированного излучения.
В п.3.3 изложены данные измерений зависимости интенсивности стимулированного излучения 1 от мощности ВН. Эта зависимость может быть представлена в в иде:
1 ос О ОС И І J J*. V3 ' 1г; p'
Четвертый раздел диссертации посвящен обсуждению физической природы эффектов, развивающихся на начальной стадии взаимодействия мощных радиоволн с верхней ионосферой.
В п.4.1 .диссертации обсуждается вопрос о механизме происхождения эффекта "пичков". Рассмотрены два возможных решения' этой проблемы. Первое из них основано на явлении сдвига частоты радиоволны при отражении от области с существенно нестационарной плазмой, а второй возможный механизм может быть связан с возбуждением осциллирующего режима тепловой параметрической неустойчивости. Показано,ч то эффект "пичков" обусловлен энергетическим механизмом самовоздействия ВН в ионосфере и одним из вариантов такого механизма может являться быстрое развитие мелкомасштабного расслоения ионосферной плазмы.
В п.4.2 проводится сопоставление данных экспериментального исследования вытянутых вдоль 1^ мелкомасштабных неоднороднос-тей с результатами теоретических исследований теплового расслоения ионосферной плазмы. Показано, что по ряду параметров (инкременты, пороги неустойчивости, существование гистерезиса в зависимости величины флуктуации концентрации плазмы от г$ и т.д.) имеется хорошее соответствие между результатами теории и эксперимента. Отмечаются результаты экспериментов по воздействию на г - слой модулированной ВН и волной накачки с повышенной мощностью ( К > 30 МВт) , не нашедшие пока адекватного объяснения в рамках теорий РН и ТШ.
В п.4.3 обсуждаются результаты исследования высокочастотной плазменной турбулентности, полученные в США методом некогерентного рассеяния радиоволн и проводится сопоставление с результатами исследования стимулированного излучения. Анализируются возможные механизмы генерации СР. Приводятся данные, свидетельствующие о важной роли мелкомасштабных неоднородностей в формировании сигналов стимулированного излучения. На основе полученных в диссертации экспериментальных данных построена модель начальной стадии взаимодействия КВ-радиоволн с верхней ионосферой.
В Приложении рассмотрены методы исследований ЙЙТ, используемые в данной работе. К ним относятся:метод самовоздействия ВН, метод пробных волн, метод ракурсного.рассеяния радиоволн и метод стимулированного излучения.
В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и обсуждаются возможные направления дальнейших экспериментальных исследований.
ЧЧ-Настоящая работа выполнена в Горьковском научно-исследовательском радиофизическом институте в течение 1977-1984 гг. Большой объем подготовительных работ, а также работ по проведению экспериментов требовал иногда привлечения значительного коллектива сотрудников НИРШ.
Личный вклад автора в исследования, выполненные в соавторстве, выразился в следующем.
Автор принимал непосредственное участие в подготовке и проведении экспериментов по изучению стрикционного самовоздействия, эффекта„пичков" и аномального ослабления мощных радиоволн, а также в анализе полученных результатов /27,44-45/. Им была подготовлена специальная аппаратура и произведено исследование эффектов самовоздействия мощного радиоизлучения со случайной модуляцией несущей частоты и проанализированы полученные результаты /46/. Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов по исследованию возмущенной области методом ракурсного рассеяния радиоволн, результаты которых использованы в его диссертационной работе /47-49/. Из обзорных работ /50-51/ в диссертацию включены только те результаты, которые были получены при участии автора. Все результаты исследований стимулированного излучения, изложенные в третьем разделе диссертации, получены в экспериментах, подготовка и проведение которых проходили при личном участии автора /22,24/.
Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах /22,27,44-53/ и докладывались на ХЇЇ Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Томск, июнь, 1978 г.), на Всесоюзном совещании "Неоднородная структура ионосферы" (Ашхабад, октябрь, 1979 г.), на Всесоюзных семинарах по нелинейным эффектам в ионосфере (Мурманск, февраль, 1979 г., Апатиты, февраль, 1981 г.), на ЯП Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Горь- кий, июнь, 1981 г.), на Всесоюзном симпозиуме "Эффекты искусственного воздействия мощным радиоизлучением на ионосферу Земли" (Суздаль, сентябрь, 1983 г.), а также на научных семинарах ' НИРШ.
Автор выражает свою глубокую признательность Л.М.Ерухимо-ву и В.Л.Фролову за руководство работой на всех ее этапах, Н.А.Мвтякову за постоянный к ней интерес и плодотворные дискуссии, С.М.Грачу и А.Н.Караштину за обсуждения теоретических аспектов проблемы.
Автор благодарен В.В.Беликовичу, Н.П.Гончарову и С.А.Дмитриеву за возможность использования в проведенных исследованиях ионосферной станции "Вяз" для диагностики ионосферы методом пробных волн, а также Л.В.Гришкевичу за предоставление данных службы вертикального зондирования ионосферы.
Автор выражает свою искреннюю признательность всем соавторам и товарищам по работе за сотрудничество.
I. ЭКСШРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ САМОВОЗДЕЙСТВИЯ МОЩНОЙ РАДИОВОЛНЫ В F-СЛОЕ ИОНОСФЕРЫ
Эксперименты последних лет по исследованию взаимодействия интенсивного радиоизлучения с ионосферной плазмой F -слоя выявили ряд особенностей, возникающих на начальной стадии воздействия на ионосферу мощными радиоволнами /27,45,48,50,54/, Начальную стадию можно разбить на три характерных временных этапа, наиболее ярко проявляющихся на отраженном сигнале мощной радиоволны. Первый этап начинается через несколько миллисекунд после начала воздействия и обусловлен развитием стрикционной параметрической неустойчивости в области отражения волны накачки (ВН) от г-слоя. Развитие неустойчивости проявляется в быстром уменьшении интенсивности отраженного сигнала ВН, которое принято называть стрикционным самовоздействием /27,45/. Времена от десятков до сотен миллисекунд можно отнести ко второму этапу начальной стадии. На э.том этапе амплитуда отраженного сигнала ВН испытывает сильные, но быстрозатухающие квазипериодические осцилляции, названный . нами "пичками" /50,27/.
Третий этап связан с возбуждением вытянутых вдоль силовых линий геомагнитного поля неоднородноетей (под действием тепловой нелинейной силы) и характеризуется временами порядка I * 30 сек /44,55/.
Результаты экспериментальных исследований стрикционного самовоздействия мощной радиоволны и эффекта "пичков" на отраженном сигнале ВН составляют содержание данного раздела диссертации. Здесь получены основные характеристики этих эффектов, выявлены их зависимости от мощности ВН, геофизических условий, рассмотрен вопрос о влиянии на проявление эффектов полосы излучения немонохроматической ВН.
I.I. Результаты экспериментальных исследований стрикционных эффектов в верхней ионосфере
Как уже указывалось, самым быстрым процессом, с которого начинается взаимодействие мощных радиоволн с верхней ионосферой, является сгрикционная параметрическая неустойчивость (СПН)4*'. Ионосфера представляет из себя квазиравновесную плазму (температуры электронов Те и ионов Т^ близки друг к другу), поэтому СПН в ней развивается в результате индуцированного рассеяния волны накачки с обыкновенной поляризацией в плазменные волны на силь- нозатухающем ионном звуке ту.
На линейной стадии при не очень сильных полях волны накачки (так называемое кинетическое приближение) инкремент неустойчивости У\. пропорционален плотности энергии волны накачки /28-30,57/:
У** 17'^ (1Л) где Ґ= >№ + |f/s "* декремент затухания плазменной волны, vjt -частота соударений электронов с ионами, jA- декремент затухания волн за счет бесетолкновительного механизма затухания Ландау (в дальнейшем будем считать Г= чС )» а пороговое поле En оп- +'Теоретические исследования сгрикционной параметрической неустойчивости в плазме были начаты в работе Силина /56/, а в применении к ионосфере теория СШ рассматривалась в ряде работ Тем., . например, /28-30/). ++'Кроме индуцированного рассеяния на ионах, в ионосферной плазме возможно развитие гак называемой апериодической неустойчивости /58/, обладающей порогом, близким к порогу индуцированного рассеяния. Апериодическая мода наблюдается в спектре искусственных плазменных волн в эксперименте (см. п.4.3), однако е ее интенсивность намного ниже распаднои моды, поэтому апериодическую неустойчивость здесь рассматривать не будем. ределяется выражением: л Е" _, * Т- . (1.2)
Здесь Ле - концентрация электронов, 00 - частота волны накачки.
В неоднородной ионосферной плазме возбуждение параметрической неустойчивости возможно лишь в сравнительно тонком слое плазмы ниже точки отражения БН, где могут существовать слабозатухающие плазменные волны с частотой, близкой к частоте электромагнитной волны. Кроме того, вблизи этого уровня - уровня плазменного резонанса о0ре= 00 , где U)p& = —гп, ' плазменная частота электронов, благодаря эффекту "разбухания" поля БН /59/ имеет место максимальное превышение напряженности электромагнитного поля над пороговым значением En .
В процессе развития параметрической неустойчивости возбуждается плазменная турбулентность, спектр которой определяется преимущественно двумя факторами: затуханием плазменных волн и перекачкой их в область больших масштабов.
Как показывают расчеты /28/, спектр плазменных волн, который формируется вследствие нелинейного взаимодействия, имеет узкие, максимумы интенсивности (сателлиты), отстоящие друг от друга на частотный интервал ДОО^КУ^ ; ( к - волновой вектор плазменных волн, VTi - тепловая скорость ионов). Ширина спектра плазменных волн вблизи этих максимумов много меньше W V-^ , а интенсивность максимумов убывает с ростом номера сателлита. Отток энергии из волны накачки в плазменные волны может намного превышать линейное затухание, являясь причиной аномального поглощения исходного сигнала (стрикционного самовоздействия). Как показано в /57/, поведение БН во времени (в процессе стрикционного самовоздействия) на выходе слоя плазмы толщиной A fc , -19-определяется интенсивностью БН в. начале слоя t = t0 /[J f п « ^ толщиной слоя А? и начальным уровнем плазменных волн jEKolk . Резкое снижение интенсивности волны накачки характеризует начало нелинейной стадии неустойчивости и имеет? место через время ^10~ Гм ' ^ I о /|Е СІїГ] после включения волны накачки. В дальнейшем, в зависимости от величины линейного затухания волны \ = \ ~5~^— ( % - групповая скорость поперечной о Щ * волны) интенсивность волны накачки выходит на квазистационарное значение либо монотонно (при больших ^ ), либо испытывая затухающие осцилляции (при малых % ). Число осцилляции убывает с увеличением с, , а их период определяется периодом осцилляции амплитуды первого сателлита в начале слоя I = Т^ Ы ^/№$[ Затухание осцилляции волны накачки и выход на стационарное значение является следствием усреднения осцилляции сателлитов по пространству, периоды и фазы которых становятся различными на разных высотах вследствие различных значений % /57/.
Квазистационарное значение интенсивности отраженной от ионосферного слоя ВЇЇ определяется выражением /57/: г*_гг ъ\ L "to 1+^) Є* el*,' ' (1-3) где 1(^=-^ » ^to " ГРУ0183** скорость волны накачки в начале слоя, где возникает неустойчивость.
Интенсивность волны накачки на линейной стадии ( t<t10 ) г 2 _ г 2 -\ определяется линейным поглощением 'и равна fc.0 ~ L00 ' & , где L00 — поле волны на входе в слой,в котором развивается плазменная турбулентность. Тогда доля теряемой волной накачки энергии в стационарном режиме плазменной неустойчивости характеризуется выражением: ^І^Л'-ТГ^ .(^ (,4) где a=S|(oe"4t
Очевидно, что стрикционная параметрическая неустойчивость может наблюдаться только на начальной стадии взаимодействия радиоволн с плазмой, когда еще не успевают развиться на более низких высотах, в области верхнего гибридного резонанса, тепловые механизмы взаимодействия мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой /31-43/, вызывающие аномальный отток энергии радиоволн и экранирующие тем самым область, где возможно стрикционное само-воздействие радиоволн (см. п.2.3). Эффект стрикционного самовоздействия возможен и в случае импульсного облучения ионосферы с большой скважностью, когда средняя мощность излучения не превышает пороговую мощность тепловой параметрической или' резонансной неустойчивостей плазмы.
Исходя из этих представлений, с целью проверки предсказаний теории, были проведены экспериментальные исследования стрик-ционной параметрической неустойчивости, возникающей на начальном этапе взаимодействия вертикального' пучка радиоволн обыкновенной поляризации с ионосферной плазмой. Передатчик в Зименках излучал на частоте I = 5,75 МГц импульсы .длительностью Ти= = 8 мс с частотой повторения 5 Гц. Эксперименты проводились с 14 до 22 часов местного времени в январе-марте 1981 г. Эффективная мощность излучения изменялась в пределах до 50 МВт. На рас-' стоянии 20 км к западу от передатчика располагался приемный пункт, где регистрировалась осциллограмма отраженного от ионосферы радиоимпульса при различных уровнях мощности передатчика. Кроме того, на малых длительностях импульса ( Т^ = 2 мс) про- -Si- водились измерения линейного затухания волны накачки Г , используя методику регистрации амплитуд первого Ед- и второго
Е? отражений радиоволн от ионосферы
Характерная осциллограмма отраженного от ионосферы радиоимпульса обыкновенной поляризации длительностью 8 мс приведена на рис.1,1 а. Более сильные эффекты самовоздействия, подобные приведенным на рис.1,1 б, наблюдались довольно редко. В ряде случаев во время установления стационарного режима имели место затухающие осцилляции волны накачки (рис.1.1 а).
При излучении радиоволны с необыкновенной поляризацией эффект самовоздействия отсутствовал.
На рис.1.1 в,г приведены для сравнения заимствованные из работы /57/ результаты численного счета временного хода интен сивности волны накачки при значениях = 4, Е0 У Г С ^ cLTT" = ' = З ІСГ3, \ = 0,1 (рис.1.1 в) и X - 0,4 (рис.1.1 г). По оси Абсцисс отложено безразмерное время ^ = )Tv . Обращает на себя внимание вполне удовлетворительное соответствие теоретических и экспериментальных осциллограмм. Исходя из этого было принято, что величины X. и %ц (см.рис.1.1 а) характеризуют времена развития неустойчивости соответственно на линейной и нелинейной стадиях. Дальнейшая обработка экспериментальных осциллограмм заключалась в определении величины \(±-—8~уг^ » .Дли тельностей Т10 и t^ , для каждой реализации (измеряемые ве личины Е. , Е также обозначены на рис.1.1 а). Проводился также расчет величины начального поля IL0—г\ & ' п (мв/м) в первом максимуме функции Эйри вблизи уровня отражения волны накачки. (Здесь P0Q - эффективная мощность передатчика в кило ваттах, гс - групповой путь до точки отражения в километрах, А - коэффициент, характеризующий разбухание поля). Значения Kj, ^10 и ^41 усреднялись для определенных интервалов величины Е0. Е, "-'* і ^-^-- - тцшіщ^пвнщщттярп J.-; .fit ^ ^ р а) б)
о /о сГ= у)* 2) Рис. i.i
Оказалось, что пороговое поле Еп близко к значению 0,5в/м. При значениях Е0 < Еп эффект уменьшения амплитуды волны накачки отсутствовал. При превышении пороговых значений Еп относительная доля аномального поглощения волны накачки ^ возрастала, а значения Ti0 и Тц уменьшались. Экспериментальные значения Ki (крестики), Тю (кружки) и Тц (точки) в зависимос-ти от величины с~ тт приведены на рис.1.2. Можно видеть, что при S>4 * 5 величины ^ стремятся к квазистапионарному значению ^ * 0,8, а величины Т10 и Т^ уменьшаются в пределах от 4,5 до 1,2 мс ( ti0 ) и от 1,3 до 0,7 мс-( Т^ ). На рисунке приведены также, основанные на результатах работы ;/&7/ теоретические зависимости Т10 и k!A . Существенно, что в интервале 5=1*5 наблюдается хорошее совпадение теории с экспериментом, что может свидетельствовать о справедливости теоретической модели развития стрикционной неустойчивости, предложенной в /57/. Разброс экспериментальных значений может быть обусловлен влиянием естественных ионосферных неоднородностей, которые приводят к нерегулярным изменениям поля волны накачки вдоль ее фронта в области отражения. Параметрическая неустойчивость в этом случае развивается предпочтительнее в максимумах поля и картина плазменной турбулентности в плоскости фронта волны накачки носит "пятнистый" характер. Эти данные свидетельствуют о том, что для более подробного сопоставления результатов теории и эксперимента требуется статистический подход к вычислению поля отраженного от ионосферы сигнала. В частности, меньшие значения W^ по сравнению с теоретической кривой .для значений І > 6 может быть также связано с влиянием "пятнистого" характера плазменной турбулентности в области отражения волны накачки.
Как показали наши Измерения, стрикционная параметрическая - й- . <=> неустойчивость не вызывает видимых изменений амплитуды пробных волн близких частот (расстройка ^,10 кГц) и сигналов ракурсного рассеяния радиоволн KB и УКВ диапазонов. Прямые эксперименты по диагностике плазменной линии с использованием метода некогерентного рассеяния радиоволн /14-16/ установили, что время развития плазменных волн на близких частотах к частоте ВН (возбуждение которых связывается с развитием СШ) также составляет несколько миллисекунд.
Отметим, что экспериментальные исследования стрикционного самовоздействия ВН в ионосфере проводились в Москве /60-62/, где частота волны накачки была близка к гирочастоте электронов (это определяло специфику параметрической неустойчивости). Кроме того, параллельно с нашими экспериментами экспериментальные исследования стрикционного самовоздействия (в основном, на качественном уровне) проводились в Норвегии, на полярном стенде вблизи Тромсё /54/. Эффект самовоздействия ВН, наблюдаемый в /54/, оказался близок по своим качественным характеристикам (наличие времени задержки, в развитии самовоздействия с последующим уменьшением интенсивности отраженного сигнала, наличие затухающих осцилляции амплитуды сигнала при выходе на стационарный уровень) к характеристикам стрикционного самовоздействия, полученным в диссертации. Несколько меньшие времена развития эффекта и большая степень самовоздействия /54/, по-видимому, связаны с большей мощностью нагревного стенда "Тромсё" по сравнению с мощностью стенда "Зименки".
Таким образом, проведенные нами эксперименты, результаты которых изложены выше, показали, что электромагнитная волна обыкновенной поляризации с направлением волнового вектора близким к вертикали, способна испытывать быстрое самовоздействие за X, й I * 4 мс, если напряженность электрического поля волны пре- вышает пороговое значение Еп к 0,5 в/м, Сравнение результатов измерений с теоретическими расчетами стрикционной параметрической неустойчивости показало их хорошее согласие, что позволяет сделать вывод о том, что эффект быстрого самовоздействия радиоимпульса определяется развитием СШ вблизи уровня отражения мощной радиоволны, которое приводит к значительному ослаблению волны накачки за счет трансформации ее энергии в плазменные волны.
Этап стрикпионного самовоздействия - первый этап начальной стадии развития взаимодействия мощных радиоволн с плазмой \ -области ионосферы, следовательно, характеризуется быстрым развитием спектра плазменных волн, сдвинутых по частоте вниз по отношению к частоте Ш, и низкочастотной турбулентности плазмы. Повышенные уровни плазменных волн и флуктуации ионной концентрации плазмы, возникающие при воздействии на ионосферу KB радиоизлучением, уверенно регистрируется методом некогерентного рассеяния радиоволн /14г-1в/. Кроме того, существует возможность обратной трансформации этих плазменных волн в электромагнитное излучение, которое может достигать поверхности Земли, и такое излучение (стимулированное радиоизлучение) было зарегистрировано в эксперименте (см.третий раздел). Обсуждению результатов экспериментальных исследований искусственных плазменных волн, возбуждающихся, в частности, на стрикционном этапе воздействия электромагнитных волн на ионосферу посвящен четвертый раздел диссертации .
Экспериментальные исследования характеристик эффекта "пичков"
Как уже указывалось, самым быстрым процессом, с которого начинается взаимодействие мощных радиоволн с верхней ионосферой, является сгрикционная параметрическая неустойчивость (СПН)4 . Ионосфера представляет из себя квазиравновесную плазму (температуры электронов Те и ионов Т близки друг к другу), поэтому СПН в ней развивается в результате индуцированного рассеяния волны накачки с обыкновенной поляризацией в плазменные волны на силь ++) нозатухающем ионном звуке ту.
На линейной стадии при не очень сильных полях волны накачки (так называемое кинетическое приближение) инкремент неустойчивости У\. пропорционален плотности энергии волны накачки декремент затухания плазменной волны, vjt -частота соударений электронов с ионами, jA- декремент затухания волн за счет бесетолкновительного механизма затухания Ландау (в дальнейшем будем считать Г= чС )» а пороговое поле En оп + Теоретические исследования сгрикционной параметрической неустойчивости в плазме были начаты в работе Силина /56/, а в применении к ионосфере теория СШ рассматривалась в ряде работ Тем., . например, /28-30/).
Кроме индуцированного рассеяния на ионах, в ионосферной плазме возможно развитие гак называемой апериодической неустойчивости /58/, обладающей порогом, близким к порогу индуцированного рассеяния. Апериодическая мода наблюдается в спектре искусственных плазменных волн в эксперименте (см. п.4.3), однако ее интенсивность намного ниже распаднои моды, поэтому апериодическую неустойчивость здесь рассматривать не будем. ределяется выражением: Здесь Ле - концентрация электронов, 00 - частота волны накачки.
В неоднородной ионосферной плазме возбуждение параметрической неустойчивости возможно лишь в сравнительно тонком слое плазмы ниже точки отражения БН, где могут существовать слабозатухающие плазменные волны с частотой, близкой к частоте электромагнитной волны. Кроме того, вблизи этого уровня - уровня плазменного резонанса о0ре= 00 , где U)p& = —гп, плазменная частота электронов, благодаря эффекту "разбухания" поля БН /59/ имеет место максимальное превышение напряженности электромагнитного поля над пороговым значением En .
В процессе развития параметрической неустойчивости возбуждается плазменная турбулентность, спектр которой определяется преимущественно двумя факторами: затуханием плазменных волн и перекачкой их в область больших масштабов.
Как показывают расчеты /28/, спектр плазменных волн, который формируется вследствие нелинейного взаимодействия, имеет узкие, максимумы интенсивности (сателлиты), отстоящие друг от друга на частотный интервал ДОО КУ ; ( к - волновой вектор плазменных волн, VTi - тепловая скорость ионов). Ширина спектра плазменных волн вблизи этих максимумов много меньше W V- , а интенсивность максимумов убывает с ростом номера сателлита. Отток энергии из волны накачки в плазменные волны может намного превышать линейное затухание, являясь причиной аномального поглощения исходного сигнала (стрикционного самовоздействия). Как показано в /57/, поведение БН во времени (в процессе стрикционного самовоздействия) на выходе слоя плазмы толщиной определяется интенсивностью БН в. начале слоя толщиной слоя А? и начальным уровнем плазменных волн jEKolk . Резкое снижение интенсивности волны накачки характеризует начало нелинейной стадии неустойчивости и имеет? место через время Гм I о /Е СІїГ] после включения волны накачки. В дальнейшем, в зависимости от величины линейного затухания волны \ = \ 5 — ( % - групповая скорость поперечной о Щ волны) интенсивность волны накачки выходит на квазистационарное значение либо монотонно (при больших ), либо испытывая затухающие осцилляции (при малых % ). Число осцилляции убывает с увеличением с, , а их период определяется периодом осцилляции амплитуды первого сателлита в начале слоя I = Т Ы /№$[ Затухание осцилляции волны накачки и выход на стационарное значение является следствием усреднения осцилляции сателлитов по пространству, периоды и фазы которых становятся различными на разных высотах вследствие различных значений % /57/.
Квазистационарное значение интенсивности отраженной от ионосферного слоя ВЇЇ определяется выражением поле волны на входе в слой,в котором развивается плазменная турбулентность. Тогда доля теряемой волной накачки энергии в стационарном режиме плазменной неустойчивости характеризуется выражением:
Очевидно, что стрикционная параметрическая неустойчивость может наблюдаться только на начальной стадии взаимодействия радиоволн с плазмой, когда еще не успевают развиться на более низких высотах, в области верхнего гибридного резонанса, тепловые механизмы взаимодействия мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой /31-43/, вызывающие аномальный отток энергии радиоволн и экранирующие тем самым область, где возможно стрикционное само-воздействие радиоволн (см. п.2.3). Эффект стрикционного самовоздействия возможен и в случае импульсного облучения ионосферы с большой скважностью, когда средняя мощность излучения не превышает пороговую мощность тепловой параметрической или резонансной неустойчивостей плазмы.
О возможности определения спектра мелкомасштабных неоднородностей с помощью метода пробных волн
Исследовалось влияние полосы ВН Д -I + на характеристики отрикционного самовоздействия и эффекта "пичков". С этой целью возмущение ионосферы осуществлялось секундными импульсами с периодом повторения 5 с в течение I мин, при этом ВН имела постоянную полосу излучения. После двух-трехминутной паузы полоса излучения изменялась,и проводился следующий цикл возмущения ионосферы. Исследуемыми характеристиками самовоздействия являлись коэффициенты потерь энергии \l , характерные времена эффектов t и вероятности их появления р .
По результатам измерений, выполненным 3 февраля 1983 г. на рис.1.10 а,б приведены экспериментальные зависимости характеристик отрикционного самовоздействия (а) и эффекта пичков (б) от полосы излучения ВН ДІ (Кривыми 1,2,3 изображены зависимости №(д{) , P( j) и (д{) соответственно). Видно, что наименьшей полосой по спектру ( Д J - 5 кГц), при которой еще не наблюдалось существенных отличий характеристик эффектов по сравнению со случаем монохроматического излучения, обладал эффект отрикционного самовоздействия ВН. При Д t 5 кГц вероятность его появления и коэффициент потерь энергии резко падали (кривые 1,2 на рис.1.10 а), а характерное время развития сильно возрастало (кривая 3). Такое значение полосы излучения ВН A Ji » при превышении которого эффективность самовоздействия резко уменьшается (вероятность появления эффекта становится меньше 0,5), назовем полосой отсечки (в данном случае Дj - 5 кГц).
Заметно более широкой полосой отсечки по спектру излучения ВН A j2 = 30 + 40 КГц обладал эффект "пичков" (рис.1.10 б). Характерные времена "пичка" плавно возрастали с увеличением поло + Полоса излучения Д { определялась по уровню ВН (кривая 3 на рис.1.10 б). Подавление стрикционного самовоздействия при увеличении полосы ВН A -f А і. можно объяснить в рамках существующих теоретических представлений о стрикционной параметрической неустойчивости в ионосфере /28-30,57/. Расширение полосы БН при сохранении интегральной (по спектру частот) мощности приводит к снижению спектральной плотности мощности ВН в резонансной полосе частот. Резонансность эффекта связана с тем, что инкременты и пороги неустойчивости, приводящей к возбуждению плазменной волны с частотой (0 и волновым вектором пропорциональны функции В ГТТГ" Ф—1 і имеющей максимум при ДС0М Ц VT и ширину д 60П к VTi, (. Д ) - расстройка частот между частотой плазменной волны и частотой БД, lg lj -температуры электронов и ионов, V. - тепловая скорость"ионов) Поэтому эффективность взаимодействия будет падать с увеличением отношения Д J при A J —jr-
Если предположить, что СПН развивается в первом максимуме функции Эйри ( %м ), возникающей при отражении БН от линей-ного слоя ионосферы с характерным масштабом Ь ( = у , где с - диэлектрическая проницаемость ионосферной плазмы, координата, отсчитываемая по вертикали вниз от точки отражения), то, принимая 1$ - \[ , можно показать, что
При сильной надпороговости полоса ВН A J4 , при которой наступает подавление неустойчивости возрастает в з/Р t аз» где Э/D "" отношение мощности ВН к пороговой мощности стрикционного самовоздействия. Учитывая, то; что в условиях нашего эксперимента это отношение было si 4 5, получаем:
Аналогичные эффекты подавления интенсивности плазменной линии при увеличении индекса частотной модуляции ВН независимо наблюдались в Аресибо при исследовании спектра плазменных волн, возбуждаемых мощной радиоволной, методом некогерентного рассеяния /15/.
Итак, подавление стрикционного самовоздействия ВН (и интенсивности искусственных плазменных волн /15/) в ионосфере, наступающее пря увеличении полосы ВН больше некоторого значения A i,, связано с уменьшением спектральной плотности мощности ВН ниже пороговой мощности стрикционной параметрической неустойчивости.
Качественный вид зависимостей Wg (д) и р (Д ) для эффекта "пичков" подобен соответствующим характеристикам стрикционного самовоздействия (с большим значением полосы отсечки),что указывает, по-видимому, на наличие "резонансных" свойств и у эффекта "пичков".
Мы исследовали "резонансность" эффекта„пичков"от мощности ВН. Был поставлен эксперимент по воздействию на г -слой радиоизлучением с фиксированной мощностью Р = —полоса излучения A j которого дискретно изменялась в пределах от О до 200 кГц. Затем мощность изменялась,и при следующем значении ГГЬ = 1,2,4,8 ... осуществлялся пробег по полосе излучения ВН Aj. На рис.1.II приводится зависимость полосы отсечки Дj2 эффекта „пичков"в зависимости от мощности ВН Рэ ( д }г и Рэ нормированы на максимальные значения). Видно,что дХ падает с уменьшением Р , причем закон уменьшения близок к линейному, так что Рз/ДІ2 - COIlSt.
Спектральные и энергетические характеристики СР
При мощности ВН Рэ = 160 МВт стимулированное излучение появляется уже через время 4 мс после включения БН, затем уровень излучения уменьшается и после этого вновь начинает расти /24/ . В экспериментах по воздействию на ионосферу стендом "Зйменки" с эффективной мощностью до 50 МВт стимулированного излучения на таких малых временах ( "Ь 4 мс) обнаружено не было. Необходимо отметить, что ВН при такой мощности (Рэ = 50 МВт) испытывала сильное стрикционное самовоздействие (п.1.1).
В ходе экспериментов с изменением мощности ВН Рэ 25МВт было установлено, что характерное время развития стимулирован-/ ного излучения уменьшается с ростом мощности ВН: Тр ы гэ Показатель степени ft имел некоторые вариации ото дня ко дню, по-видимому, связанные с неотождествленными изменениями ионосферных условий. Измеренные в разные дни значения Й лежат в пределах В = 0,5 2.
Такая зависимость времени развития СР от Р_ в целом со-ответствует результатам наших исследований динамики развития аномального ослабления и сигналов ракурсного рассеяния (время развития низкочастотной ИЙТ, как было показано в п.2.1, уменьшается с увеличением мощности ВН примерно с таким же темпом).
Характерное время релаксации стимулированного излучения, согласно проведенным измерениям /22/, в среднем составляет .5 6 мс и близко к характерному времени столкновительного затухания плазменных волн частота соударений электронов; для г -слоя vg чі, = : = 300 500 Гц).
Результаты, изложенные выше,были получены в сеансах возмущения ионосферы, разделенных длинными паузами ( мин). Ситуация заметным образом менялась, когда паузы между циклами нагрева укорачивались. Была проведена серия специальных экспериментов по периодическому воздействию на ионосферу, в которых исследовалась динамика развития СР в зависимости от времени паузы между импульсами ВН. На рис.3.3 а приведена экспериментальная зависимость времени развития СР на разных отстройках Aj от частоты ВН ( Д j = -14; -32; -42 кГц) от номера импульса ВН Д в случае, когда двадцатисекундные импульсы ВН разделялись паузами длительностью Т = 10 с. Видно, что время развития % быстро уменьшается от цикла к циклу нагрева (первый импульс ВН излучался после паузы, длительностью Т 2 мин) и выходит на некоторое стационарное значение Т« . Из рис.3.3 б видно, что это время развития эффекта Тр уменьшается с уменьшением длительности паузы Т, причем особенно резко при Т 20 с. Поскольку за время паузы плазменные волны полностью релаксируют, то такой характер поведения Тр , очевидно, связан с остаточным уровнем низкочастотной турбулентности. Оценивая из рис.3.3 б характерное время релаксации низкочастотной ИИТ и используя сведения о времени релаксации неод-нородностей различных масштабов /50,72/, можно определить характерный масштаб неоднородностей Ь± , принимающих участие в конверсии электромагнитных и плазменных волн. Для Т 10 с получаем, что за эту конверсию ответственны неоднородности с Таким образом, результаты проведенных нами исследований динамики развития стимулированного излучения свидетельствуют о важной роли искусственных неоднородностей 10 м в происхождении этого излучения.
Другой существенной особенностью СР, на которую указывают данные, приведенные на том же рис.3.3, является то, что минутной паузы недостаточно для возвращения ионосферы в невозмущенное состояние с точки зрения генерации СР (время развития излучения продолжает зависеть от длительности паузы вплоть до Т = 120 с). По-видимому, возбуждение крупномасштабной турбулентности и разогрев плазмы вблизи уровня отражения БН (эти процессы характеризуются временами развития в несколько десятков секунд), также оказывают определенное влияние на генерацию стимулированного излучения.
Важной характеристикой исследуемого излучения является частотный спектр его мощности. Его характеристики содержат информацию о механизме (или механизмах) генерации излучения, поэтому экспериментальное исследование динамики спектра СР, характерных его особенностей являлось одной из задач, стоящих перед автором.
Спектральные измерения, в основном, мы осуществляли путем последовательно-параллельного узкополосного анализа, для чего использовалось радиоприемное устройство "Катран", обладающее "прямоугольной" полосой I кГц в канале промежуточной полосы. (Термин "последовательно-параллельный анализ" говорит о применении одновременного приема сигнала на 3 -4 приемника с последовательной перестройкой по частоте лишь одного из них. Остальные приемники использовались для получения реперних точек и обеспечивали уверенность в стационарности естественных ионосферных условий).
О соответствии результатов экспериментального исследования мелкомасштабных искусственных не-однородностей теоретическим представлениям о механизмах теплового расслоения плазмы
Проведенный анализ показывает, что на начальной (линейной) стадии тепловой параметрической неустойчивости возможно появление осциллирующего режима генерации неоднородностей характерным периодом Т , примерно равным обратному инкременту неустойчивости; Величина этого периода по оценкам равна нескольким десяткам секунд для lL = 10 50 м. Естественно предположить, что радиоволна, проходящая через слой с осциллирующими неодно-родностями, должна испытывать аномальное ослабление, периодически меняющееся во времени, т.е. характер отраженного сигнала будет качественно совпадать с эффектом "пичкав". Однако, период осцилляции Т в 30 - 100 раз больше величины периода осцилляции, наблюдавшихся на эксперименте (п.1.2). Учитывая тот
факт, что 1 ( t0) , можно, в принципе, ожидать, что быстрые осцилляции на начальной стадии ТПН возникают в локальных областях ионосферы, где мощность Ш вследствие фокусировки иа естественных ионосферных неоднородностях с размером I« 5fI0 км возрастает на один-два порядка. Этим может объясняться выраженная локальность по возмущенной области эффекта "пичков", обнаруженная на эксперименте (п.Т.2), согласно которому можно утверждать, что "пички" возникают в "ядрах" с размерами 1 2 км.
Следует заметить, что задача, изложенная выше, решалась в линейном приближении, в котором амплитуда поля ВН считалась постоянной.
Эффект "пичков" является существенно нелинейным процессом в том СМЫСЛЕ. , что он характеризуется глубокими замираниями интенсивности отраженной ВН. Поэтому результаты сделанных расчетов могут привлекаться лишь для качественного объяснения "пичков". Более строгое рассмотрение задачи требует учитывать динамическое поведение поглощения Ш на неоднородностях концентрации, создаваемых ею. Учет нелинейной зависимости t0 (jNgJwSj резко усложняет задачу и ее аналитическое решение представляется невозможным.
Таким образом, если интерпретация первого и третьего этапов начальной стадии в рамках стрикционной и тепловой (резонансной) неустойчивостей ионосферной плазмы находится в хорошем согласии с экспериментальными данными, то создание адекватной модели второго этапа взаимодействия мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой сталкивается с рядом сложностей. Здесь, с одной стороны, эффекты наблюдаются только при обыкновенной поляризации Ш, т?е. существенную роль должно играть взаимодействие Ш с плазменными волнами, с другой стороны, эффект "тачка" и переноса модуляции наблюдается и при необыкновенной поляризации пробных волн, исключая таким образом прямое взаимодействие высокочастотной плазменной турбулентности с пробными волнами. Существующие модели не свободны от недостатков и нуждаются в дополнительном теоретическом анализе.
Механизм возбуждения мелкомасштабных неоднородностей в ионосферной плазме, как уже указывалось выше, связывается в настоящее время с развитием тепловых неустойчивостей плазмы вблизи резонансного уровня Т/1= і\ д, . Расолоение плазмы возникает в результате нагрева электронов в суммарном поле электромагнитной волны накачки и плазменных волн,. Последние возбуждаются вследствие рассеяния Ей на флуктуациях электронной концентрации плазмы. При превышении пороговой мощности БН Рд неоднородности плотности и плазменные волны начинает нарастать во времени. Такой процесс получил название тепловой параметрической неустойчивости (ТПН) /36-43/«
Для достаточно больших отрицательных возмущений плотности плазмы и rv 0 (гДс0) 0 оказывается более эффективным нагрев электронов плазменными волнами, которнй приводит к взрывному характеру образования неоднородностей. Этот процесс авторы /31-35/ назвали резонансной неустойчивостью.
Учет нагрева плазменными волнами на нелинейной стадии ТПН показал, что при больших О rv порог ТПН, как и порог Ш, начинает зависеть от Oft , а при 0 П/0\ " То ( в - частота столкновений электронов, 00 - частота Ш) они практически совпадают \к1-НЦ.
