Введение к работе
Актуальность проблемы. Интерес к проблеме нелинейного взаимодействия электромагнитных полей с плазмой возник достаточно давно в связи с термоядерными исследоваїгиями и разнообразными геофизическими и астрофизическими приложениями. С начала 70-х гг. в США, СССР (затем в России и на Украине) и Западной Европе проводятся интенсивные исследования нелинейных эффектов в ионосфере и магнитосфере Земли, возникающих под действием излучения мощных наземных радиопередатчиков. При этом обнаружен целый ряд новых явлений, важных как для дальнейшего понимания физики нелинейных процессов в плазме, так и для различных практических приложений. Проблема построения физических моделей процессов, происходящих в возмущенной мощным радиоизлучением ионосферной плазме, их теоретическое и экспериментальные исследования представляются поэтому весьма актуальными.
Характер нелинейных явлений в ионосферной плазме чрезвычайно разнообразен. Изучаются, в частности, самовоздействие и самофокусировка электромагнитных волн, модуляция ионосферных токов и генерация сигналов комбинационных частот, дополнительная ионизация и нарушение ионизационно-рекомбинационного баланса и т. п.
Целый класс нелинейных явлений возникает при приближении частоты воздействующей волны к одной из собственных частот ионосферной плазмы, например к ленгмюровской, когда осцилляции частиц в поле волны попадают в резонанс с собственными колебаниями. Такие явления получили названия параметрических неустойчивостей. Традиционно (в том числе в приложении к ионосферной плазме) изучались параметрические неустойчивости, обусловленные стрикционной нелинейностью. Диссертантом совместно с В. Ю. Трахтенгерцем было показано, что в ионосферной плазме наряду со стрикционными параметрическими неустойчи-востями действует другой, более эффективный механизм возбуждения турбулентности — параметрическая неустойчивость, обусловленная тепловой нелинейностью (тепловая параметрическая неустойчивость, ТПН) ( Изв. вузов. Радиофизика. 1975. Т. 18. С. 1288-1296, [1]). Отметим, что близкий по природе механизм расслоения магнитоактивной столкновительной плазмы, который авторы назвали резонансной неустойчивостью, был независимо предложен В. В. Васьковым и А. В. Гуревичем (ЖЭТФ, 1975. Т. 69. С. 176-178), а впервые на возможность теплового расслоения изотропной плазмы во внешнем электромагнитном поле в области плазменного резонанса указал В. А. Миронов (Изв. вузов. Радиофизика. 1969. Т. 12. С. 1765). Эти работы положили начало новому научному направлению — исследованиям тепловой параметрической турбулентности, — в рамках
которого удается построить непротиворечивую картину явлении, происходящих в ионосферной плазме под воздействием мощного коротковолнового радиоизлучения. Отметим, что в настоящее время число публикаций, посвященных различным экспериментальным проявлениям возбуждения параметрических неустойчивостей в ионосфере и их теоретической интерпретации далеко превышает тысячу. Краткий обзор состояния проблемы дан в первой главе диссертации.
Целью диссертационной работы является исследование физических свойств тепловой параметрической турбулентности (высокочастотных плазменных волн и низкочастотных возмущений плотности), а также таких следствий ее возбуждения, как ускорение электронов и дополнительная ионизация нейтральной компоненты, генерация искусственного радиоизлучения ионосферы, модификация профиля электронной концентрации.
Научную новизну работы характеризуют следующие основные моменты:
Предложен новый механизм возбуждения турбулентности в столк-новительной магнитоактивной плазме — тепловая параметрическая неустойчивость (ТПН), приводящая к возбуждению плазменных волн и сильно вытянутых вдоль магнитного поля мелкомасштабных неод-нородностей плотности плазмы. Построена линейная и нелинейная (в приближении слабой турбулентности) теория ТПН. Изучены условия возбуждения ТПН в случае частот воздействующей волны (волны накачки, ВН), близких к кратной электронной циклотронной частоте.
Исследовано ускорение электронов при параметрическом нагреве ограниченного; слоя плазмы. Проанализированы условия, при которых такое ускорение приводит к заметной дополнительной ионизации нейтральной компоненты ионосферы, а также к формированию неравновесной функции распределения ускоренных электронов.
Предложен и разработан механизм генерации искусственного радиоизлучения ионосферы (ИРИ) — двойная трансформация электромагнитных волн, в рамках которого удалось объяснить основные свойства некоторых спектральных компонент ИРИ.
Экспериментально исследована зависимость структуры стационарных спектров ИРИ от соотношения частоты ВН и гармоник электронной циклотронной частоты, предложено объяснение зависимости интенсивности ИРИ от такого соотношения.
Теоретически исследована модификация профиля электронной концентрации в ионосфере за счет стрикционного давления плазменных волн, возбужденных в процессе ТПН, и влияние такой модификации
на аномальное ослабление пробных радиоволн. Получено экспериментальное подтверждение теоретически предсказанной зависимости аномального ослабления от частоты пробной волны. Обнаружен эффект смены знака индуцированных волной накачки изменений плотности ионосферной плазмы в области возбуждения ТПН при переходе частоты ВН через электронную гирогармониху.
Научная и практическая ценность. Проведенные исследования расширяют представления о физике нелинейного взаимодействия высокочастотного радиоизлучения с плазмой, о генерации электромагнитного излучения в плазме. Результаты, полученные в диссертации, используются в работах по изучению искусственных ионосферных возмущений, ведущихся в Россия и за рубежом. Они позволили построить физическую картину целого комплекса явлений, возникающих при взаимодействии мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой и связанных с возбуждением тепловой параметрической турбулентности (высокочастотных плазменных волн и вытянутых вдоль магнитного поля неоднороцностей плотности) и различными ее проявлениями, такими как вытеснение плазмы из области локализации плазменных волн, ускорение электронов и дополнительная ионизация нейтральной компоненты, генерация искусственного радиоизлучения ионосферы.
Проведенные исследования открывают новые возможности дистанционной диагностики плазмы по ее излучению. В частности использование численного моделирования п комбинации с измерениями широкополосной компоненты ПРИ создают возможность изучения параметров турбулентности ионосферной плазмы искусственного и естественного происхождения, а измерения ИРИ вблизи электронных циклотронных гармоник позволяет с высокой точностью измерять концентрацию плазмы и величину магнитного поля.
Личный вклад. Экспериментальные работы, включенные в диссертацию, выполнены в больших авторских коллективах. В диссертации подробно излагаются только те результаты, вклад автора в которые был существенным на всех этапах включая постановку задачи, непосредственно проведение эксперимента, анализ и обсуждение полученных данных, подготовку публикаций. Исключение составляет работа [28], где по инициативе диссертанта был проведен анализ ранее полученных экспериментальных данных. В работе [30] автору принадлежит теоретическая интерпретация результатов, в [23, 24, 29] для сопоставления с результатами численного моделирования использовались экспериментальные данные, полученные Е. Н. Сергеевым и В. Л. Фроловым. Во всех других случаях используемые в диссертации экспериментальные результаты приводятся с соответствую-, щими ссылками на их авторство и приоритетные публикации. Программ-
ное обеспечение для численного моделирования, результаты которого излагаются в диссертации, было разработано М. М. Шварцем.
Апробация результатов. Данная диссертация выполнена в Научно-исследовательском радиофизическом институте. Основное ее содержание опубликовано в работах [1-40] и докладывалось на Генеральных ассамблеях URSI (XXIII, Прага, 1990; XXIV, Киото, 1993; XXV, Лилль, 1996), на Международных Суздальских симпозиумах URSI по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (Суздаль, 1983, 1986, 1991; Уппсала, 1994; Москва, 1998), на Международной школе по физике ионосферы (Сочи, 1987), на Международных летних школах по физике космической плазмы (Нижний Новгород, 1993, 1995, 1997), на XXX и XXXII Научных ассамблеях COSPAR (Гамбург, 1994; Бирменгем, 1996), на на VII Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (Ростов, 1977), на Всесоюзной конференции "Волны в плазме" (Ленинград, 1978), на Всесоюзных и Всероссийских конференциях по-распространению радиоволн (XII, Томск, 1978; XIII, Горький, 1981; XIV, Ленинград, 1984; XV, Алма-Ата, 1987; XVI, Харьков, 1990; XVII, Ульяновск, 1993; XVIII, Санкт-Петербург, 1996), на Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитного излучения с плазмой (Ташкент, 1985), на Всесоюзном симпозиуме "Ионосфера и взаимодействие декаметровых волн с ионосферной плазмой" (Звенигород, 1989), на научных семинарах НИРФИ, ФИ РАН, ИКИ РАН, Института космической физики (Швеция).
Всего по теме диссертации опубликовано 72 работы, в том числе 1 книга, 28 статей в отечественных и зарубежных научных журналах и тематических сборниках, 35 тезисов докладов в трудах международных и отечественных конференций, симпозиумов и школ, 9 препринтов НИРФИ и Института космической физики (Швеция).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения. Работа, содержит 290 страниц основного текста, 81 рисунок на 57 страницах и 26 страниц списка цитируемой литературы (252 названия).
Завершающая часть работы выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 94-02-03253, 96-02-18499, 97-02-16397, INTAS-RFBR 95-0434).