Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
I. ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ И ИХ ПРОЯВЛЕНИЯ В Р ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ 18
1. ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ И ИХ ПРОЯВЛЕНИЯ В ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ 19
1.1. Термомагнитные эффекты 20
1.1.1. Диффузия слабых возмущений 20
1.1.2. Термомагнитная неустойчивость 23
1.1.3. Нагрев электронной компоненты плазмы 24
1.2. Нагрев электронов Ж-области структурированными электрическими полями 26
1.2.1. Свидетельства нагрева электронов вне области потоков энергичных электронов 28
1.2.2. Постановка эксперимента и оборудование 30
1.2.3. Данные наблюдений, Сондрестромфьорд, 11 января 1994 г 32
1.2.4. Интерпретация наблюдений 39
1.3. Механизм выноса ионов 2-го типа из авроральной Г-области ионосферы 48
1.3.1. Явления выноса ионов 2-го типа 50
1.3.2. Механизм выноса ионов 2-го типа, обусловленный действием сил Лоренца 54
1.3.3. Обсуждение результатов 59
2. ОБРАЗОВАНИЕ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ИОНОСФЕРНОЙ Г-ОБЛАСТИ 60
2.1. Неустойчивости -области ионосферы 62
2.1.1. Двухпотоковая неустойчивость Фарли-Бунемана 62
2.1.2. Градиентно-дрейфовая неустойчивость 64
2.1.3. Неустойчивость Рэлея-Тэйлора 65
2.1.4. Токово-конвективная неустойчивость 66
2.2. Исследование процессов образования неоднородностей аврорального Р-слоя методами радио просвечивания сигналами ИСЗ и некогерентного рассеяния 67
2.2.1. Постановка эксперимента 69
2.2.2. Экспериментальные результаты 70
2.2.3. Интерпретация полученных данных 76
2.2.4. Обсуждение результатов. Выводы 82
2.3. Механизм генерации мелкомасштабных неоднородностей, обусловленный действием сил Лоренца 84
2.3.1. Механизм Лоренцовского типа 85
2.3.2. Обсуждение результатов. Выводы 95
3. ВОЗМОЖНОСТЬ МОДЕЛИРОВАНИЯ АВРОРАЛЬНЫХ ЯВЛЕНИЙ В СРЕДНЕШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЕ, МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПУЧКОМ МОЩНЫХ РАДИОВОЛН 97
3.1. Характеристики искусственного радиоизлучения ионосферы 99
3.2. Роль продольных токов в образовании возмущенности Р- области ионосферы 101
3.2.1. Методика и схема нагревного эксперимента на стенде «Сура» 101
3.2.2. Зависимость характерных особенностей искусственных ионосферных неоднородностей от времени суток 104
3.2.3. Зависимость от времени суток характерных особенностей естественных ионосферных неоднородностей среднеширотной Р-области
3.2.4. Анализ естественных ионосферных факторов, определяющих рост неоднородностей и возможные механизмы неустойчивости НО
3.2.5. Обсуждение основных результатов. Выводы 117
3.3. Подобие явлений в авроральной ионосфере и ионосфере, модифицированной пучком мощных радиоволн 119
3.3.1. Мелкомасштабные неоднородности 120
3.3.2. Вынос ионов из ионосферной F-области 122
3.3.3. Явление авроры 123
3.3.4. Обсуждение и выводы 124
II. ПЛАЗМЕННЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ В Е-ОБЛАСТИ СРЕДНЕШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЫ 125
4. РОЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ НЕЙТРАЛЬНОГО ГАЗА В ОБРАЗОВАНИИ МЕЛКОМАСШТАБНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ИОНОСФЕРНОЙ
4.1. Неустойчивости Е-области ионосферы 128
4.2. Градиентно-дрейфовая неустойчивость (ГДН) 130
4.2.1. ГДН, обусловленная нейтральным ветром 130
4.2.2. ГДН, возбуждаемая при прохождении гравитационной волны 135
4.2.3. Обсуждение результатов. Выводы 138
4.3. Тепловая неустойчивость 139
4.3.1. Физическая модель 139
4.3.2. Математическое описание 148
4.3.3. Учет зависимости vin от температуры ионов 159
4.3.4. Обсуждение результатов. Выводы 164
4.4. Интерпретация наблюдений эхо обратного рассеяния от 3- и 6-метровых неоднородностей над Японией 166
4.4.1. Эксперимент SEEK 168
4.4.2. MU-радарные многолучевые наблюдения 14 и 15 июня 1995 г 170
4.4.3. Обсуждения результатов. Выводы 176
5. ИНДУЦИРОВАННОЕ ЗЕЛЕНОЕ СВЕЧЕНИЕ В Е-ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ и ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ СПОРАДИЧЕСКИХ СЛОЕВ 177
5.1. Явления спорадического слоя Е на средних широтах 178
5.1.1. Типы спорадических слоев Е 178
5.1.2. Основные характеристики Es 179
5.1.3. Сводка основных характеристик 181
5.1.4. Металлические ионы 181
5.2. Обнаружение искусственного зеленого свечения в Е-области ионосферы 182
5.2.1. Постановка эксперимента. Оборудование 182
5.2.2. Первые наблюдения индуцированного зеленого свечения в Е-области 184
5.2.3. Рассмотрение Ньюманом возможности генерации сверхтепловых электронов в Е-области для условий эксперимента 19-29 января 1998 г 184
5.3. Структура индуцированного зеленого свечения. Метод визуализации горизонтальной структуры Es 186
5.3.1. Данные наблюдений 26 января 1998 г 186
5.3.2. Физическая модель 190
5.3.3. Возможность визуализации горизонтальной структуры спорадического слоя Е пэтчевого типа. Выводы 192
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 194
ПРИЛОЖЕНИЕ 198
ЛИТЕРАТУРА 199
Список ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 2
Введение к работе
Открытие ионосферы произошло в результате опытов по распространению радиоволн, когда единственным разумным объяснением полученных данных оказалось предположение о наличии отражающего слоя, состоящего из электронов и положительно заряженных ионов. Желание понять, как образовалась область, содержащая частично ионизованный газ и окутывающая Землю между нейтральной атмосферой и магнитосферой, и каким образом эта область влияет на распространение радиоволн и надежность радиосвязи, предопределило появление физики ионосферы как предмета исследования. Первоначальные исследования ионосферы ставили целью изучить и объяснить химический состав и строение ионосферы, а также выявить основные характеристики ионосферы и их зависимость от времени дня, сезона, широты, высоты над уровнем моря и степени магнитной активности. Затем, с развитием прямых и дистанционных методов экспериментального исследования интерес к формированию слоев ионизации сменился изучением динамики и физики плазмы ионосферных явлений.
За последнее десятилетие исследования структуры ионосферы радиофизическими методами значительно продвинулись благодаря использованию таких уникальных установок как Ми-радар (радар по исследованию средней и верхней атмосферы) в Японии [231,232], радары некогерентного рассеяния (Е18САТ и в Сондрестромфьорд, Гренландия) и переносные ВЧ радары (устанавливаемые около ракетных полигонов [1,2] и радаров некогерентного рассеяния [3]), а также благодаря значительному усовершенствованию наземных оптических инструментов [299] и оборудования, оснащающего ионосферные ракеты и зонды. Уже первые такие эксперименты дали новый и более полный экспериментальный материал, требующий адекватной физической интерпретации. При этом возникла необходимость в разработке новых методик проведения эксперимента с учетом открывшихся возможностей. Одним из основных объектов исследования стали неоднородная структура среднеширотной ионосферной плазмы и явления, связанные со значительным (до 4000-6000° К) нагревом электронов в естественной авроральной ионосфере. Это и определило круг задач настоящей диссертации.
Основной задачей при объяснении полученных экспериментальных данных являлось построение физической модели, адекватно объясняющей качественную картину наблюдаемых явлений. При этом оказался востребованным накопленный диссертантом опыт теоретических разработок, развитие и применение которых помогло как при планировании, так и в координации проводимых экспериментов, в том числе во внесении корректив при обнаружении «незапланированных» эффектов, а также позволило выработать рекомендации для дальнейших экспериментальных исследований.
Актуальность проблемы. Изучение неоднородных образований в околоземном пространстве является ключевой проблемой физики ионосферы и в настоящее время признано важнейшей составляющей многих национальных программ «Космическая погода» (в том числе в России и США), определяющей условия распространения радиоволн при связи и навигации с помощью наземных радиопередатчиков.
Поскольку ионосфера расположена между нейтральной атмосферой и магнитосферой Земли, значительные потоки энергии и импульса переносятся из этих областей в ионосферу частицами, электромагнитными полями и атмосферными волнами и оказывают существенное влияние на динамику и структуру ионосферы.
Следует отметить, что основным источником возбуждения мелкомасштабной структуры ионосферы полагали внешние электрические поля/токи и регулярные градиенты концентрации плазмы. При таком рассмотрении возникала проблема закорачивания внешних электрических полей и невозможности объяснения конечной вытянутости неоднородности [4-6] с помощью общепринятых теорий - градиентно- дрейфовой [7,8] и двухпотоковой неустойчивости Фарли-Бунемана [9-11].
Обнаружение в 1933 г. изменения свойств ионосферы в поле мощных радиоволн [12] (Люксембург-Горьковский эффект) указало путь возможного воздействия на естественные ионосферные процессы, а стремление к управлению этими процессами и обеспечению надежной радиосвязи привело в конце 70-х годов к развитию интенсивных экспериментальных исследований по модификации ионосферы мощными ВЧ электромагнитными волнами от наземных радиопередатчиков. Это повлекло за собой строительство специальных нагревных стендов, сначала, в России
[13] и США [14,15], а затем в Пуэрто Рико [16], Европе [17] и др. Уже первые эксперименты по модификации ионосферы показали, что эффекты воздействия мощных радиоволн на ионосферу не ограничиваются изменением температуры, а приводят к генерации плазменных волн и искусственных ионосферных неоднородностей [18-20]. Понимание важной роли тепловых флуктуаций не только при модификации ионосферы мощным радиоизлучением, но и в естественных процессах, протекающих в ионосферной плазме, стимулировало ученых рассмотреть тепловые механизмы образования естественных мелкомасштабных неоднородностей [21-26]. Однако перечисленные механизмы не имели достаточно веских экспериментальных подтверждений из-за ограниченных возможностей их реализации. Поиски адекватных механизмов генерации неоднородностей привели диссертанта к рассмотрению возможности замедления диффузионного расплывания неоднородностей (являющегося основным препятствием развития неоднородной структуры) за счет вихревых токов, обтекающих неоднородность и возникающих из- за действия силы Лоренца в замагниченной ионосферной плазме при наличии слабых магнитных возмущений и флуктуаций температуры заряженных частиц [27— 31]. Было показано, что эффект проявляется в Б-области ионосферы. Следующий шаг в этом направлении - тепловой механизм стратификации замагниченной плазмы Б-области при наличии слабой магнитной возмущенности [32-37] - положил начало новому направлению исследований: изучению эффектов в ионосферной и космической плазме, обусловленных наличием магнитной возмущенности и флуктуаций температуры, названных Ерухимовым и Каган термомагнитными [38].
Наличие слабой магнитной возмущенности не оказывало влияния на формирование плазменных неоднородностей в Е-области. На средних широтах из-за достаточно слабых по сравнению с авроральной и экваториальной зонами электрических полей и токов и отсутствия высыпания частиц градиентно-дрейфовые процессы оказались основным механизмом формирования неоднородной структуры, источником которого традиционно полагали внешние электрические поля. На ограниченность такого подхода для среднеширотной ионосферы, где геомагнитное поле составляет значительный угол с градиентом концентрации плазмы, определяемым горизонтальными спорадическими слоями Ез, впервые показали Вудман с соавторами [39]. Они предположили, что спорадические слои промодулированы прохождением гравитационной волны таким образом, что на отдельных отрезках Es геомагнитное поле направлено вдоль градиента концентрации, т.е. также как на экваторе и полюсе. Однако экспериментальные данные указывали, что спорадические слои не всегда деформированы таким образом как требует вудмановский механизм [40]. Кроме того, не существовало теории, объясняющей наличие среднеширотного эхо обратного рассеяния в отсутствие спорадических слоев. Диссертант и соавторы предложили новый подход к решению проблемы, обосновав важнейшую роль перемещений нейтрального газа в образовании неоднородностей сред неширотной Е-области [41 48].
Целью диссертационной работы является изучение эффектов, обусловленных тепловыми и магнитными флуктуациями, и процессов формирования неоднородной структуры в областях Е и F ионосферы, в том числе: проведение направленных экспериментальных исследований, создание согласованной физической модели, адекватно объясняющей качественную картину наблюдаемых явлений, и разработка, когда возможно, полного математического описания.
Научная новизна работы определяется полученными оригинальными результатами и характеризуется следующими основными моментами:
• Предсказан теоретически и подтвержден экспериментально эффект значительного нагрева электронов структурированными электрическими полями в ионосферных авроральных полостях - областях пониженной концентрации плазмы, наблюдаемых как парное явление с активными дугами авроральных сияний;
• На базе экспериментальных данных EISCAT предложен механизм ускорения ионов продольным электрическим полем, обусловленный действием сил Лоренца. Механизм впервые позволяет объяснить наблюдаемые зависимости скорости ионов от высоты, широты и уровня солнечной активности для явления выноса ионов 2-го типа из авроральной F-области ионосферы;
• Предложен и подтвержден экспериментально (на основе данных радиомерцаний и наблюдений EISCAT) термомагнитный механизм возбуждения мелкомасштабной турбулентности в авроральной F-области ионосферы;
• Обоснована идея генерации сильных локальных продольных электрических полей/токов при наличии крупномасштабных плазменных облаков в естественной и модифицированной F-области и показано, что такие электрические поля/токи могут приводить к мелкомасштабной стратификации крупномасштабных плазменных образований;
• Рассмотрены примеры подобных явлений в естественной авроральной ионосфере и в модифицированной мощными радиоволнами ионосфере средних широт. Показана возможность исследования и предсказания естественных явлений путем изучения их искусственных аналогов;
• Впервые предложен и экспериментально обоснован (на базе наблюдений эксперимента SEEK) непротиворечивый механизм образования мелкомасштабных неоднородностей, ответственных за эхо обратного рассеяния в среднеширотной Е-области. То же самое распределение атмосферных ветров, которое сбивает плазму в Е-области в спорадический слой Es, приводит и к мелкомасштабной стратификации Es из-за развития градиентно-дрейфовых процессов;
• Создана и подтверждена экспериментально (на базе данных MU-радара и эксперимента SEEK) теория тепловой мелкомасштабной неустойчивости, впервые объясняющая эхорассеяние от мелкомасштабных неоднородностей Е-области в отсутствие спорадических слоев;
• Экспериментально обнаружено свечение ионосферы на длине волны 557,7нм, стимулированное воздействием мощных радиоволн на спорадический слой Е. Установлено, что пространственная неоднородность интенсивности регистрируемого излучения в линии 557,7нм, наблюдаемая при наличии спорадических слоев Е пэтчевого типа, отражает горизонтальную структуру Es.
Научная и практическая ценность. Выполненные автором исследования дают основу для более глубокого понимания процессов и источников образования мелкомасштабной структуры верхней ионосферы и предлагают непротиворечивую физическую модель для ряда наблюдаемых явлений, как например: выноса ионов из авроральной Р-области, значительного (до 4000° К) нагрева электронов в высокоширотной области Р, эха обратного рассеяния от мелкомасштабных неоднородностей в среднеширотной Е-области и сложной структуры зеленого свечения, индуцированного воздействием мощных ВЧ электромагнитных волн на спорадический слой Е. Проведенные исследования открывают новые возможности дистанционной диагностики плазмы, например изучение динамики и структуры спорадических слоев Ее, проходящих над наземными передатчиками ВЧ радиоволн.
На защиту выносятся:
1. Экспериментальное подтверждение предсказанного теоретически эффекта сильного (до 4000° К) нагрева электронов Р-области авроральной ионосферы.
2. Механизм ускорения ионов продольным электрическим полем, объясняющий вынос ионов 2-го типа из Р-области авроральной ионосферы.
3. Экспериментальная проверка механизма образования неоднородностей концентрации плазмы в авроральной Р-области.
4. Механизм мелкомасштабной стратификации крупномасштабных плазменных образований и сопоставление его с данными наблюдений для естественной и модифицированной мощными радиоволнами Р-области ионосферы.
5. Градиентно-дрейфовый и тепловой механизмы образования мелкомасштабных неоднородностей, обусловленные перемещениями нейтрального газа, и демонстрация соответствия предложенных теорий экспериментальным данным эхорассеяния в области Е ионосферы. Создание непротиворечивой физической модели генерации естественной мелкомасштабной турбулентности в Е-области.
6. Обнаружение индуцированного свечения ионосферы на длине волны 557,7 нм, обусловленного наличием спорадического слоя Е, и его использование для визуализации спорадических слоев Е.
Личный вклад автора. Большинство работ автора по теме диссертации написано в авторских коллективах. Из этих работ в диссертацию включены только те результаты, вклад автора в которые был определяющим на всех этапах и включал в себя: постановку и решение задачи, проведение измерений, обработку и анализ экспериментальных данных, обсуждение результатов и подготовку публикаций. Во всех других случаях используемые в диссертации экспериментальные результаты приводятся с соответствующими ссылками на их авторство и приоритетные публикации.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзных совещаниях по проблеме «Неоднородная структура ионосферы» (Ашхабад, 1985; Якутск, 1987; Ростов, 1989; Н. Новгород, 1991), Международном суздальском симпозиуме URSI по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (Суздаль, 1991), Международной школе по проблеме «Распространение радиоволн» (Сочи, 1986, 1989), Международной школе «Физика космической плазмы» (Н. Новгород, 1993, 1995), Ассамблее европейского геофизического общества (Гренобль, Франция, 1994), на ежегодном семинаре «Физика авроральных явлений» (Апатиты, 1996, 1997), Международном симпозиуме по прикладному электромагнетизму (Греция, 1996), 5-м Европейском нагревном семинаре (Финляндия, 1997), ежегодной американской конференции CEDAR (Боулдер, США, 1995), Ассамблеях Международного геофизического союза и Международной ассоциации геофизики (Боулдер, США, 1995; Уппсала, Швеция, 1997; Бирмингем, Великобритания, 1999), ежегодном американском рабочем совещании по ионосферным взаимодействиям (Санта Фе, США, 1998, 1999), а также на научных семинарах НИРФИ (Н. Новгород), ПГИ (Мурманск, Апатиты), Cornell University (U.S.A.), M.I.T. (U.S.A.), SRI International (U.S.A.), Lockheed (U.S.A.), Arecibo Observatory (Puerto Rico), Nagoya University (Japan).
