Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время в физике, химии, биоло-'ии интенсивно ведутся исследования неравновесных процессов. Ин-ерес к подобным вопросам обусловлен тем обстоятельством, что на їх основе возможно объяснение возникновений в процессе самоорга-іизации различного рода диссипативних структур. Термин "диссипа-ивные структуры" был введен И.Иригожиным. ііо современным предъявлениям самоорганизация представляет собой последовательность еравновесных фазовых переходов в открытых системах, при которых роисходит смена диссипативных структур. Неравновесность обус-овлена различными неустойчивостями, возникающими при определен-ых значениях управляющих параметров системы.
Очень богатым объектом в смысле неустойчивостей является лазма. Особое положение здесь занимают неустойчивости гидроди-амическога типа, обусловленные пространственной неоднородностью аких-либо макроскопических параметров плазму. Тад, например, же-обковая, градиэнтно-дрейфовая (ГДН) неустойчирости, сталкнори-ельная неустойчивость Рэлея-Тейлора (НРТ) обусловлены градиентом лектронной концентрации.
Желобковая неустойчивость может порождать вихревые структу-ы, вытянутые вдоль магнитного поля. Механизмы ГДН и НРТ привле-аются последнее время для объяснения возникновения ионосферных пузырей" вблизи геомагнитного экватора.
Следует отметить, что отличие между НРТ и жалобковой неус-эйчивостью состоит в соотношении между характерным временем про-зсса Т и обратной частотой ион-нейтральных столкновений \)^, . :ли <Х » \>~л , то говорят об НРТ, если Т « i\n t то q желобковой неустойчивости. Конечно, это отличие является уо-эвным, и оба процесса можно рассматривать с единой позиции. Hft ром пути могут быть обнаружены и новые, ранее неизвестные, виды эустойчивостей, которые на нелинейной стадии порождает различные эостранственные, временные, пространственно-временные структури.
В последние 10-15 лет теоретически и экспериментально интен-<вно исследуптся возникающие в ночные часы вблизи F- области сваториальной ионосферы неоднородности плазменной концентрации, (утри этих неоднородностей концентрация плазмы на 2-3 порядка >ньше фоновой концентрации. По этой причине их называют "пузыря-і". Обычно они зарождаются нижа /-" - максимума и по мэре
развития резко всплывай? вверх» Достигая Скоростей 100-300 м/с» Затем пересекают /"-максимум й» продолжая свой пэдъем» медленно ясчезаот на высотах до 800 км над земной поверхностьп» Их размеры вдоль направления магнитного поля Вс Земли порядка i„ cz 1000 км, поперек ^ ~ 10-100 км. По этой причине обычно строятся двумерные теоретические модели в плоскости, нормальной к В. . В рамках таких моделей возникновение и развитие "пузырей" Неплохо описывается с помощью механизмов НРТ и ГДН. Однако существую? эксперикан-ты, свидетельствующие о зарождении "пузырей'' выше F - максимума. Здесь последние механизмы не способны объяснить эти явления. Кроме того, более детальные теоретические исследования показывают, что двумерные модели справедливы при Си/(х »10 .В экспериментах Tt&Jlu/lj_ ~ 10-100. Поэтому учет движения заряженных частиц вдоль Ве принципиально необходим. Оценки, выполненные в лшейном приближении, говорят, что учет третьей координаты настолько изменяет характер динамики возмущений, что ставит под сомнение в их возникновении ответственность механизмов НРГ и ГДН. Однако, эти оценки выполнены при условии, что электрическое поле неоднород-ностей имеет потенциальный характер. В то же вромя при степени геометрической анизотропии 1№/%± ~ 10-10 может быть существенным влияние электродинамических эффектов.
Линейные модели, описывающие слабые возмущения, не делают различия в динамике "пузырей" и неоднородаостей с повышенной плазменной концентрацией. Но в экспериментах гораздо значительнее проявляют себя "пузыри". Поэтому для описания этой законошрности принципиально необходим учет нелинейности.
Целью работы является теоретическое исследование' с- единых позиций, в рамках магнитной квазигидродинакики, шззмущений неоднородного слоя плазма, помещенного в магнитное Д, и нормальное к нему гравитационное поле а (в лабораторных установках роль последнего играет кривизна силовых линий В, ) с учетом электродинамических и нелинейных эффектов.
Научная новизна
I. Исследован в линейном приближении столкновительный режим ( Т » i);h* ) развития плазменных возмущений с учетом процессов рекомбинации. На этой основе предсказан колебательный режим НРГ-ГДН, обусловленный рекомбинацией и электродинамическими эффектами. Выявлены условия его существования. Этот эффект предло-
хен для теоретической интерпретации эксперш.кнтов гю наблюдении іоносферних неоднородчостей посредством измерения временных модуляций интенсивности кислородных спектральных линий 6300 Л и '774 А. Отмечено удовлетворительное согласие с отими эксперш.ен-ами.
-
Предсказана новая неустойчивость дрейфово-альфвеновской юдц, обусловленная гравитацией (кривизной Вс ) и процессами р-з-:омбинации. На этой основе она названа гравитационно-рекомбина-(ионной (ГР1І). Показано, что ГГО не может наблюдаться в условиях юносферы. В то же время предложены конкретные условия обнаружил ГРИ в лабораторных установках. Выявлен резонансный характер РН.
-
Исследована автоволна плазменной концентрации, движущая-я в плоскости, перпендикулярной к Вс , и порождаемая НРГ. На ронте автоволни сосредоточена плотность некомпенсированного лектрического заряда. Показано, что устойчивость автоволны по тноаению к слабым возмущениям, обеспечивается на диффузией, как
случае одномэрных автоволн, а_ влиянием третьего пространствен-ого измерения, параллельного 80 , и рекомбинацией. Пропед-зна ценка максимального значения степени анизотропии 1,/lj. слабых оэмущений, при котором автоволна является устойчивой. Покаэгло, то в отличие от ранее изучавшихся одномэрных автоволн данная втоволна частично сохраняет информацию о начальных возмущениях,
результате которых она образовалась.
4. Предсказывается новая неустойчивость, обусловленная гра-
лентом эффективной частоты ион-нейтральных столкновений и ииею-
ія сугубо нелинейную природу, развивая лишь "пузыри" в противо-
!с неоднороцностям с повышенной концентрацией. Отмечен порого-
ай характер данной неустойчивости, которая предложена как один
з возможных механизмов зарождения "пузырей" вище экваторимьно-) F - максимума.
5. Исследованы нелинейные стадии ГДИ, НРГ и ГРН. Выявлен
ірьівной характер образования "пузыря" на заключительной стадии
)лебатольного режима НРТ-ГДН. Определены условия, при которых
3Н дрейфово-альфвеновской моды выходит на предельный цикл или
ікаччиваотсл взрывным процессом выброса плазмы на боковые стен-
[ лабораторий установки.
Практическая ценность. Полученные в диссертации результаты ігут быть исполъэоваш для анализа экспериментальных дашых по
Г)
наблюдению ионосферное неоднородностей в f - области геомагнитного экватора. Кроме того, результаты могут быть использованы при определении способов возбуждения подобных неоднородностей, что представляется немаловажным в связи с проблемами искусственной модуляции прохождения радиоволн. Гравитационно-рекомбинационная неустойчивость дрейфово-альфвеновской моды может найти техническую реализацию для усиления и генерации альфвеновских волн, которые обычно сильно затухают из-за ион-нейтральных столкновений.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на ХЛ конференции молодых ученых МФТИ (Долгопрудный, 1987), Всесоюзной конференции молодых ученых по электромагнитным процессам в Зе,мле и Космосе (Звенигород, 1989), X Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению вода (Винница, 1990).
Публикации. По теме диссертации опубликовано в центральных, международных журналах и сборниках 12 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения (121 стр. основного текста, включает 12 рисунков на 7 стр. и 101 наименование библиографии (II стр. списка литературы)).