ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2008, том 34, № 6, с. 517-526
ИОНОСФЕРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.951,534.321.8
ГЕНЕРАЦИЯ ИНФРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НИЗКОЧАСТОТНЫМИ ПЫЛЕВЫМИ ЗВУКОВЫМИ ВОЗМУЩЕНИЯМИ
В НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
© 2008 г. С. И. Копнин, С. И. Попель
Институт динамики геосфер РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 09.04.2007 г. Окончательный вариант получен 03.12.2007 г.
Показано, что возбуждение низкочастотных пылевых звуковых возмущений в результате развития модуляционной неустойчивости в ионосфере во время метеорных потоков Персеиды, Гемениды, Ориониды и Леониды может приводить к генерации инфразвуковых колебаний. Рассмотрены процессы, сопровождающие их распространение, а также обсуждается возможность регистрации указанных колебаний наблюдателем, находящимся на поверхности Земли. Обсуждается возможность возникновения акустико-гравитационных вихревых структур в области существования пылевых звуковых возмущений. Возможным проявлением их генерации во время метеорных потоков Персеиды, Гемениды, Леониды, Ориониды может служить усиление относительной интенсивности зеленого излучения ночного неба на величину порядка десяти процентов, что связано с формированием нелинейных (вихревых) структур на высотах 110-120 км.
PACS: 52.27.Lw, 52.35.-g, 94.20.wc, 94.20.wf.
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время одним из важных объектов исследования являются пылевые частицы в ионосфере Земли, что связано с новыми физическими эффектами и уникальными свойствами комплексной (пылевой) плазмы [1-8]. Одним из источников пыли в ионосфере служат метеорные потоки. Известно около 20 ежегодных интенсивных метеорных потоков (свыше 20 метеоров в час). К ним принадлежат такие потоки, как Персеиды, Леониды, Гемениды, Ориониды. Родительскими телами этих метеорных потоков являются короткопериодические кометы [9, 10]. Ориониды порождены кометой Галлея 1910 II, Персеиды - кометой Свифта-Туттля 1862, Леониды - кометой Темпеля-Туттля 1866. Происхождение же потока Геминиды связывают с астероидом Фаэтон (3200) [11], который совместно с метеорным роем представляет собой дезинтегрированную комету. Известно, что выбросы из ядер короткопериодических комет являются основным из источников метеорного околоземного вещества (90-99%) [12, 13]. Во время метеорных потоков существенно возрастает концентрация пыли в ионосфере Земли. В периоды перечисленных метеорных потоков происходит абляция метеорного вещества. В результате на высотах 80-120 км образуются пересыщенные пары, главным образом щелочноземельных металлов: натрия, кальция, магния и др. [14]. Последующая конденсация пересыщенных паров металлов приводит к формированию пылевых ча-
стиц. Это так называемые вторичные частицы метеорного происхождения. Дальнейшая коагуляция таких частиц сопровождается их седиментацией. Согласно [15] и [16] максимум концентрации пылевых частиц метеорного происхождения приходится на высоты 80-90 км и составляет более 104 см-3 [17]. Образованные металлические слои наблюдаются при помощи лидаров [18]. Известно, что во время интенсивных метеорных потоков, как Персеиды, метеоры выпадают роями по 3-10 штук в секунду [19]. После конденсации испарившегося метеорного вещества образуется облако пылевых частиц с концентрациями порядка 102-103 см-3 и размерами несколько нанометров. Характерная высота такого "металлического" слоя составляет около 1 км [15], его горизонтальные размеры порядка 10 км.
Первичные частицы метеорного происхождения представляют собой не сгоревшие до конца метеороиды или фрагменты, отколовшиеся от более крупных метеоритов и затормозившиеся на определенных высотах. Однако концентрации таких частиц много меньше концентраций вторичных частиц метеорного происхождения [20]. Пылевые частицы могут образовываться также и в результате конденсации паров воды [21-23]. Не исключен конвективный перенос частиц вулканического происхождения, частиц сажи от крупных пожаров и др. Так, первое появление серебристых облаков в 1885 г. связывают с мощным извержением вулкана Кракатау (КгакаШа) [21].
Попадая в область частично ионизованной плазмы, пылевые частицы приобретают электрический заряд и становятся существенной составляющей ионосферной пылевой плазмы. Последняя обладает уникальными физическими свойствами, и ее присутствие объясняет ряд физических эффектов и явлений, наблюдаемых в ионосфере (см., например, [22-25]). Одним из важнейших проявлений свойств пылевой плазмы является возможность существования низкочастотных пылевых звуковых возмущений в нижней ионосфере [26, 27], что кардинально отличает "запыленную" ионосферную плазму от плазмы мезосферы и нижней ионосферы в условиях отсутствия пылевых частиц, где из-за сильной амби-полярной диффузии затруднено существование низкочастотных продольных электростатических возмущений (например, ионно-звуковых волн) [28, 29].
Во время интенсивных метеорных потоков механизмом генерации пылевых звуковых возмущений служит модуляционная неустойчивость электромагнитных волн [30], присутствие которых обусловлено собственным излучением ионосферы [27]. Частота пылевых звуковых волн находится в диапазоне от нескольких сотых до нескольких десятков Гц, что соответствует инфра-звуковой области. Обычно за верхнюю границу инфразвуковой области принимают частоты 1625 Гц. Нижняя граница инфразвукового диапазона - неопределенная.
Инфразвуковые волны возникают при землетрясениях, подводных и подземных взрывах, во время бурь и ураганов, от волн цунами, при извержениях вулканов и т.д. [31-35]. К основным техногенным источникам инфразвуковых колебаний относится мощное оборудование - железнодорожный и автомобильный транспорт, авиация, ракетная техника, мощные промышленные установки, а также химические и ядерные взрывы. Поскольку инфразвуковые волны слабо поглощаются как в воздухе, так и в воде и земной коре, они распространяются на большие расстояния и могут служить предвестником катаклизмов: бурь, ураганов, цунами и т.д. [36]. Установлено, что человек подвержен воздействию инфразвуковых возмущений [37]. Отмечается влияние инфразвуковых волн на вязкость и электропроводность растворов, а также на капиллярные эффекты [38]. Имеется связь инфразвуковых явлений в атмосфере с солнечной [38] и сейсмической активностью [39].
Одним из процессов, которые могут приводить к возбуждению инфразвуковых волн, является вход метеорных потоков в атмосферу Земли. Целью настоящей работы является изучение возможности генерации инфразвуковых колебаний пылевыми звуковыми возмущениями, возбуждае-
мыми в процессе развития модуляционной неустойчивости [30] электромагнитных волн во время метеорных потоков Персеиды, Ориониды, Геминиды, Леониды, а также выявление наблюдаемых эффектов, сопровождающих метеорные потоки, порождаемые выбросами из ядер корот-копериодических комет.
Структура работы следующая. В разд. 2 исследуется возможность генерации инфразвуковых колебаний пылевыми звуковыми возмущениями, возбуждаемыми в результате развития модуляционной неустойчивости электромагнитных волн, изучается возможность наблюдения этих колебаний у поверхности Земли. В разд. 3 обсуждаются вопросы возникновения возмущений акустико-гравитационного типа, а также рассматривается эволюция этих возмущений, приводящая к усилению интенсивности зеленого излучения ночного неба. Основные результаты работы резюмируются в разд. 4.
2. МОДУЛЯЦИОННОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ
ПЫЛЕВЫХ ЗВУКОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ И ГЕНЕРАЦИЯ ИНФРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
Как уже отмечалось, во время интенсивных метеорных потоков в ионосферной плазме возникают заряженные пылевые частицы. При этом величина и знак заряда могут зависеть от фотоэффекта на поверхности частиц [22, 30]. Когда фотоэффект несуществен, заряд отрицательный и составляет несколько зарядов электрона. Влияние фотоэффекта приводит к тому, что пылевые частицы метеорного происхождения могут приобретать положительный заряд порядка нескольких десятков и сотен абсолютных величин заряда электрона.
В плазме нижней ионосферы имеет место сильная амбиполярная диффузия электронов и ионов [28, 29]. Она затрудняет существование низкочастотных электростатических возмущений в среде, состоящей только из электронов, ионов, нейтральных атомов и молекул. Электрически заряженные пылевые частицы в ионосферной плазме определяют новые временные масштабы, позволяющие существовать и распространяться пылевым звуковым возмущениям. В работе [30] была показана возможность возбуждения таких возмущений в результате развития модуляционной неустойчивости электромагнитных волн. Закон дисперсии пылевых звуковых волн в ионосфере
*)=М - (г)2-т- (1)
где юл = (4кпа0 ([0 /та)1П - пылевая плазменная частота, па - концентрация пылевых частиц, - заряд пылевой частицы, та - ее средняя масса, \Лп =
= (4/3)ла278Тп0/птп пп(тп/та) - эффективная частота столкновений пылевых частиц с нейтральной компонентой ионосферной плазмы, пп, тп, Тп0 - концентрация, масса и температура нейтралов, а - размер пылевых частиц. Индекс 0 соответствует невозмущенным параметрам. В случае (л > 0 на основе [30] получено:
b (K) = 1 + а в случае qd < 0
1 (1 + K2 X2 v + V
*de
ch
b (K) = 1 +
1
к V
de
1 + 1+EM + 1
T Vc
K2 xd
(2)
(3)
Здесь ve - частоты столкновений электронов с
пылевыми частицами; Xde
; Xde = jTe/4пUee2 , =
= л/Т;/4п u,e - электронный и ионный радиусы Дебая; vch - характерная частота зарядки пылевых частиц, Te(i), me(i) - температура и масса электронов (ионов); т = Tio/Teo; Vch = -(dIeq(qd)/dqd), где Ieq(qd) - полный равновесный ток на пылевую частицу [22]; -e - заряд электрона.
В результате распространения пылевых звуковых колебаний возмущается и нейтральная компонента запыленной ионосферной плазмы. Нейтралы приходят в движение за счет столкновений с пылевыми частицами. Динамика заряженной пыли и нейтралов в ионосферной плазме описывается уравнениями (ср. с. [30])
d ud dt
+
дп„
д t
(UdVd) = 0,
(UuVu) = 0,
mdUd
(7? + (Vd ■ — )Vd) = qdUiE - Red - Rid + R
muUu| ^ + (Vu ■ — K] =
(4)
(5)
, (6) (7)
= - — Pu - Rdu + muUu(VnAVu + g),
Red = -meUeVed( Ve - Vd) , (8)
Здесь Рп = Тппп - давление нейтральной компоненты, vn - вязкость нейтрало
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.