научная статья по теме К ВОПРОСУ О МОДУЛЯЦИОННОМ ВОЗБУЖДЕНИИ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ПЛАЗМЕ ЗАПЫЛЕННОЙ ИОНОСФЕРЫ Физика

Текст научной статьи на тему «К ВОПРОСУ О МОДУЛЯЦИОННОМ ВОЗБУЖДЕНИИ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ПЛАЗМЕ ЗАПЫЛЕННОЙ ИОНОСФЕРЫ»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2015, том 41, № 2, с. 188-194

ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА

УДК 533.951

К ВОПРОСУ О МОДУЛЯЦИОННОМ ВОЗБУЖДЕНИИ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ПЛАЗМЕ ЗАПЫЛЕННОЙ ИОНОСФЕРЫ © 2015 г. С. И. Копнин, С. И. Попель, Т. И. Морозова

Институт космических исследований РАН, Москва, Россия Московский физико-технический институт (государственный университет), Долгопрудный, Россия

e-mail: serg_kopnin@mail.ru Поступила в редакцию 23.12.2013 г.

Окончательный вариант получен 24.07.2014 г.

Рассмотрен механизм формирования неоднородностей концентраций электронов и ионов в запыленной ионосфере в результате развития модуляционного взаимодействия электромагнитных волн, связанного с возбуждением возмущений, имеющих частоты в области пылевых звуковых волн. Получена оценка неоднородностей концентраций электронов на основе вычислений, проведенных для случая монохроматических спектров электромагнитного излучения нагревных стендов на высотах 80 км и 100 км. Показана возможность возбуждения достаточно интенсивных неоднородностей электронной и ионной концентраций (8ne(,-)ne(i) « 0.05) на высотах 80—100 км в результате развития модуляционного взаимодействия. Определены диапазоны применимости приведенного в работе метода.

DOI: 10.7868/S0367292114120051

1. ВВЕДЕНИЕ

На протяжении многих лет в физике ионосферы существенное место занимает проблема формирования неоднородностей электронной и ионной концентраций при воздействии на ионосферу электромагнитного излучения от мощных нагревных стендов [1]. Нагревный стенд представляет собой набор антенн, объединенных в единую компьютерную сеть, так называемую "фазовую антенную решетку", которая может излучать радиосигналы в любом заданном направлении без необходимости нацеливания своих антенн соответствующим образом. С помощью на-гревных стендов можно фокусировать мощные радиолучи в определенных местах ионосферы Земли, что дает возможность целенаправленно воздействовать на естественные ионосферные процессы. В нижней ионосфере на высотах 80— 120 км существуют области, где присутствуют заряженные нано- и микромасштабные частицы, образующиеся при возникновении метеорных потоков. Частицы могут также образовываться в результате конденсации пересыщенных паров воды в летней полярной мезосфере и т.д. Отличие таких запыленных областей ионосферы от других областей, в которых не содержатся пылевые частицы, состоит в появлении новых пространственно-временных масштабов, связанных, например, с распространением пылевых звуковых волн [2]. В работе обсуждается механизм возникновения неоднородностей концентрации элек-

тронов и ионов в запыленной ионосферной плазме, связанный с развитием нелинейных модуляционных процессов (при распространении мощных электромагнитных сигналов от нагревных стендов), в которых участвуют пылевые звуковые возмущения.

Модуляционное взаимодействие является важным механизмом, приводящим к образованию неоднородностей в плазме [3]. В результате развития линейной стадии модуляционного взаимодействия (модуляционной неустойчивости) образуются области в пространстве, в которых присутствуют достаточно интенсивные электромагнитные поля, сопровождаемые локальными изменениями плотности плазмы (флуктуациями концентраций электронов и ионов). Вопросы развития модуляционной неустойчивости в ионосферной плазме при воздействии мощного радиоизлучения исследуются уже несколько десятков лет (см. например, [4, 5]). Однако эти работы посвящены исследованиям верхней ионосферы, где пылевые частицы имеют ничтожные концентрации. В нижней ионосфере на высотах 80—120 км концентрации заряженных пылевых частиц могут быть довольно значительными

(~103-104 см 3), и, как следствие, их учет необходим при описании модуляционного взаимодействия [6]. Детальное исследование модуляционной неустойчивости для случая запыленной ионосферы проводилось в [7, 8]. Данная работа

является продолжением указанных исследовании запыленной ионосферной плазмы на высотах 80— 120 км. При этом внимание акцентируется на определении характерных возмущений электронной и ионной концентрации. На настоящем этапе развитыми оказываются методы исследования в плазме запыленной ионосферы модуляционной неустойчивости монохроматической электромагнитной волны, которые в первом приближении могут применяться и для описания неустойчивости спектров волн, когда характерные пространственные масштабы возмущения концентрации оказываются значительно меньшими характерной длины волны в спектре. При этом следует учитывать, что конечная ширина волнового спектра (см., например, [9, 10]) может приводить к заметному отличию характера развития модуляционного взаимодействия. Поэтому в будущем предполагается рассмотрение модуляционной неустойчивости широких спектров электромагнитных волн в плазме запыленной ионосферы. Здесь же рассмотрение проводится для монохроматических волн накачки, генерируемых нагрев-ными стендами.

Работа построена следующим образом. В разд. 2 приводятся основные уравнения для описания модуляционной неустойчивости. В разд. 3 вычисляются инкременты модуляционной неустойчивости. В разд. 4 приводятся соотношения, характеризующие возмущения электронной и ионной концентраций, обусловленные развитием модуляционной неустойчивости и проводятся соответствующие оценки. В разд. 5 формулируются основные выводы работы.

2. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ

Для описания модуляционной неустойчиво -сти электромагнитных волн в запыленной ионосферной плазме используется стандартный подход. В условиях диффузионного равновесия система основных уравнений имеет вид (ср. с [7, 8]):

еяеоУф- Те^пА - неуге1 - ^^ V |Е|2 = 0, (1)

Дф1 = 4п( пле - пае - даоПл - пё0дл).

(6)

2тею0

еп оVф + кТ, оVn,1 + кп, оVTl = 0, 0 У +у дпд = п^рДф!

-ч 2 йп -ч >

0? 0? тй

3^ ДГе1 е ( - Т,1)-

2 0? 2

Те0 ЭПе1

пе0 0?

2у ее2 |Е|2

тею(

3Э1и - Ъ д та + V, ( - Те1) - Т°Эп1 = 0. 2 0 ? 2 п,0 0 ?

(2)

(3)

(4)

(5)

Здесь и далее использованы все формулы и величины в СГС, т^ — масса частиц сорта п^ — концентрация частиц сорта ^ = е,/, й для электронов ионов и пылевых частиц, соответственно. Те() — температура электронов (ионов), измеряемая в единицах энергии эрг [так как температуру ионов и нейтралов на высотах 80—120 км можно считать одинаковой, (см. например, [11], стр. 15—16), то в уравнениях (4), (5) не имеет смысла отдельно выделять температуру нейтралов, а следует использовать единое обозначение Т ]; -е — заряд электрона, ионы предполагаются однозарядными, — заряд пылевых частиц, ф1 — потенциал низкочастотного возмущения, Е — электрическое поле электромагнитной волны накачки, ю0 — частота этой волны, к — показатель адиабаты, в случае изотермического процесса к = 1, в случае адиабатического процесса к = 3. Индекс "0" соответствует невозмущенным параметрам, индекс " 1" — возмущенным величинам первого порядка малости; эффективная частота

столкновений Vе(() = ХИ(е),„,й 3 К«/^ )'У е() , — частота столкновений частиц сорта ^ = е, /, п, й с частицами сорта п = е, /, п, й; характеризующая скорость выравнивания температур электронов и ионов; % е = 3.16Те/( теу е), X, = 3.9Т /(т,^,) — электронный и ионный коэффициенты температуропроводности соответственно, здесь Vей = Х^=/(е),и,йVе() Д - оператор Лапласа.

Изменение заряда пылевых частиц в ионосферной плазме происходит в соответствии с уравнением [12]

э?=I )•

(7)

где полный ток I (^) = 1е (дй) + Ц (^) + Iрк (^) определяется суммой электронного 1е (дй) и ионного I, (#й) токов, а также тока фотоэлектронов (фототока) I рЬ (#й). Фототок может возникать только в дневное время под действием солнечного излучения [12]. Однако фотоэффекту подвержены не все пылевые частицы, что обусловлено их составом. На высотах 80-120 км спектр солнечного излучения резко обрывается на длинах волн, порядка 170 нм, что соответствует энергии 7.3 эВ. Если, при этом, вещество, составляющее пылевую частицу, имеет работу выхода большую 7.3 эВ, то фотоэффект не происходит. Например, работа выхода чистого льда составляет около

8.9 эВ. Таким образом, пылевая частица, состоящая из чистого льда, не будет подвергаться фотоэффекту ни в дневное, ни, тем более, в ночное время.

Для малых возмущений заряда пылевых частиц дН1 в случае их положительного заряда справедливо соотношение [7]:

) ,я=с {Т- 1,

\Э Г I \нео 1 + г 2Ге0)

(8)

где VсЬ = — (д//) г = —е#Н0/а Тео, а — характерный размер пылевых частиц, 1е0 — равновесный ток электронов на пылевую частицу (см., например, [7]). При этом частота зарядки имеет вид

V сь = -

Ы.

2

ю реа

+

п^асе

Йю

Й2 2п2с3 ехр (Йю/ Т)-1

+

евн

(9)

В случае отрицательного заряда пылевых частиц дн1 определяется из выражения [7]

дд + усь) «Л =

= — |/ео| | — + (1 + 2г) Те1 — т — г Тп

ео , П'ео П(о 2Те0 т + г 2Т-0

(10)

V сЬ =

.9/

2

ю р,а

(1 + т + г).

(11)

рассматривать два случая: прохождение электромагнитной волны через слой пылевой плазмы, содержащей только положительно или только отрицательно заряженные нано- и микромасштабные пылевые частицы. Когда пылевые частицы заряжены положительно, они несут на себе основной положительный заряд плазменной компоненты. В этом случае роль ионов становится пренебрежимо малой. Когда фотоэффект отсутствует, заряд пылевых частиц отрицательный, и роль ионов становится существенной.

Предполагая, что низкочастотные возмущения в плазме меняются как ехр (—¡Ш + Жг), где О и K — частота и волновой вектор, связанные с низкочастотными возмущениями, уравнения, описывающие эволюцию высокочастотного электромагнитного поля, можно записать в виде

(12)

где т = Те0/Т 0. При этом частота зарядки имеет вид

^0

Для описания модуляционной неустойчивости электромагнитной волны и сопровождающих ее процессов в ионосферной плазме необходимо

e+E± — %k± х (± х E±) = %E0±, ю± пе0 Ю±

где ю± = О ± ю0 и k± = K ± k0; ю0, k 0 — частота и волновой вектор, соответствующие волне накачки; юре = 4ппе0е2/ше — электронная плазменная

частота; е± = 1 — юре/ ю± — высокочастотная диэлектрическая проницаемость ионосферной

плазмы; E + = E, E — = E *, E 0+ = E 0, E 0— = E 0.

3. ИНКРЕМЕНТЫ МОДУЛЯЦИОННОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ

Закон дисперсии пылевых звуковых волн ю5 (К) опре

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»