научная статья по теме МОДУЛЯЦИОННОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПЫЛЕВЫХ ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЕ ЗЕМЛИ Физика

Текст научной статьи на тему «МОДУЛЯЦИОННОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПЫЛЕВЫХ ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЕ ЗЕМЛИ»

^ ПЫЛЕВАЯ

ПЛАЗМА

УДК 533.951

МОДУЛЯЦИОННОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПЫЛЕВЫХ ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

© 2007 г. С. И. Копнин, С. И. Попель, Минг Ю*

Институт динамики геосфер РАН, Москва, Россия *Институт теоретической физики I, Рурский университет г. Бохума, Германия

Поступила в редакцию 22.08.2006 г.

Окончательный вариант получен 07.09.2006 г.

Во время метеорных потоков Персеиды, Леониды, Геминиды, Ориониды на фоне радиошумов ионосферы регистрировались устойчивые низкочастотные линии в диапазоне 20-60 Гц. Предложен физический механизм возникновения данного эффекта. Установлена связь эффекта с модуляционным взаимодействием электромагнитных и пылевых звуковых волн. Приведено описание динамики компонент комплексной (пылевой) ионосферной плазмы, возникновение пыли в которой обусловлено эволюцией метеорного вещества. Рассмотрены условия существования пылевых звуковых волн в ионосфере. Показано, что диссипация их энергии происходит в основном за счет столкновений нейтральных частиц с заряженными пылевыми частицами. Рассмотрена модуляционная неустойчивость электромагнитых волн в условиях комплексной (пылевой) ионосферной плазмы. Показана связь модуляционной неустойчивости с нелинейным джоулевым нагревом, пондеромотор-ной силой, процессами зарядки и динамики пылевых частиц. Определены инкременты, условия развития и пороги модуляционной неустойчивости электромагнитных волн как в ночное, так и в дневное время. Показано, что низкочастотные возмущения, возбужденные в результате модуляционного взаимодействия, связаны с пылевыми звуковыми колебаниями. Таким образом, предложен механизм возникновения радиошумов в диапазоне частот 20-60 Гц во время вторжения метеорных потоков.

PACS: 52.27.Lw, 52.35.-g, 94.20.we, 94.20.wf

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время важным объектом исследования в ионосфере Земли являются пылевые частицы, что, в частности, связано с новыми физическими эффектами и уникальными свойствами комплексной (пылевой) плазмы [1-8]. Существованием пылевых частиц обусловлены такие явления, как серебристые облака и полярные ме-зосферные радиоотражения (см., например, [9, 10]). Пылевые частицы могут попадать в ионосферу Земли в результате бомбардировки метеорными потоками. В нижней ионосфере на высотах 70-130 км в результате абляции метеоров образуются пересыщенные пары металлов: натрия, кальция, магния и др. [11], которые в дальнейшем конденсируются в частицы с характерными размерами от нескольких нанометров до десятых долей микрометра. Кроме того, в ионосфере встречаются первичные частицы: метеоры, затормозившиеся в атмосфере, фрагменты более крупных или не сгоревших до конца метеоров [12]. Важным источником метеорного околоземного вещества (90-99%) [13, 14] являются выбросы из ядер короткопериодических комет. Пылевые частицы могут образовываться также в результате конденсации паров воды (см., например, [15]). Не исключен конвективный перенос

частиц вулканического происхождения в ионосферные слои. Так, первое наблюдение серебристых облаков в 1885 г. связывают с сильнейшим извержением вулкана Кракатау (КгакаШа) [9].

Вследствие того, что пылевые частицы находятся в плазменной среде, они приобретают электрический заряд. В отсутствие фотоэффекта из-за того, что электроны обладают большей подвижностью, чем массивные ионы, заряд пылевых частиц оказывается отрицательным. Его величина составляет, как правило, несколько зарядов электрона и определяется размерами пылевых частиц, их формой, а также параметрами окружающей плазмы. Ситуация кардинально меняется при наличии фотоэффекта. Фотоэффект происходит в результате облучения пылевых частиц интенсивным солнечным излучением. До высот 70-130 км доходит не весь спектр солнечного излучения, а лишь его часть с энергией электромагнитных квантов, не превышающей 7.3 эВ (см., например, [16]). Таким образом, если вещество, формирующее пылевые частицы, обладает работой выхода большей, чем 7.3 эВ, то на пылевых частицах, подвергающихся солнечному облучению на высотах 70-130 км, фотоэффект происходить не будет. Такая ситуация, например, характерна для частиц, состоящих из чистого

323

3*

льда. В условиях образования частиц из метеорного вещества важными составляющими пылевых частиц являются металлы. Работа выхода для таких частиц может составлять 2-4 эВ в случае существенной доли в их составе щелочноземельных металлов. Тем самым, для частиц метеорного происхождения фотоэффект может играть существенную роль. Заряд при этом по-прежнему определяется размерами частиц, параметрами окружающей плазмы, а также интенсивностью солнечного излучения и составляет от нескольких десятков до нескольких сотен абсолютных величин заряда электрона. Следует отметить, что при этом концентрация ионов оказывается пренебрежимо малой по сравнению с концентрацией электронов. В этих условиях роль массивных ионов с большим зарядовым числом берут на себя пылевые частицы.

Итак, пылевая ионосферная плазма состоит из электронов, нескольких сортов ионов, нейтралов и массивных отрицательно или положительно заряженных пылевых частиц. Пылевые частицы могут оказывать существенное влияние на волновые процессы [17], а также на физико-химические процессы [15], протекающие в ионосфере.

В настоящее время существенное развитие получили методы волновой диагностики пылевой ионосферной плазмы [18, 19]. По существу, главные сведения о параметрах плазмы в ионосфере получены при помощи высокочастотных электромагнитных волн, применяемых для зондирования ионосферы с поверхности Земли или с борта космического аппарата.

В метровом и дециметровом диапазонах длин электромагнитных волн оптическая толщина ионосферы оказывается много меньшей единицы. Низкое значение оптической толщины подразумевает, что плазменное образование имеет пренебрежимо малое самопоглощение, и излучение самой ионосферы выходит за ее пределы. Различают излучение спокойной ионосферы и спорадическое радиоизлучение ионосферы. В значительной степени понятие "спокойная ионосфера" является идеальной характеристикой. Источники ионизации меняются в зависимости от уровня солнечной активности. Часто излучение спокойной ионосферы трактуется как собственное равновесное излучение ионосферы. Во время возмущений и внедрения в ионосферу потоков частиц от Солнца или из магнитосферы в ионосфере возникает неравновесное спорадическое излучение.

В 1999, 2000, 2001, 2003 гг. проводились эксперименты [20, 21] по наблюдению радиоизлучения ионосферы у поверхности Земли, использующие аппаратуру (радиометр) с высоким временным разрешением (с постоянной времени регистрации 0.005 с). На несущей электромагнитной волне с

длиной волны X ~ 2 м регистрировались флуктуации радиошумов. Кроме того, был повторно проведен анализ результатов, полученных в результате обработки данных измерений, выполненных в 1975-1977 гг. в дециметровом диапазоне [22]. Оказалось, что во время выпадения высокоскоростных метеорных потоков Персеиды, Леониды, Ориониды, Геминиды на фоне флуктуаций радиошумов наблюдаются устойчивые "пылевые" линии в диапазоне частот 20-60 Гц.

"Пылевая" линия представляет собой [21, 22] огибающую группы отдельных пиков спектральной плотности. Отдельные пики могут как менять свою частоту и амплитуду в пределах группы, так и выходить за ее пределы. Как правило, линия постепенно затухает, сливаясь с шумом спектра.

Особенностями наблюдений [21, 22] являлась четкая процедура выделения помех на спектрах радиошумов. Что касается вопроса о происхождении линий, было проанализировано несколько вариантов. Например, рассматривалась возможность того, что линии представляют собой помехи, гармоники шумановского резонанса, являются результатом нелинейных процессов (без участия пыли) в ^-слое ионосферы или же нелинейной модуляции во входных трактах радиометра, результатом рассеяния излучения на турбулентных пульсациях в тропосфере или ионосфере [22]. Однако ни одно из этих рассмотрений не могло объяснить того факта, что линии наблюдались именно во время выпадения упомянутых высокоскоростных метеорных потоков.

Указанные частоты 20-60 Гц являются типичными для пылевой звуковой моды. Появление флуктуаций радиошумов можно связать с наличием пылевых частиц, образованных из пересыщенных паров веществ, попадающих в ионосферу в результате абляции метеорного вещества [23].

Отметим, что из-за продольного характера распространения пылевые звуковые волны могут существовать только в плазме и сами по себе не могут достигать земной поверхности, где помещалось оборудование для измерений [20, 21]. На поверхности Земли могут наблюдаться электромагнитные волны. Таким образом, присутствие низкочастотной части в спектре электромагнитных волн указывает на возможность модуляции электромагнитной волны, покидающей ионосферу. Причиной этого эффекта может служить модуляционное взаимодействие электромагнитных и пылевых звуковых волн. Целью настоящей работы является теоретическая проверка указанной возможности. При этом предполагается, что фоновые низкочастотные флуктуации радиошумов во время метеорных потоков Персеиды, Ориониды, Геминиды, Леониды существенно усиливаются эффектом модуляционного взаимодей-

Ек, ю|2

Ек, ю|2

ю

Рис. 1. Спектр электромагнитных волн с законом дисперсии ЮЕм(к) и низкочастотных виртуальных полей.

- Ю ЕМ -ЮS 0 Ю юЕМ

ю

Рис. 2. Спектр электромагнитных волн с законом дисперсии юЕМ(к), низкочастотных пылевых звуковых волн с законом дисперсии (%(к) и виртуальных полей.

ствия электромагнитных волн в плазме ионосферы, содержащей пылевые частицы. Считается, что наблюдаемые флуктуации радиошумов (пылевые линии) связаны непосредственно с модуляционным взаимодействием. Флуктуации в данной ситуации представляют собой "виртуальные" низкочастотные электростатические поля, т.е. поля, возбуждаемые высокочастотными (в рассматриваемой ситуации - электромагнитными) полями, но при этом такие, которые, как правило, невозможно представить в виде распространяющихся волн, в силу того, что эти поля не обладают законом дисперсии (см. рис. 1) [24]. Указанные виртуальные поля связаны с пылевой звуковой мо

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