научная статья по теме НЕЛИНЕЙНЫЙ ОТКЛИК ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ СТРУИ НА ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ СВИСТОВОГО ДИАПАЗОНА В МАГНИТОСФЕРЕ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «НЕЛИНЕЙНЫЙ ОТКЛИК ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ СТРУИ НА ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ СВИСТОВОГО ДИАПАЗОНА В МАГНИТОСФЕРЕ»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, том 53, № 1, с. 79-84

УДК 523.4-853:423.3

НЕЛИНЕЙНЫЙ ОТКЛИК ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ СТРУИ

НА ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ СВИСТОВОГО ДИАПАЗОНА

В МАГНИТОСФЕРЕ

© 2015 г. П. А. Беспалов1, О. Н. Савина2

1 Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород peter@appl.sci-nnov.ru

2Национальный исследовательский университет — Высшая школа экономики, г. Нижний Новгород

pbespalov@mail.ru; onsavina@mail.ru Поступила в редакцию 26.03.2014 г.

В работе рассматривается нелинейный отклик экваториальной токовой струи на внешние воздействия и некоторые его геофизические проявления. Облучение токовой струи коротковолновым электромагнитным излучением с амплитудной модуляцией в диапазонах ОНЧ и геомагнитных пульсаций может создать условия для реализации в области токовой струи нелинейной антенны. Оценки показывают, что за счет модуляции электронной температуры и концентрации в области токовой струи под ней на поверхности Земли электромагнитные сигналы на частоте модуляции могут быть на два порядка больше, чем в средних широтах. Рассмотрен вопрос о влиянии сигналов от модулированной экваториальной токовой струи на режимы работы плазменного магнитосферного мазера в ОНЧ диапазоне. Отмечена возможность резонансной модификации спектров естественных электромагнитных волн ОНЧ диапазона в магнитосфере.

Б01: 10.7868/8002342061501001Х

1. ВВЕДЕНИЕ

Первые прямые измерения параметров экваториальной токовой струи в Е-слое полуденной ионосферы были выполнены в ракетных экспериментах [1, 2]. К настоящему времени основные характеристики экваториальной токовой струи достаточно хорошо изучены. Согласно экспериментальным данным, электрический ток в экваториальной токовой струе течет на восток и локализован в узкой по высоте области в Е-слое ионосферы с центром в локальный полдень [3]. Экваториальная токовая струя является частью токовой системы земной ионосферы, ответственной за Б вариации магнитного поля.

При облучении ионосферной токовой струи мощным модулированным по амплитуде коротковолновым излучением в такт с модуляцией происходит изменение проводимости ионосферы. Этот эффект может приводить к появлению значительной переменной составляющей тока и возбуждению электромагнитных излучений на частоте модуляции. Исследования по использованию естественных токовых систем (аврораль-ной токовой струи и среднеширотных ионосферных токов) как источников ОНЧ сигналов и геомагнитных пульсаций проводились, начиная с

семидесятых годов прошлого века (см., например, [4, 5]). Накопленные результаты показали, что модулированный нагрев полярной токовой струи мощным коротковолновым электромагнитным излучением служит источником сравнительно интенсивных ОНЧ сигналов, распространяющихся в волноводе Земля-ионосфера [6].

Экваториальная токовая струя — это устойчиво наблюдаемое явление, изучение возможности использования которого в качестве нелинейной антенны представляется важной геофизической задачей. Первые эксперименты по излучению электромагнитных волн ОНЧ диапазона при модулированном нагреве экваториальной токовой струи были описаны в работе [7]. Результаты этих экспериментов показали возможность генерации низкочастотных сигналов от модулированной нагревом токовой струи. Особенности распространения ОНЧ сигналов от экваториальной токовой струи, рассматривалось в работе [8].

В данной работе мы обсудим современные представления об условиях формирования экваториальной токовой струи (см. также [9]) и проведем оценку переменной составляющей ионосферного тока и электромагнитных полей, возникающих под действием мощного промодулированного по амплитуде электромагнитного излучения. Облуче-

7 к Е 7 i-Z

-+++++++fFF

в

/

E

H

■+++++.+±+

\

4

P

плотность тока определяется следующим выражением:

j = â ( -E + - u „

x B

(1)

(

где a =

a p

a h 0

-a h a p 0

0 0

all У

Рис. 1. Условия формирования экваториальной токовой струи:

оси х и I лежат в плоскости полуденного меридиана; ось у направлена по магнитному экватору на восток; Ен — поляризационное поле, связанное с холловской

проводимостью; ан (г) — высотный ход холловской проводимости; ¡у — плотность тока в экваториальной токовой струе.

ние токовой струи коротковолновым электромагнитным излучением с амплитудной модуляцией в диапазонах ОНЧ (с частотами 1—10 кГц) и геомагнитных пульсаций (с частотами ниже 1 Гц) может создать условия для реализации в области токовой струи нелинейной антенны. На основании полученных результатов мы проанализируем возможные проявления сигналов, излучаемых нелинейной ионосферной антенной в дневной магнитосфере, включая их влияние на режимы работы плазменного магнитосферного мазера.

2. УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ

ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ СТРУИ В МОДЕЛИ КИНЕМАТИЧЕСКОГО ДИНАМО

Современные кинематические модели формирования экваториальной токовой струи основываются на предположении о том, что скорость нейтрального ветра u n в атмосфере известна и не зависит от состояния плазмы. На высотах формирования токовой струи (90—120 км) выполняется неравенство vjаВе < vinf (где ven и vin — частоты соударения электронов и ионов с нейтралами, юВе и ют — гирочастоты электронов и ионов) и электроны замагничены. Нейтральный ветер в первую очередь приводит к увлечению ионов и возникновению электрического поля E, которое для возмущений изучаемых масштабов близко к потенциальному.

Электрическое поле препятствует возникновению большого нескомпенсированного заряда. В соответствии с обобщенным законом Ома

тензор проводимости, в который входят продольная ац, педерсеновская аР и холловская стн проводимости, выражения для которых приведены, например, в монографии [10], В — магнитное поле, с — скорость света в вакууме.

Используя обобщенный закон Ома (1), уравнение непрерывности для плотности тока и условие потенциальности электрического поля, для заданных ветров ип в принципе можно найти пространственное распределение потенциала и восстановить картину ионосферных токов. Из-за сложных зависимостей скорости ветра и прово-димостей от координат эта задача получается громоздкой и обычно анализируется численными методами. Наиболее успешно она решается в приближении тонкой сферической оболочки [11—13] в предположении малости вертикальной плотности тока, вертикальная производная от которой существенна. В результате довольно длинных выкладок получаются и численно интегрируются уравнения, содержащие интегральные по толщине динамо-слоя ионосферы токи и проводимости. Такие расчеты неоднократно проводились для определения вариации магнитного поля при различных распределениях скорости нейтрального ветра в дневной атмосфере [14, 15]. В итоге удается построить квазистационарную картину распределения токов в разных высотных эшелонах.

Отметим кратко причины формирования экваториальной токовой струи (с более подробным их анализом можно ознакомиться в работе авторов [9]). Допустим в соответствии с экспериментальными данными, что на средних широтах полуденного Е-слоя ионосферы ветер имеет составляющую скорости ипх, направленную к экватору. Такой ветер увлекает ионы и обеспечивает генерацию направленного на восток зонального электрического поля, вызывающего дрейф электронов. Напряженность этого поля

E =

^ zon

Un

тz

(2)

Формула (2) записана в декартовой системе координат х, у, г, оси х и г направлены по магнитному полю на экваторе и по вертикали соответственно (см. рис. 1). Из-за непрерывности тангенциальной компоненты электрического поля можно

y

u

u

nx

С

ожидать, что во всей полуденной низкоширотнои ионосфере формируется направленное на восток примерно однородное зональное электрическое поле Eгon = 10-3 В/м, отвечающее скорости ветра ип = 100 м/с. Расписывая выражение для азимутальной плотности тока с учетом формулы для проводимости и граничных условий, находим

стр (стк + 4стц tg х) Стр + 4ст|| tg2 х

E,

(3)

струе получить соотношения для стороннего тока, связанного с периодическим изменением температуры электронов на частоте модуляции.

АТеуеп . . = - „ е 1 sin X,

J ех1,1

Те^Бе

АТеУ е

Те^Бе

х,

(4)

] ех1,у

где х — угол наклона магнитного поля к вертикали, а к = аР + (а2Н/аР) — проводимость Каулинга. Плотность направленного на восток тока достигает максимального значения 1у тах =сткE оп = = (2—9) • 10-6 А/м2 на высоте порядка 100 км, а на больших высотах (400 км) быстро падает.

Итак, за счет основных мод приливных течений в полуденной динамо области ионосферы горизонтальный ветер имеет составляющую, направленную к экватору. Во всей низкоширотной ионосфере формируется направленное на восток примерно однородное электрическое поле. Точно на магнитном экваторе х = 0 и тензор проводимости (1) имеет особенность, связанную с обращением в ноль вертикальной компоненты магнитного поля. В этом месте есть предпосылка для возникновения повышенного вертикального тока, но течь ему некуда. Происходит поляризация среды и возникает вертикальное электрическое поле Eн = (ан/ар ) Eоп на порядок большее поля Eгоп. Это поле за счет холловской проводимости формирует направленную на восток экваториальную токовую струю. В максимуме струи плотность тока может достигать значения 10-5 А/м2 (3).

3. РАСЧЕТ ПЕРЕМЕННОЙ

СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИОНОСФЕРНОГО ТОКА

Рассмотрим свойства нелинейной антенны, возникающей при воздействии на экваториальную токовую струю радиоизлучения мощного коротковолнового передатчика, промодулирован-ного по амплитуде с частотой О, которая лежит в

ОНЧ диапазоне или диапазоне геомагнитных пульсаций (см. [9], где этот вопрос обсуждался более подробно). В ионосфере, возмущаемой на-гревным передатчиком, периодически меняется температура электронов | ДТе/Те | < 0.3 в области размером порядка 100 км. Периодическое изменение температуры электронов приводит к изменению проводимости и появления тока на частоте модуляции.

Используя известную зависимость проводимости от температуры [10] и выражение для невозмущенного тока (3), методом возмущений можно применительно к экваториальной токовой

апе

АТе

Те 12апе - О

+ 11, ®Бе&Н

где пе — концентрация электронов на в

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