ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 1, с. 88-95
ИОНОСФЕРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 523.951
О МЕХАНИЗМЕ ГЕНЕРАЦИИ ВИХРЕВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
В Е-ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ
© 2004 г. А. Г. Хантадзе, Г. Д. Абурджания*, Г. В. Джандиери*, X. 3. Чаргазиа*
Тбилисский государственный университет, Грузия *Научно-исследовательский институт прикладной математики им. И.Н. Векуа Тбилисского государственного университета, Грузия Поступила в редакцию 15.05.2002 г. Окончательный вариант получен 15.01.2003г.
Предложен физический механизм генерации вихревого электрического поля в Е-области ионосферы. Показано, что крупномасштабные (с размером Ь > 103 км), синоптически короткопериодные (от нескольких минут до нескольких часов), быстрые (со скоростью распространения выше 1 км/с) процессы в ¿-области ионосферы возбуждают вихревое электрическое поле, которое может по величине во много раз превосходить динамо-поле, генерируемое в этой области ионосферы ветровыми движениями.
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время считается общепринятым [1-3], что в ¿-области ионосферы динамо-механизмом возбуждается лишь электростатическое поле поляризации за счет ионосферных ветров Еф = -УФ = -(Уп х Н0)/с, где Уп - скорость нейтральной среды (ветер), Н0 - геомагнитное поле, с - скорость света, Ф - скалярный потенциал электрического поля. В этом приближении обычно рассматриваются лишь возникающие в ¿-области ионосферные токи ^ пренебрегая создаваемым ими возмущением геомагнитного поля Ь. Отсутствие векторного уравнения для Ь (ЭЬ/Э? Ф 0) исключает возможность описания волн магнитно-гидродинамической природы и тем самым вих-ревного электрического поля (ЭЬ/Э? = -сУ х Е).
Между тем, как показывают многочисленные наблюдения [4-6], во время землетрясений, искусственных взрывов, магнитных бурь и суббурь мировой сетью ионосферных и магнитных обсерваторий четко регистрируются крупномасштабные (с длиной волны X = 103-104 км) ионосферные волновые возмущения электромагнитной природы, распространяющиеся в ¿-области вдоль параллели вокруг Земли с большими фазовыми скоростями (порядка (1-20) км/с) и имеющие периоды от нескольких минут до нескольких часов. Фазовые скорости этих возмущений для дневных и ночных условий различаются почти на порядок.
Заметим, что в предшествующих работах (например [7-9]) были предложены некоторые теоретические модели, объясняющие возникновение геомагнитных пульсаций отмеченного частотного диапазона и величину фазовой скорости на основе волн магнитогидродинамического (МГД) типа. Максимальная длина таких волн не превы-
шает 103 км. (Для более крупномасштабных возмущений (103-104 км) необходим учет широтного изменения угловой скорости вращения Земли и геомагнитного поля Н0.). Причем фазовые скорости МГД-волн пропорциональны альфвеновской скорости, подсчитываемой по концентраций нейтралов [1-3, 9], в отличие от полностью ионизированной плазмы, для которой альфвеновская скорость определяется концентрацией ионов. Поэтому наблюдаемое сильное изменение фазовой скорости ото дня к ночи рассматриваемых нами крупномасштабных (~103-104 км) электромагнитных возмущений ионосферы исключает возможность отождествлять эти возмущения с медленными альфвеновскими, магнитозвуковыми или гиротропными волнами.
Существование "быстрых" планетарных волн электромагнитного типа в Е-области ионосферы теоретически было предсказано в [10], в дальнейшем подход развит в [11, 12]. В этих работах априори предполагалось существование в Е-области как электростатического, так и вихревого электрического поля. Было показано, что электростатическое поле поляризации Еф порождает в этой области "медленные" планетарные волны типа Россби, перемещающиеся вдоль параллели с фазовой скоростью порядка скорости зонального
ветра СрН_ = Ух - ЦвНр(1 + 3зт26')1/2/(Мсг0к2х), а вихревое электрическое поле Ес = -с^ЭА/Э? - "быстрые" планетарные электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль широтных кругов с фазовой скоростью Срк+ = Сн = сНр(1 + 3зт26')1/2/(4тс<?Мо). Здесь А - векторный потенциал электрического поля Е, Срк = ю/кх - фазовая скорость волны, ю -
частота, kx = 2гсД - зональное волновое число, Vx -скорость ионосферного зонального ветра, п = N/Nn - степень ионизации плазмы, N и Nn - концентрации электронов и ионов, б' = 90°-ф' - дополнение геомагнитной широты ф', г0 - радиус Земли, e - элементарный заряд, M - масса иона
или молекулы, Hp(1 + 3sin26')1/2/r0 = (р2 + )1/2,
р! = ЭНог/ду, р2 = dHoy/ду, д/ду = - Го-1 Э /Эб', Hoz = = -2Hp cos б', Н0у = = -Hp sin б', Hp = 3.2 х 105 Тл -напряженность геомагнитного поля у экватора. Медленные волны типа Россби теоретически были предсказаны в [13, 14]. В отличие от обычных волн Россби, которые распространяются лишь на средних и высоких широтах, эти крупномасштабные ионосферные волновые возмущения имеют общепланетарный характер и могут распространяться на всех геомагнитных широтах. На магнитном экваторе (ф' = 0) их фазовые скорости увеличиваются. Эти волновые структуры суть проявления собственных колебаний ¿-области ионосферы [10-12].
Экспериментальное обнаружение быстрых планетарных электромагнитных волн [15-18] непосредственно указывает на существование в Е-области реального источника генерации вихревого электрического поля.
В настоящей работе предлагается физический механизм генерации вихревого электрического поля в E-области и дается оценка величины этого поля. Показано, что в механизме возбуждения вихревого поля существенную роль играют вышеупомянутые "медленные" и "быстрые" планетарные волны.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ИСХОДНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ
Рассматриваемая ионосферная среда представляет собой частично ионизированную трех-компонентную плазму. Для ее описания нужно исходить из уравнений квазигидродинамики, которые по форме записи близки к гидродинамическим, однако отличаются от них наличием "сил трения", обусловленных соударениями частиц разного сорта [1, 19, 20]. Уравнения квазигидродинамики дают полное описание как течения, так и электрического тока и диффузионных процессов в ионосферной плазме. Для рассматриваемых крупномасштабных (X > 103 км) ионосферных возмущений, для которых диффузионные процессы, сжимаемость и неоднородность атмосферы играют второстепенную роль, можно эти уравнения существенно упростить и получить следующую систему линеаризованных уравнений [1, 9, 19, 20]:
ЭУ
Pn-jf = Fn - PeVen( Уп - Уе ) - P¡Vm( V - У ) . (1)
дУе
Pe "ЭГ = Fe - Pe ^ Уе - У'' ) -
- Pe Ven( У e - Уп ) - eNE - С Ve X Hq,
d У ¡
Pi= F¡ - PeVe¡(У' - Уe) -
- P¡V¡n(У' - Уп) + eNE + eeNУ¡ X Hq,
— . Уп = 0, V • Уe = 0, V • У,- = 0.
(2)
(3)
(4)
Здесь индексами n, e, i обозначены величины, относящиеся соответственно к молекулам, электронам и ионам; V - скорости, pn = MNn, pe = mN, pi = MN - плотности, m - масса электрона; vei, ven, vin - частоты соударений электронов с ионами и молекулами и ионов с молекулами; Fn, Fe, Fi - силы неэлектромагнитной природы, содержащие в общем случае градиенты тензора плотности потока импульса для соответствующих компонент среды.
Уравнения (1)-(4) вместе с уравнениями Максвелла, уравнениями состояния и притока тепла для каждой компоненты образуют замкнутую систему. Для дальнейшего упрощения системы (1)-(4) обратимся к результатам экспериментальных наблюдений за динамическими процессами, происходящими в ¿-области ионосферы.
Отметим, что силы Fe, Fi, и Fn пропорциональны плотности соответствующих компонент среды. А степень ионизации ионосферной плазмы П = N/Nn в области высот 80-500 км изменяется от 10-9 до 10-4 [1-3, 9, 19, 20]. Соответственно, инерцией электронов и ионов можно пренебречь по сравнению с инерцией нейтралов. Учитывая это, а также то, что при n ^ 1 величина Fn > Fe, Fi, и складывая уравнения (1)-(3), получим уравнение движения ионосферной среды для ¿-области:
Э V 1
Pn= F„ + ij х Ho, (5)
где j = eN(Vi - Ve) - плотность тока. Далее, если учесть, что в интервале высот 80-500 км силы неэлектромагнитной природы Fe и Fi, в силу n ^ 1, не могут создавать достаточно сильных токов в ионосфере [1-3], при пренебрежении инерцией электронов уравнения (2) и (3) можно записать в виде
У e - У; ) -Vf( У e - Уп ) +
Me ®e
+ Уо X ho = У e X ho,
1 д V V ■ V
-дУ = ---( У; - Уе) У; - У„) +
-; д? ю/ ' е' ю> ' ^ (7)
+ У; х Ио- У в х Ио,
2
где Ув = сЕ х Н0/Н0 - скорость электрического дрейфа, Ь0 = Н0/Н0 - единичный вектор вдоль вектора напряженности геомагнитного поля, юа = = еН0/(тас), (а = е, ;) - циклотронная частота электронов (ионов). Учитывая, что в ионосфере юе ~ ~ 107 с-1, ю; ~ (1.5-3) х 102 с-1, а частоты столкновений в интервале высот 80-500 км достигают максимальных значений \еп ~ 105 с-1, \;п ~ 104 с-1, хе; ~ 104 с-1 в нижних слоях и сильно уменьшаются с высотой, имеем \е1 /юе <§ 1, \еп /юе <§ 1, т.е. электронная компонента ионосферной плазмы всегда замагничена в этой области верхней атмосферы. Кроме этого частота рассматриваемых нами возмущений ю < 10-2 с-1, и ю/ю; < 10-4 <§ 1. С учетом этих неравенств, уравнения (6), (7) можно привести к виду
У в х Ио = Уе X Ио ^ Е = -- Уе х Ио, (8)
ю; ю;
У; = Уп + —- У; х Ио - У в х Ио. (9)
Из уравнения (8) следует, что электронная компонента движется со скоростью электрического дрейфа (Уе = Ув), а геомагнитное поле Н0 всегда "вморожено" в электронную компоненту (дЬ/д? = — х (Уе х Н0)). Умножая (8) скалярно на Н0, получим важное равенство Е ■ Н0 = 0, которое показывает, что генерируемое внутреннее электрическое поле ортогонально к геомагнитному полю Н0.
Что касается уравнения для ионов (9), на высотах 80-150 км отношение ю; /V;п ~ 10-2 < 1. Поэтому в этой области можно пренебречь двумя последними членами в правой части (9) и в результате свести его к равенству
У; = Уп. (10)
Так что в ¿-области должно иметь место полное увлечение ионов нейтральными ветрами. Действительно, многочисленные наблюдения радиофизическими методами за перемещением плазменных неоднородностей в ¿-области [1, 2, 9], а также наблюдения нейтральных ветров с помощью искусственных светящихся облаков [2, 3, 19] убедительно показывают, что в этой области верхней атмосферы имеет место полное увлечение ионн
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.