КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 1, с. 75-81
УДК 537.876
ВЛИЯНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ ОНЧ ВОЛН В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
© 2014 г. Д. Л. Пасманик, А. Г. Демехов
*Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород pdl@aurora.appl.sci-nnov.ru; andrei@appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 28.03.2013 г.
В рамках приближения геометрической оптики исследуются особенности распространения ОНЧ волн в ионосфере и магнитосфере Земли при создании в ней крупномасштабных искусственных плазменных неоднородностей нагревными стендами типа НАЛЯГ и "Сура". Профиль концентрации и ионного состава плазмы для расчета лучевых траекторий задается на основе вычислительной модели ионосферы $АМ12, модифицированной для учета воздействия на ионосферу ВЧ излучения нагревных стендов. В результате воздействия нагревного стенда на ионосферу может возникать область с повышенной концентрацией плазмы, вытянутая вдоль геомагнитного поля (до высот порядка радиуса Земли) и имеющая достаточно небольшой размер поперек него (~1°). В работе исследуются лучевые траектории волн, распространяющихся с высот около 100 км из различных начальных точек в области, где создано подобное возмущение, и имеющих различные начальные углы волновой нормали. Источником таких волн могут быть как молниевые разряды, так и модулированный ВЧ нагрев ионосферы. На основе проведенного анализа показано, что наличие подобных возмущений плотности может приводить к существенному изменению траекторий распространения волн, в частности, к эффективному каналированию ОНЧ волн в области возмущения и увеличению интервала начальных углов распространения волн, которые могут дойти до ионосферы в противоположном полушарии.
Б01: 10.7868/80023420614010075
1. ВВЕДЕНИЕ
Проблема распространения низкочастотных волн в ионосфере и магнитосфере Земли является актуальной на протяжении последних лет. Сложность ее решения обусловлена, в частности, наличием неоднородностей распределения плазмы. Эти неоднородности могут быть как естественного, так и искусственного происхождения. Искусственные неоднородности могут создаваться при воздействии на ионосферу нагревными стендами, такими как НАЛЯГ и "Сура" (см., например, [1, 2]).
Одним из широко применимых методов исследования распространения низкочастотных волн в ионосфере и магнитосфере Земли при учете неоднородного распределения плазмы и магнитного поля являются методы геометрической оптики [3]. Развитие этих методов применительно к распространению в магнитосфере было начато более 30 лет назад [4, 5]. Полученные результаты успешно использовались для интерпретации различных экспериментальных данных (см., например, [6] и ссылки в этой работе). В настоящее время методы геометрической оптики активно используются для изучения особенностей распространения хоровых излучений [7], включая не
только исследование самих траекторий, но и амплитудных характеристик сигналов [8]. В работах [9—11] методы геометрической оптики использовались для интерпретации данных полученных на спутниках Magion-5, Cluster и DEMETER.
Насколько нам известно, на данный момент не существует работ по исследованию влияния искусственных плазменных неоднородностей на распространение ОНЧ волн, распространяющихся от источников у поверхности Земли, в которых бы использовалось корректное модельное распределение плазмы в области возмущения.
Так например, исследованию задачи о распространении ОНЧ волн с учетом искусственно созданной неоднородности в области нагрева проводилось в работе [12]. В работе рассмотрено влияние неоднородности плазмы, созданной на высотах около 200 км при воздействии ВЧ нагревного стенда Arecibo, расположенного на низких широтах (~30°), на захват волн в магнитосферные дакты с повышенной концентрацией плазмы. Авторами показано, что доля энергии от излучателя, поступающая в магнитосферный дакт зависит от взаимного расположения этого дакта и области искусственного возмущения плазмы. Однако для
моделирования распределения плазмы использовалась модель диффузионного равновесия с добавлением эмпирического гауссового профиля для искусственного возмущения плотности плазмы (на высотах от 220 до 375 км) и для распределения плазмы в дакте. Вытягивание искусственной неоднородности в магнитосферу и изменение параметров плазмы вдоль магнитной силовой трубки выше области нагрева не учитывалось. Также в [12] не учитывалось изменение ионного состава плазмы при воздействии нагревного стенда.
В представленной работе профили концентрации и ионного состава плазмы для расчета лучевых траекторий задаются на основе вычислительной модели ионосферы 8ЛМ12, модифицированной для учета воздействия на ионосферу ВЧ излучения нагревных стендов. В результате такого воздействия может возникать область с повышенной концентрацией плазмы, вытянутая вдоль геомагнитного поля до высот порядка радиуса Земли. В работе исследуется влияние такой искусственной неоднородности на распространение свистовых волн от источника, расположенного на высоте около 100 км под областью, где создано возмущение плазмы. Источниками таких волн могут быть как молниевые разряды, так и модулированный ВЧ нагрев ионосферы.
2. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ
В общем случае уравнения геометрической оптики для электромагнитных волн записываются в следующем виде:
dr
d t
dH д к /
'дН
дю'
dk = _ дН/ дН
d t дГ дю'
(1)
Н(г, к, t) = An + Bn + C = 0,
2 2 A = 8 sin © + n cos ©,
2 2 2 B = (g - 8 - 8n)sin © - 28П,
C = n(82 - g2).
(2)
Здесь п = |к|с/ю — показатель преломления, © — угол между волновым вектором и магнитным полем, б, g и п — компоненты тензора диэлектрической проницаемости. В интересующем нас случае, когда частота волны много больше протон-
ной гирочастоты (ю > ^н), компоненты тензора могут быть записаны в следующем виде:
е = 1 -
юр
22 ю - юН
2
ю p юН
2
m ю-MMe 2 ,
(3)
22 ю(ю - юН)
1 Юр П = 1---
ю
2
где ю^ и юн — электронные плазменная и гиро- частоты, т и М — массы электрона и протона, соответственно. Ионный состав плазмы описывается при помощи эффективной массы Ме(Г, определяемой как
1 = у1 а-
Meff = ^ M-
(4)
где а1 и Mi — доля и масса (в атомарных единицах AMU) i-ой ионной составляющей, соответственно.
Для не слишком больших значений магнитной оболочки (L < 7) в ионосфере и внутренней магнитосфере Земли можно пренебречь возмущением геомагнитного поля и рассматривать его в ди-польном приближении:
B = 0.314 [ Гс ] ( r/R0 )-
V1 + 3sin\,
где г — расстояние от центра Земли, Я0 — радиус Земли, X — геомагнитная широта.
С учетом геометрии системы наиболее удобным представляется использование ортогональной дипольной системы координат s, у), связанной со сферическими координатами (г, X, у) следующими соотношениями:
Z = Rcos2X, s = R0 sin X.
(5)
где г — пространственная координата луча, к — волновой вектор, ю — круговая частота, Н — дисперсионное соотношение, которое в рамках предположения, что на распространение волн оказывает влияние только холодная компонента плазмы, имеет вид:
Отметим, что координата s представляет собой, по сути, длину вдоль силовой линии магнитного поля, измеряемую от экваториальной плоскости, а координата Z = L-1. В этой системе координат компоненты волнового вектора к и ks являются, соответственно, поперечной и продольной его компонентами по отношению к магнитному полю.
Ниже ограничимся рассмотрением лучей, распространяющихся в меридиональной плоскости, то есть у = const. В этом случае система уравнений геометрической оптики (1) в дипольной системе координат записывается в следующем виде:
ds = дН/дН dZ = дН/дН
dt дpj дю' dt дрц дю'
др = _дН/дН др = _дН/дН
dt д s / дю, dt дС / дю,
r
Рис. 1. Невозмущенные пространственные распределения холодной концентрации плазмы N и эффективной массы полученные при помощи модели 8АМ12 (5).
где кц = р/к, к^ = р^/к^, показатель преломления в дисперсионном соотношении (2) записывается как
п = О,/ )2 + (Д/Ае )2,
(7)
угол © между волновым вектором и магнитным полем равен
(8)
© = агс1ап(р^/к^).
Здесь к8 и кг — коэффициенты Ламе:
Н, =
к, =
еоз
^(г/ Лр)3 , л/Г+3":з1п\ (г/ Лр )2 . лТГ + 3 зт А,
(9)
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННЫХ РАСЧЕТОВ
При выполнении численных расчетов на основе системы уравнений (6) использовались профили концентрации и ионного состава плазмы, полученные из модели 8АМ12 [13, 14]. Данная модель была модифицирована для учета возмущений распределения плазмы при воздействии на ионосферу нагревными стендами. Для этого в уравнение для температуры плазмы был добавлен член, описывающий источник с гауссовым профилем по высоте и широте [15, 16]:
£ = ^ехр < —
р
5г
^ - ^ р^2 5А
(10)
где — мощность источника, z0 = г — и — координаты центра области нагрева, 5z и 5А — ее характерные масштабы. При моделировании использовались следующие значения этих параметров: ¿0, = 2 • 103 К/с, z0 = 275 км (что соответствует положению максимума /-слоя в невозмущенном
состоянии /2тах), и = 63.5° (что соответствует широте стенда НААЯР), 5z = 10 км и 5А = 1°.
Расчеты лучевых траекторий проводились для двух случаев — невозмущенная ионосфера и ионосфера с возмущением плазмы, обусловленным ВЧ нагревом. На рис. 1 приведены невозмущенные профили концентрации N и эффективной массы Ме№ вдоль (координата s) и поперек (магнитная оболочка £) геомагнитных силовых линий, полученные при помощи модели 8АМ1 2. На рис. 2 представлены профили относительного изменения этих величин под воздействием нагрева. Через несколько минут после включения источника нагрева на высоте от ~700 до ~3000 км формируется область с повышенной концентрацией плазмы и повышенным содержанием тяжелых ионов (увеличение Мей). Отметим, что в самой области нагрева концентрация плазмы понижается за счет ее выноса, обусловленного нагревом электронов. Повышение эффективной массы ионов связано с подъемом тяжелых ионов, увлекаемых нагретыми электронами. В целом формирование профиля возмущения плазмы определяется процессами нагрева и переноса плазмы в геомагнитных силовых трубках. Более детальное обсуждение этих процессов можно найти в работах [15,16].
Результирующи
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.