ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2013, том 53, № 3, с. 345-353
УДК: 533.951
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР В НЕУСТОЙЧИВОЙ ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
© 2013 г. Н. И. Ижовкина
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, (ИЗМИРАН),
г. Троицк, г. Москва e-mail: izhovn@izmiran.ru Поступила в редакцию 05.05.2011 г.
После доработки 13.07.2011 г.
Вихревая структура придает дополнительную устойчивость плазменным неоднородностям, вытянутым вдоль силовых линий магнитного поля. Плазменные неоднородности с размерами ~ несколько десятков километров регистрируются в верхней ионосфере с помощью аппаратуры на ракетах и спутниках. Регистрируемый масштаб неоднородностей определяется пространственно-временным разрешением аппаратуры. В экспериментах с бариевыми облаками и струями в ионосфере наблюдались неоднородные структуры при расслоении плазменной неоднородности на страты с характерными размерами страт поперек геомагнитного поля ~ метры—десятки метров. В работе показано, что в неустойчивой плазме возможна генерация плазменных вихрей при нарушении квазинейтральности плазмы. Появление собственного магнитного поля вихря вызовет локальные возмущения геомагнитного поля. В неоднородной плазме с неустойчивым электронным компонентом возможны взаимодействия между плазменными вихрями. Такие взаимодействия связаны с трансформацией фазового объема свободных электростатических колебаний в пространстве частота — волновой вектор.
DOI: 10.7868/S0016794013030097
1. ВВЕДЕНИЕ
Генерация и разрушение плазменных неоднородностей представляют интерес в исследованиях физических и физико-химических процессов в разнообразных природных и искусственных плазменных образованиях. В пространственно-временной картине электростатических колебаний и электромагнитных излучений проявляется электродинамика неоднородных плазменных образований в ионосфере и магнитосфере [Ижовкина и др., 1999, 2000, 2008; Ижовкина 2010; Гдалевич и др., 2003, 2006]. Инкременты роста электромагнитных волн в неустойчивой магнитосферно-ионосферной плазме существенно ниже инкрементов электростатических колебаний. На образование неоднородных плазменных структур в ионосфере могут влиять волны разной природы. Например, пакеты акустико-гравитационных волн, затухающие в динамо — области ионосферы, расположенной на высотах ~100—130 км, могут стимулировать образование неоднородных плазменных структур как в динамо — области ионосферы, так и выше этой области. Электромагнитные волны могут вызвать стимулированное высыпание потоков заряженных частиц из магнитосферы в ионосферу, что также может быть причиной появления ионосферных плазменных неоднородностей. Электростатическая неустойчивость ионосферной плазмы — основная причина формирования неоднородных плазмен-
ных структур с размерами неоднородностей в широком пространственном диапазоне от нескольких метров до сотен километров. Верхний предел ограничен размерами самой природной системы. С учетом неустойчивости электронного компонента плазмы можно предположить, что возможно появление короткоживущих малых по амплитуде плазменных неоднородностей сантиметрового диапазона. В этой работе рассматриваются плазменные неоднородности в замагниченной плазме с размерами поперек геомагнитного поля, превышающими ларморовский радиус ионов. Вихревая структура неоднородностей способствует их дополнительной устойчивости, следовательно, и возможности их обнаружения и исследований [Незлин и Черников, 1995; Абурджаниа, 2006; Моисеев и др., 1982, 1983].
В работе показано, что в неустойчивой плазме возможны генерация плазменных вихрей при нарушении квазинейтральности плазмы и масс-энер-гетический обмен между отдельными плазменными вихрями. Появление собственного магнитного поля вихря вызовет локальные возмущения геомагнитного поля. Указанные эффекты связаны с трансформацией фазового объема свободных электростатических колебаний в пространстве частота — волновой вектор в неоднородной плазме. В этом механизме следует отметить особую роль быстро нарастающих мелкомасштабных колебаний электронного компонента ионосферной плазмы в
широкои полосе частот, захватывающей несколько первых гармоник гирочастоты электронов [Ижовкина и др., 1999, 2000, 2008]. Области с нулевым градиентом плотности плазмы окружены шубой поляризационных потоков заряженных частиц, генерируемых при затухании электростатических колебаний в областях с ненулевыми градиентами плазменной плотности.
Генерация вихревых плазменных структур в за-магниченной плазме с неустойчивым электронным компонентом, по-видимому, связана с потоками энергии и частиц при развитии мелкомасштабной электростатической турбулентности. В работе [Ижовкина, 2010] показана возможность формирования крупномасштабных областей пониженной плотности плазмы в процессе развития электростатической турбулентности и дрейфе плазменных вихрей, увлекаемых планетарным гравитационно-тепловым ионосферным возмущением при смещении подсолнечной точки.
2. МАСС-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЕННЫХ ВИХРЕЙ
В этой работе исследуется возможность масс-энергетического обмена между вихревыми структурами. Зарождение плазменных неоднородно-стей может быть инициировано немонотонным расслоением по плотности крупномасштабной плазменной неоднородности. Такое расслоение может быть связано с немонотонной зависимостью диэлектрической проницаемости электростатических колебаний от пространственных координат при монотонной начальной зависимости от координат плазменной плотности [Ижовкина и др., 2000]. Поляризационные потоки заряженных частиц из областей нагрева плазмы электростатическими колебаниями могут инициировать формирование плазменных вихревых структур, при этом локально в области распространения потоков квазинейтральность плазмы может нарушаться. Электродинамика вихревых структур в ионосфере играет важную роль в формировании крупномасштабных плазменных неоднородно-стей, волноводных каналов для распространения электромагнитных волн. Вихревые структуры могут существенно влиять на диффузию плазмы и плазмо-химические процессы в ионосфере и других плазменных образованиях.
Для изучения влияния взаимодействия вихревых структур на сохранение таких структур, их затухание или усиление, рассмотрим модель вихревой структуры. Подобные модели представлены в работах [Незлин и Черников, 1995; Абурджаниа, 2006; Моисеев и др., 1982, 1983].
Можно предположить, что для самосогласованного плазменного вихря плотность плазмы,
температура и потенциал вращающегося электрического поля связаны распределением Больц-мана [Незлин и Черников, 1995]. Предположим, что плотность плазмы однородна в отсутствие электрического поля, удерживающего плазменную неоднородность — вихрь.
Для вывода уравнения сохранения вихря используются уравнения движения и непрерывности в плоскости, ортогональной магнитному полю, для ионного компонента плазмы
щ + ыых + vЫy - п01у + (е/М)Ф х + V„ы = 0, (1)
V, + ЫУ х + уу у + Омы + (е/М)Ф у + v,„v = 0, (2)
N + (Мы) х + (Му) у = 0,
(3)
где М — масса иона, О ш — циклотронная частота иона, и, V — компоненты скорости иона по осям х, у; У;„ — частота столкновений ионов с нейтралами, N — концентрация частиц ионизованного компонента плазмы, Ф — потенциал электрического поля. При рассмотрении плазменных процессов в масштабах времени т < v(~„1 затуханием плазменного вихря при столкновениях заряженных частиц (ионов) с нейтралами можно пренебречь (плазменный вихрь сохраняется). Дифференцируя первое уравнение (1) по у, второе (2) — по х, и вычитая первое из второго, получим
(Vх - Ыу), + ы(ух - Ыу)х + У(Ух - Ыу)у +
+ (Vх - Ыу)(Ых + Vу) + (4)
+ По(Ых + Vу) + vi„(Ыx - Vу) = 0.
Используя проекцию ротора скорости на ось г, равную = vx — иу, можно вывести с учетом уравнения непрерывности (и несжимаемости) уравнение сохранения потенциальной завихренности для бесстолкновительной плазмы = 0)
£ £
(О + О^) = 0.
(5)
Учитывая, что компоненты дрейфовой скорости составляют и = -еФ у/(МП0,), V = еФ х/(МП0,) и ротор дрейфовой скорости
О' = Vх - Ыу = е(Фхх + фуу)/(Мад, (6)
из уравнения сохранения (5), производя дифференцирование с учетом зависимости N от у и Ф, можно получить уравнение потенциала плазменного вихря
(АФ), --Ф,ДФ +--—
' Т МП0
-АФ е х
ф5Ф51пТ-ФдФд 1пТ
дх ду
М
ду дх -/ (Ф, АФ) = 0,
где I(Ф, ЛФ) = Фх(АФ)у - Фу(АФ)х - векторная нелинейность, якобиан. Для Ф 0 следует АФ Ф 0, и уравнение (7) может быть представлено в виде
д 1п(АФ) _ е ф
дг
Т
е| фдФд 1пТ фдФд 1пТ' +
МО,01 Ту дх ду
ду дх
+
ма
-I (Ф,1п(АФ)) = 0,
(8)
где I (Ф,1п(АФ)) = ф х (1п(АФ))у - Ф у(1п(АФ))х-Для фронтального температурного скачка при д 1пТ/ду > д 1пТ/дх при скорости дрейфа вихря используя преобразование д/д? = -VЛц,д/дх, можно получить уравнение, похожее на обобщенное уравнение Хасегава-Мимы (ОХМ-уравне-ние), [Незлин и Черников, 1995]
д дх
-V <ы 1п(АФ) + - V +
е д 1п Т Ф2
Т
МПЫТ
ду 2
+
(9)
+
ма
-I (Ф, 1п(АФ)) = 0,
где при условии равенства нулю первого слагаемого в нуль обращается и второе, связанное с векторной нелинейностью. Иными словами, если функция в квадратных скобках в выражении (9) не зависит от х, член, связанный с векторной нелинейностью, равен нулю. В отличие от вывода ОХМ-уравнения [Незлин и Черников, 1995], было использовано предположение об однородности плазмы при Ф = 0. При Ф 0 наложение ди-польного температурного возмущения позволило выделить условия, при которых дисперсия и нелинейность Кортевега-де-Вриза взаимно скомпенсированы. При этом и векторная нелинейность обращается в нуль.
Электрическое поле плазменного вихря составляет
Е = 1п(^/^0)(У Т)/е + (Т/е)У 1п N,
(10)
скорость вращения частиц плазмы в скрещенных полях, электрическом поле вихря и внешнем магнитном поле, соответственно, равна
V, = 1 с/ (еВ
{1n(N/N0) [V Т х В] + Т[У 1п N х В]},
(11)
если можно предположить, что для самосогласованного плазменного вихря концентрация частиц плазмы, температура электронного компонента и потенциал вращающегося электрического поля связаны распределением Больцмана [Незлин и Черников, 1995]. Плотность энергии Ж1 вихря сос
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.