научная статья по теме ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР В НЕУСТОЙЧИВОЙ ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР В НЕУСТОЙЧИВОЙ ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ»

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.

Показать целиком