ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2008, том 48, № 5, с. 660-670
УДК 533.951
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ И ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ В НЕОДНОРОДНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУКТУРЕ НА ГЕОМАГНИТНОМ ЭКВАТОРЕ
© 2008 г. Н. И. Ижовкина1, И. С. Прутенский1, С. А. Пулинец1, Н. С. Ерохин2, Л. А. Михайловская2, З. Клос3, Х. Роткель3
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова
РАН, Троицк (Московская обл.) 2Институт космических исследований РАН, Москва 3Space Research Center, CBKRAN, Bartycka, 18a, 00-716, Warsaw (Poland) Поступила в редакцию 04.06.2007 г. После доработки 17.10.2007 г.
Представлены данные измерений широкополосного волнового излучения в верхней ионосфере в области геомагнитного экватора (спутниковый эксперимент "АПЭКС"). Показано, что наблюдавшееся электромагнитное излучение в ямке плазменной плотности могло быть связано с образованием крупномасштабной плазменной полости в окрестности геомагнитной экваториальной поверхности. При затухании плазменных вихревых структур и электростатических колебаний, распространяющихся поперек геомагнитных силовых линий и пересекающих геомагнитную экваториальную поверхность, в области нагрева могла образоваться крупномасштабная ямка плазменной плотности. Яркость наблюдавшегося электромагнитного излучения на частотах выше собственных частот плазмы, локальной плазменной и/или верхнегибридной, уменьшается с ростом указанных собственных частот.
PACS: 94.30.Tz
1. ВВЕДЕНИЕ
Образование неоднородных плазменных структур, распространение электромагнитных и электростатических возмущений в таких структурах представляют интерес для физики плазмы и геофизики [Абурджаниа, 2006; Моисеев и др., 1982, 1983; Незлин и Черников, 1995; Иаегепёе1, 1973; ОёакукИ е! а1., 1998; Ерохин и Михайловская, 2004; Ерохин и Шалимов, 2004; Ижовкина и др., 1996-2006].
Широкополосные спектры электростатического излучения электронного компонента ионосферной плазмы, измеренные в экспериментах на спутниках "Интеркосмос-19" [Ижовкина и др., 1996] и "АПЭКС" [Ораевский и др., 1992; Ижовкина и др., 1996, 1999, 2001, 2004, 2006], зависят от геофизических условий. Можно отметить, что эта зависимость проявляется, например, в неоднородном геомагнитном поле [Ижовкина и др., 2004] и на терминаторе день-ночь освещенности ионосферы [Ижовкина и др., 2006]. Данные измерений можно использовать для исследований электродинамических параметров плазменных неоднородностей с размерами I > гН1, где гт — ларморовский радиус ионов. По данным измерений спектров волнового излучения на частотах порядка частот свободных колебаний электронного компонента плазмы и на более высоких
частотах можно обнаружить влияние плазменных неоднородных структур верхней ионосферы на распространение электромагнитных волн. В этой работе представлены данные измерений широкополосного волнового излучения в верхней ионосфере в области геомагнитного экватора (спутниковый эксперимент "АПЭКС"). Показано, что в неоднородной плазменной структуре в верхней экваториальной ионосфере наблюдалось безотражательное рассеяние электромагнитных волн на частотах выше локальной плазменной. Формирование неоднородной структуры плазмы могло быть связано с гравитационно-диссипативной неустойчивостью плазмы на высотах ниже максимума ионосферного /-слоя. Затухание электростатических колебаний электронного компонента плазмы в плазменных ямках (областях пониженной плазменной плотности) могло привести к росту градиентов плотности плазмы и углублению плазменных ямок. Важную роль в процессах образования неоднородной плазменной структуры играют возбуждение и затухание плазменных вихрей. Крупномасштабные возмущения ионосферной плазмы могут быть связаны с атмосферными при возможном усилении атмосферных волн на ветровых разрывах. Нагрев ионосферной плазмы в области геомагнитного экватора и образование крупномасштабной неоднородной плазменной структуры могли быть связаны с затуханием плаз-
менных вихрей и электростатических колебаний, распространяющихся поперек геомагнитных силовых линий и пересекающих геомагнитную экваториальную поверхность. В точках пересечения геомагнитных силовых линий с геомагнитной экваториальной поверхностью напряженность геомагнитного поля для заданной силовой линии минимальна. Геомагнитное поле Земли не дипольное. Необходимо учитывать влияние геомагнитных аномалий, например, южно-атлантической геомагнитной аномалии. Самосогласованные плазменные вихревые структуры (плазменные вихри) — плазменные неоднородности, захваченные вращающимся электрическим полем, с радиусом неоднородности, превышающим ларморовский радиус ионов.
В этой работе представлены результаты исследований данных измерений на спутнике "АПЭКС" широкополосного волнового излучения в верхней ионосфере в области геомагнитного экватора на ночной стороне.
661
собственных частот электростатических колебаний электронного компонента плазмы. Это соответствует образованию крупномасштабной ямки плазменной плотности. На частотах ~95., 8.5, 7 и 6 МГц в провале плотности зарегистрированы излучения в радиовещательных диапазонах, соответствующих длинам волн ~31.6, 35.3, 42.9 и 50 м. Частоты этих излучений существенно превышают локальную плазменную и/или верхнегибридную частоту. Наиболее интенсивное излучение наблюдается в районе 9.5 МГц. Оно может быть связано с искусственными источниками электромагнитного излучения (например, радиовещательными или радиосвязными станциями). Появление электромагнитного излучения в ямке плазменной плотности может служить индикатором образования крупномасштабной плазменной полости. В полости в сравнении с более плотной плазмой в стенках полости электромагнитные волны длиною в десятки метров могли распространяться относительно свободно.
2. ДАННЫЕ ИЗМЕРЕНИЙ
Спутник "АПЭКС" (Активный Плазменный ЭКСперимент) был выведен в декабре 1991 г. с космодрома "Плесецк" на околоземную полярную эллиптическую орбиту с наклонением 82.5°, апогеем ~3000 км и перигеем ~440 км. Спутник имел трехосную стабилизацию.
Волновые измерения на борту спутника проводились плазменным радиоспектрометром (ПРС-3), который представлял собой приемник с чувствительностью по входному сигналу 0.5 мкВ и шаговой перестройкой по частоте в диапазоне частот 0.1— 10 МГц. Шаг частотной перестройки составлял 25/50/100 кГц, полоса пропускания по входу приемника — 15 кГц и динамический диапазон изменения уровня входного сигнала — 80 дБ. В качестве датчика прибора использовалась электрическая дипольная антенна общей длиной 15 м, ориентированная параллельно земной поверхности.
На рис. 1 приведен динамический спектр излучения плазмы для прохождения спутником экваториальной аномалии в евро-африканском долготном секторе 25 мая 1992 г. (виток 1892). Сплошными светлыми линиями на рисунке отмечены первые три гармоники циклотронной частоты электронов. Измерения проводились в маг-нитоспокойных условиях: Кр ~ 2, ЕКр = 19, Лй ~
--22 нТл. В 22:52 иТ (МЕГ = 1.2 ч) спутник пересек
геомагнитный экватор. На рисунке плазменная частота приблизительно соответствует частоте обрезания спектра излучения. Плазменная и верхнегибридная частоты отличаются на десятые доли величины частоты для рассматриваемого участка траектории спутника. В области геомагнитного экватора наблюдается сокращение сверху спектра
3. МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ ПОЛОСТИ.
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ВОЗМУЩЕНИЯ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЕ В ОБЛАСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ЭКВАТОРА
Предположим, что частота и волновой вектор возмущений стремятся к нулю (ю —»- 0, к —0). Тогда можно представить величину тока в крупномасштабном гравитационно-тепловом возмущении, связанном со смещением подсолнечной точки, в виде
^ = с[Б0УР]/В2 - ср[Воg]/В0,
(1)
где g — ускорение для гравитационного поля; В0 — напряженность геомагнитного поля, с — скорость света; Р — давление; р — плотность плазмы. Для оценок электрического поля и скорости ортогонального к геомагнитному полю смещения такого возмущения можно использовать поперечную проводимость для электронного компонента в приближении холодной плазмы
^ = СТрЕ± + он [ Во ] /В0, у± = с[ Е± Во ] /В0,
Стр = е2 п V/[ те (Д + у°)], Стн = е2пПе / [ те (Д + V0)],
(2)
(3)
(4)
где е, те, ve — заряд, масса и частота столкновений электронов с компонентами ионосферы; п — концентрация плазмы; Де — циклотронная частота электронов.
255
МГц 10 9 8 7 6 5 4 3 2
0 1
иТччммсс 224020 МЦГчччч 1.55 X, град
I, град Н, км
250 200 150 100 50 0
250 200 150 100 50 0
250 200 150 100 50
0
22.44 68.87 934.97
225020 1.27 28.35 16.93 500.69
225925 1.09 31.10 - 56.21 495.66
10 МГц
а
в
6
1
2
3
4
5
7
8
9
Рис. 1. Динамический спектр интенсивности волнового излучения (относительные единицы) при пересечении спутником экваториальной аномалии 25 мая 1992 г. в евро-африканском долготном секторе в зависимости от мирового времени ИТ, магнитного локального времени МЬТ, долготы X, магнитного наклонения I и высоты Н для частотного диапазона 0.1—10 МГц. Белыми сплошными линиями на рисунке представлены расчетные значения гармоник гиро-частоты электронов вдоль траектории движения спутника. Буквами а, б, в указаны моменты времени, для которых представлены индивидуальные спектры на панелях а, б, в.
Наблюдалось (рис. 1) увеличение интенсивности волнового сигнала для диапазона частот ~(9— 10) МГц в верхней ионосфере в плазменной ямке в области геомагнитного экватора. Интенсивность излучения уменьшалась в плотных стенках плазменной ямки. Поскольку частота наблюдавшегося яркого излучения выше локальной плазменной и верхнегибридной частоты в несколько раз, можно предположить, что регистрировалось электромагнитное излучение, возможно, от искусственного источника. Наблюдавшийся "захват" этого излучения в плазменную ямку (крупномасштабную неоднородность в виде полости) имел характер безотражательного рассеяния волн на потенциальном барьере [Ерохин и Михайловская, 2004]. Образование плазменной ямки может быть связано с нагревом плазмы затухающими в плазменной ямке электростатическими колебаниями [Ижовкина и др., 1996, 1999, 2001, 2004, 2006] и затухание
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.