УДК: 533.951
ПЛАЗМЕННЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ И РАССЕЯНИЕ РАДИОВОЛН В ЭКСПЕРИМЕНТАХ С ЭЛЕКТРОННЫМИ ИМПУЛЬСАМИ В ИОНОСФЕРЕ © 2014 г. Н. И. Ижовкина1, Н. С. Ерохин2, Л. А. Михайловская2
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН), г. Москва, г. Троицк 2Институт космических исследований РАН, г. Москва e-mail: izhovn@izmiran.ru Поступила в редакцию 25.02.2011 г. После доработки 29.04.2013 г.
В ракетных экспериментах с электронными импульсами в ионосфере "АРАКС" и "Зарница 2" наблюдалось поглощение телеметрических радиоволновых сигналов на частотах 250 и 75 МГц соответственно, передаваемых с борта ракет. Сигналы регистрировались наземными приемниками. В эксперименте "АРАКС" наблюдалось четыре случая полного поглощения сигнала на пути его распространения. Поглощение радиоволн на частотах существенно выше плазменной и верхнегибридной может быть связано с рассеянием волн на плазменных неоднородностях. Показано, что плазменные неоднородности генерировались при затухании электростатических колебаний в областях пониженной плотности плазмы при сокращении собственного фазового объема колебаний в пространстве частота — волновой вектор с уменьшением плазменной плотности. Наблюдавшееся поглощение радиоволн могло быть связано с безотражательным рассеянием волн в неоднородной плазменной структуре.
doi: 10.7868/S0016794013060060
1. ВВЕДЕНИЕ
Эксперименты с электронными импульсами в ионосфере нацелены на исследования геофизических и плазменных процессов. Передача данных аппаратуры на борту космического аппарата производится с помощью телеметрических радиоволновых бортовых передатчиков. Используемые мощности сигналов в таких штатных системах связи обычно существенно ниже пороговых уровней волновых параметрических процессов в ионосферной плазме. Исследования неустойчивостей низкотемпературной плазмы, в частности, образования плазменных неоднородных структур в околоземном космическом пространстве, представляют интерес для физики горячей замагниченной плазмы. В активных экспериментах такие исследования проводятся при заданных начальных условиях. В проекте "АРАКС" в 1975 г. с о-ва Кергелен в Индийском океане (X ~ 4, Х-параметр Мак-Илвэйна) в ионосферу были запущены две ракеты с электронным инжектором на борту [СашЪои й а1., 1980] с целью генерации искусственного полярного сияния в магнитосопряженной области ионосферы и исследования плазменных процессов. В комплексе бортовой аппаратуры на борту ракеты были установлены анализаторы потоков электронов ЯРА с запаздывающим потенциалом [Опп§аш й а1., 1978]. Приборы ЯРА в эксперименте были использованы для определения электрического
потенциала ракеты во время инжекции электронных импульсов. Приборы RPA использовались и в других активных экспериментах с электронными импульсами в околоземной космической плазме [Hess et al., 1971; Winckler, 1974]. В эксперименте "АРАКС" c помощью RPA можно получить несколько кривых зависимости от запаздывающего потенциала для интенсивности потоков электронов на ракету в течение одного длинного импульса электронного инжектора. Использованная в эксперименте телеметрическая аппаратура работала на частоте 250 МГц, длина волны ~1м [Charles et al., 1980]. Во время инжекции электронных импульсов с борта ракеты в ионосферу и в паузах между импульсами наблюдалось падение уровня мощности (поглощение) телеметрического сигнала, вызванного рассеянием сигнала на плазменных неоднородностях. Частота волн существенно, более чем на порядок величины, превышала плазменную и верхнегибридную частоты невозмущенной ионосферы и в несколько раз была выше указанных частот плазмы при инжекции электронных импульсов. Поглощение радиосигналов наблюдалось и в эксперименте "Зарница 2". При этом бортовая телеметрия работала на частоте 75 МГц, длина волны ~4 м [Charles et al.,1980].
В этой работе показано, что при инжекции электронных импульсов с борта ракеты в ионосферу в возмущенной области ионосферы на пути распространения радиолуча могли генерироваться
плазменные неоднородности с характерными размерами, сопоставимыми с длиной волны телеметрических передатчиков. Модуляция по плотности неоднородной плазмы могла быть существенной при затухании электростатических колебаний в областях пониженной плотности плазмы. Наблюдавшиеся с помощью приборов RPA электронные потоки могли стимулироваться затуханием электростатических колебаний и поляризационным дрейфом заряженных частиц. Неоднородные плазменные структуры в околоракетной области могли инициироваться при электростатической неустойчивости горячей (для ионосферы — низкотемпературной) замагниченной плазмы. Это могло быть следствием немонотонной зависимости диэлектрической проницаемости электростатических колебаний от пространственных координат при монотонной начальной зависимости плотности плазмы от координат [Ижовкина и др., 2000]. Наблюдавшееся поглощение телеметричесого сигнала могло быть связано с безотражательным рассеянием радиоволн в неоднородной плазменной структуре [Ерохин и Михайловская, 2004].
Следует отметить, что в эксперименте "Аракс" был использован отделявшийся от ракеты носовой конус с комплексом приборов для измерений волнового излучения в широком спектральном диапазоне [Kushnerevsky and Pulinets, 1981; Dechambre et al., 1981]. Для запуска ракеты на магнитный север ракета и носовой конус находились в одной геомагнитной силовой трубке на расстоянии поперек силовых линий геомагнитного поля менее километра. Для сопоставления данных по рассеянию и/или поглощению телеметрического сигнала в экспериментах "Зарница 2" и "АРАКС" были использованы телеметрические передатчики, находившиеся на борту ракеты, и наземные приемники. Во всех запусках ракет с электронным инжектором на борту наблюдалось ослабление телеметрического сигнала во время работы электронного инжектора. Частота передаваемого телеметрического сигнала существенно выше частот излучения плазмы с инжектированным электронным пучком.
2. ДАННЫЕ ИЗМЕРЕНИЙ
В работе исследуются данные эксперимента "АРАКС" для запуска ракеты на геомагнитный север.
В эксперименте "АРАКС" были использованы два одинаковых прибора RPA, направленные под углом 2 один относительно другого, к оси ракеты и направлению инжекции электронных импульсов. В конструкции прибора был использован коллектор и система параллельно установленных сеток [Gringauz et al., 1978]. Период изменения потенциала в приборе RPA составлял
0.64 c и был синхронизован с работой электронного инжектора. При пилообразном изменении потенциала во времени время нарастания потенциала составляло 0.56 с и убывания — 0.12 с. Запись величины тока на коллектор и запаздывающего потенциала производилась каждые 30 мс. Запаздывающий потенциал изменялся пилообразно во времени для одного анализатора от 9 до 300 В, для другого — от 90 до 3000 B. Это исключало регистрацию низкоэнергичных электронов. Диапазон изменения потенциала был поделен на 18 интервалов таким образом, что ступенька изменения потенциала для прибора, работавшего в диапазоне 9—300 В, изменялась от 3 до 20 В, а для прибора с диапазоном 90—3000 В, соответственно, от 30 до 200 В. Динамический диапазон измеряемого тока на коллектор прибора составлял 10-10— 10-6 А, максимум плотности тока не превышал
2 х 10-7 А/см2. Если предположить, что электрический заряд ракеты полностью нейтрализовался электронными потоками из окружающей ракету плазмы, нейтрализующий электронный поток составляет по плотности 2.5 х 10-5А/см2 при
полной площади поверхности ракеты ~2 х 104 см2. Это означает, что максимальная плотность тока, измеряемого прибором [Gringauz and Shutte, 1980], на два порядка ниже ожидаемого нейтрализующего тока. При этом в простой модели нейтрализации ракеты электронным потоком из окружающей ракету плазмы предполагалось, что потенциал ракеты можно оценить по скачку электронного потока на коллектор прибора. Для коротких инжектируемых электронных импульсов длительностью т = 0.02 c такая модель оценки потенциала не годится. Достаточно сложно оценить потенциал и для длинных импульсов в случае плавного изменения тока на коллектор при изменении запаздывающего потенциала. В этой работе рассмотрены измерения для наиболее длинных импульсов, инжектированных в эксперименте с питч — углом относительно геомагнитного поля ~6°. Генератор запаздывающего потенциала был синхронизован с работой электронного инжектора таким образом, что в течение каждого длинного импульса с помощью анализатора RPA измерялись четыре кривых зависимости тока на коллектор от запаздывающего потенциала. Для усиления нейтрализующего ракету тока в эксперименте был использован цезиевый плазмогенератор с эффективным током электронов порядка 10 А [Morozov et al., 1978].
При анализе данных измерений было обнаружено, что характеристики кривых тока на коллектор прибора существенно не изменялись при инжекции серий электронных импульсов с начальной энергией электронов 27 и 15 кэВ. Включение и выключение плазмогенератора также слабо
влияли на общий вид кривых токов на коллектор. Резкое падение тока на коллектор наблюдалось во всех случаях измерений при величине запаздывающего потенциала VR > 200 В [Gringauz and Shutte, 1980]. При этом для VR < 200 В во всех случаях измерений наблюдались токи насыщения — прибор "зашкаливало". Инжекция серий электронных импульсов при начальной энергии электронов 27 и 15 кэВ при силе тока ~0.5 А в верхнюю и нижнюю полусферы относительно геомагнитной силовой линии производилась в диапазоне высот ~ 100—200 км. При этом на нисходящей части траектории ракеты включался плазмогенератор [Cam-bou et al., 1980]. Таким образом, параметры плазмы, в которую производилась инжекция электронных импульсов, были существенно изменчивы. Можно предположить, что потенциал ракеты во время инжекции электронных импульсов в среднем соответствовал величине ~200 B. Следует отметить, что на высотах более 115 км скачки тока насыщения на электронный коллектор становятся менее крутыми. Влияние вращения ракеты вокруг оси на ориентацию прибора относительно геомагнитного поля в данных по току
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.