научная статья по теме ПОТОКИ ЭНЕРГИИ И ЧАСТИЦ В НЕУСТОЙЧИВОЙ ПЛАЗМЕ С ВИХРЕВЫМИ СТРУКТУРАМИ В ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЕ В НЕОДНОРОДНОМ ГЕОМАГНИТНОМ ПОЛЕ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ПОТОКИ ЭНЕРГИИ И ЧАСТИЦ В НЕУСТОЙЧИВОЙ ПЛАЗМЕ С ВИХРЕВЫМИ СТРУКТУРАМИ В ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЕ В НЕОДНОРОДНОМ ГЕОМАГНИТНОМ ПОЛЕ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2010, том 50, № 6, с. 817-824

УДК: 533.951

ПОТОКИ ЭНЕРГИИ И ЧАСТИЦ В НЕУСТОЙЧИВОЙ ПЛАЗМЕ С ВИХРЕВЫМИ СТРУКТУРАМИ В ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЕ В НЕОДНОРОДНОМ ГЕОМАГНИТНОМ ПОЛЕ © 2010 г. Н. И. Ижовкина

Учреждение РАН Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн, им. Н.В. Пушкова, г. Троицк (Московская обл.) e-mail: izhovn@izmiran.ru Поступила в редакцию 26.06.2009 г.

После доработки 14.12.2009 г.

Вытянутые вдоль геомагнитных силовых линий плазменные неоднородности в ионосфере и магнитосфере могут иметь вихревую структуру. В плазменных неоднородностях возможно распространение электромагнитных волн в режиме волноводного канала. Показано, что в замагниченной плазме с неустойчивым электронным компонентом потоки энергии и частиц, связанные с развитием мелкомасштабной электростатической турбулентности, способствуют увеличению градиентов плазменной плотности в стенках волноводных каналов и усилению плазменных вихрей. На низких L-оболочках в области геомагнитного экватора развитие электростатической неустойчивости плазмы и затухание дрейфующих плазменных вихрей в неоднородном геомагнитном поле в верхней ионосфере может быть основным механизмом образования крупномасштабных ~1000 км областей пониженной плотности плазмы.

1. ВВЕДЕНИЕ

В пространственно-временной картине электростатических колебаний и электромагнитных излучений проявляется электродинамика неоднородных плазменных образований в ионосфере и магнитосфере [Ижовкина и др., 2001; 2008; 1да-левич и др., 2003; 2006; Kennel, 1966; Kennel and Engelman, 1966; Kennel and Petchek, 1966]. На границе плазмосферы наблюдается область волно-водных каналов для электромагнитных волн [Tanaka and Hayagava, 1985]. Инкременты роста электромагнитных волн в неустойчивой магнито-сферно-ионосферной плазме существенно ниже инкрементов электростатических колебаний. Источники электромагнитных излучений в ОНЧ и КНЧ диапазонах, наблюдаемых на спутниках, по-видимому, преимущественно внешние, например, грозовые разряды. Рост (затухание) волн в космической плазме связаны с неустойчивостью плазмы. Усиление волнового сигнала может быть также следствием захвата волн в волноводные каналы. Формирование плазмосферных волноводных каналов связано с электростатическими возмущениями в неустойчивой замагниченной плазме. В этом механизме следует отметить особую роль быстро нарастающих мелкомасштабных колебаний электронного компонента ионосферной плазмы в широкой полосе частот, захватывающей несколько первых гармоник гирочастоты электронов [Ижовкина и др., 2001; 2008].

В этой работе показано, что в замагниченной плазме с неустойчивым электронным компонентом потоки энергии и частиц, связанные с развитием мелкомасштабной электростатической турбулентности, способствуют формированию вихревых плазменных структур. При этом на низких Х-оболочках в верхней ионосфере в неоднородном геомагнитном поле в области геомагнитного экватора возможно формирование крупномасштабных областей пониженной плотности плазмы в процессе развития электростатической турбулентности и дрейфе плазменных вихрей, увлекаемых планетарным гравитационно-тепловым ионосферным возмущением при смещении подсолнечной точки. Немонотонное расслоение плазменной неоднородности по плотности плазмы может быть связано с немонотонной зависимостью диэлектрической проницаемости электростатических колебаний от пространственных координат при монотонной начальной зависимости от координат плазменной плотности [Ижовкина и др., 2001]. 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 неоднородностей, вол-

новодных каналов для распространения электромагнитных волн.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ИОНОСФЕРНО-МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ

Неустойчивость ионосферной плазмы зависит от внеионосферных источников нагрева и ионизации ионосферных компонентов. Наблюдения за плазменными неоднородностями, электрическими и электромагнитными полями в ионосфере могут быть существенно дополнены данными активных экспериментов в ионосферно-магни-тосферной плазме.

При инжекции в ионосферно-магнитосфер-ную плазму бариевых облаков и струй исследовались электрические поля в околоземном космическом пространстве при наблюдении дрейфа ионизованных светящихся бариевых плазменных примесей. При этом были обнаружены интересные процессы в плазменных неоднородностях [Kelley and Livingston, 2003; Haerendel, 1973; 1983]. С помощью оптической аппаратуры наблюдался распад крупномасштабных бариевых плазменных неоднородностей на регулярные немонотонно стратифицированные структуры с характерными масштабами отдельных страт поперек геомагнитного поля — первые десятки метров. Наблюдавшаяся скорость диффузии ионов бария поперек геомагнитного поля была в ~25 раз выше скорости классической амбиполярной диффузии. Эксперименты с барием замечательны тем, что в реальном времени можно наблюдать процессы распада крупномасштабной плазменной неоднородности на немонотонную структуру.

В работе [Ижовкина и др., 1999] представлены данные по пространственному распределению мощности электростатического излучения плазмы, связанного с неустойчивостью электронного компонента плазмы, плотности плазмы и температуры электронного компонента при пересечении спутником ИНТЕРКОСМОС-19 субавро-рального ионосферного провала плазменной плотности. Показано, что процессы нагрева плазмы свободными электростатическими колебаниями электронного компонента плазмы, затухающими в области пониженной плотности плазмы, могли быть основным механизмом формирования плазменной неоднородности с характерными размерами ~ сотни километров. Зарождение распада плазменной неоднородности на мелкомасштабную структуру может быть проявлением немонотонной зависимости диэлектрической проницаемости колебаний при монотонной начальной зависимости плотности плазмы от пространственных координат [Ижовкина и др., 2001].

Волноводными свойствами, анизотропией обладает не только неоднородная замагниченная плазма, но и однородная. Рост (затухание) электромагнитных волн можно рассчитать в приближении горячей (для ионосферы и магнитосферы низкотемпературной) плазмы. Анизотропию плазмы относительно электромагнитных волн удобно рассматривать в представлении волновых полей, использованном в работах [Kennel, 1966; Kennel and Engelman, 1966; Kennel and Petchek, 1966]. При этом компоненты электрического вектора волны E имеют вид

E+ = (Ex + iEy)/2; E- = (Ex - iEy) / 2; E,

(1)

где (х, у, г) — правая система координат с осью г, направленной вдоль внешнего магнитного поля.

Инкремент (декремент) роста (затухания) свободных электромагнитных возмущений в плазме оценивается по формуле [Шафранов, 1973]

СТ*Т А СТ , СТ* dAzS ст

Y = -et ImA,.e, /ес —-=-йех

дю

(2)

с учетом ортогональности векторов Эрмитовой задачи

е - вектор поляризации волны,

(3)

4 ni

(Ajej = 0); е, = б, + — ст,;

ю

ад — тензор проводимости.

Функцию распределения по скорости электронного компонента фоновой плазмы представим с анизотропией по температуре

/с(V) = (2п)-3/2а-1 р-2ехр(- ^2/а2 - V,/р2), (4)

где vъ vz — ортогональная и параллельная относительно внешнего магнитного поля составляющие скорости частиц; а, р — тепловые скорости частиц, продольная и поперечная относительно внешнего магнитного поля.

Диагональные члены тензора диэлектрической проницаемости для заданной функции распределения электронов (4) имеют вид

6++ = 1 + в2ю2еХр(-у) х 2^2 к ? аю

£ [ aZ( x) + b ]Ь -! (y)(1 - y) +

n > 0

X

+ 2[!n 2(y) + In -i(y)lj;

e = i + p42 exp (-y) x

ijl kz

aw

£ [aZ(x) + b]| In +1(y)(1 -y) +

(6)

n > -2

+ 2 [ In( y) + In + 2( y)]

. a2 w^xp ( -y) szz = 1 +--—v - - x

J2kz aw x ^ ax[xZ(x) + 1 ] In (y);

n > -1

(7)

где a = (w — nQ)/a2 + nQ/p2; x = (w — nQ)/(kza); y =

11

ванных вдоль внешнего магнитного поля, превышает локальную плазменную частоту, скорость распространения волн порядка скорости света. В плазме с неоднородным магнитным полем эти волны могут распадаться на волны правой и левой поляризации и волны, поляризованные вдоль внешнего магнитного поля. Это связано с тем, что в неоднородном магнитном поле с изогнутыми силовыми линиями поляризация волн строго вдоль внешнего магнитного поля при распространении волн непрерывно нарушается.

Зададим распределение электронного потока в пространстве скоростей в виде

fo(Vb) = (2n)-3/2v-bv7bS( v± - vLb) x

x exp

'zb ' Vz - U? 2

v.

zb

(8)

= к]_ р2/(2О2); Ь = -2 - -М , О = еВ/(тс), ю^ =

V в

= 4я^е2/т, (е, т) — заряд и масса электронов, с — скорость света, (к±, к.) — составляющие волнового вектора ^ ортогональная и продольная относительно внешнего магнитного поля B, N — концентрация электронов, Z — плазменная дисперсионная функция, 1п — модифицированные функции Бесселя. Представленные члены тензора диэлектрической проницаемости определяют распространение, рост или затухание в зависимости от параметров функции распределения частиц, волн правой и левой поляризации относительно направления циклотронного вращения электрона и волн с направлением вектора электрического поля вдоль внешнего магнитного поля. Рассмотрим для примера обыкновенные моды. Для электромагнитных волн, поляризованных вдоль внешнего магнитного поля, для (kE) = 0, что означает k ± E и соответствует электромагнитным волнам, первым резонансом является черенковский резонанс, при этом волны распространяются поперек внешнего магнитного поля. Если частота волны превышает локальную плазменную частоту, ю > юр в плазме с однородным магнитным полем, волны, поляризованные вдоль внешнего магнитного поля, могут распространяться в первом приближении подобно распространению в однородной плазме без магнитного поля. Для электромагнитных волн с частотой ю > к^е, ve, V,-, где VТе, vTь Ve, V, — соответствен

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