Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 5, с. 342-346
© 2015 г. 10 марта
Тонкая структура дактов плотности, формируемых при активном радиочастотном воздействии на лабораторную и космическую
плазмы
В. JI. Фролов+х1\ В. О. Рапопорт+, Е. А. Шорохова+, Н. А. Айдакина, М. Е.Гущин, И. Ю. Зудин, С. В. Коробков, А. В. Костров, М. Парро*2\ Ж.-Л. Рош*2)
+ Научно-исследовательский радиофизический институт, 603950 Н.Новгород, Россия
Институт прикладной физики РАН, 603950 Н.Новгород, Россия
* Laboratoire de Physique et Climie de l'Environnement (LPCE), BP 37460-21074 Orleans, France
x Казанский (Приволжский) федеральный университет, 420008 Казань, Россия
Поступила в редакцию 16 декабря 2014 г. После переработки 30 января 2015 г.
Представлены результаты активных ионосферных и модельных лабораторных экспериментов по генерации искусственных неоднородностей замагниченной плазмы (дактов плотности), которые могут использоваться в качестве волноводных каналов для низкочастотных волн. Установлено, что в определенных условиях формирующиеся при локализованном высокочастотном нагреве плазмы дакты имеют тонкую структуру - содержат в себе неоднородности плотности плазмы, которые существенно влияют на распространение низкочастотных волн, обеспечивая глубокую амплитудную модуляцию низкочастотного излучения и изменяя его пространственную структуру. Предложен механизм образования таких неоднородностей.
DOI: 10.7868/S0370274X15050069
1. Искусственные неоднородности околоземной замагниченной плазмы - дакты плотности, вытянутые вдоль линий геомагнитного поля - представляют значительный интерес как волноводные каналы для электромагнитного излучения различных частотных диапазонов [1]. В первую очередь, такие неоднородности могут способствовать повышению эффективности транспортировки излучения наземных длинноволновых передатчиков в магнитосферу Земли и его распространения по длинным магнитосферным трассам. Формирование дактов плотности в замагниченной плазме за счет ее локализованного высокочастотного нагрева и последующего термодиффузионного перераспределения в условиях модельного лабораторного эксперимента, включая вопросы динамики формирования дактов и величины их характерных масштабов в перпендикулярном к внешнему магнитному полю направлении рассмотрено в [2, 3]. Возможность формирования искусственных дактов плотности плазмы на высотах внешней ионосферы Земли в последние годы была подтверждена экспериментально при проведении нагревных эксперимен-
e-mail: frolov.418@nirfi.sci-nnov.ru
2> M. Parrot, I.L.Rauch
тов с помощью коротковолновых (KB) стендов СУРА (Россия) [4] и HAARP (США) [5]. Обнаружение подобных структур в естественных условиях открывает широкие перспективы для проведения фундаментальных исследований и различного рода приложений.
На первом этапе исследований основное внимание уделялось изучению крупномасштабной структуры дактов, определяемой в случае лабораторного моделирования размерами плазменной области, занятой высокочастотным полем модифицирующей плазму волны накачки, и характерными масштабами термодиффузионных процессов в плазме [6]. Между тем ряд последних ионосферных экспериментов указывает на то, что дакты могут иметь мелкомасштабную структуру, т.е. включать в себя неоднородности плотности плазмы с размерами поперек геомагнитного поля от десятков метров до 10 км [7]. Такие неоднородности способны существенным образом изменять режимы распространения волн диапазона крайне низких и очень низких частот (КНЧ-ОНЧ) за счет трансформации их спектра волновых векторов и амплитудно-частотных характеристик [8].
Рассмотрению условий формирования мелкомасштабной структуры дактов плотности и их свойств,
формируемых при высокочатотном (ВЧ) нагреве за-магннченной плазмы в лабораторных условиях и в ионосфере Земли и посвящена данная работа. При этом оба типа экспериментов являются взаимодополняющими. В лабораторной плазме удается измерить динамические характеристики плазменных возмущений и оценить их влияние на распространение электромагнитного излучения, а в ионосфере - провести измерения в фактически безграничной плазме со стабильными и хорошо известными характеристиками.
2. Исследования характеристик искусственных плазменных образований, индуцируемых на высотах внешней среднеширотной ионосферы Земли при модификации Г2-области мощными КВ-радиоволнами О-поляризации, проводились на нагревном стенде СУРА (ФГБНУ НИРФИ, г. Нижний Новгород) с использованием бортовой аппаратуры французского микроИСЗ (искусственного спутника Земли) DEMETER. Этот ИСЗ имел солнечно-синхронную полярную орбиту с высотой ~ 660 км и пролетал над стендом СУРА приблизительно в 22:00-22:30 местного времени, что соответствовало условиям ночной ионосферы. Спутник DEMETER обладал уникальным набором инструментов, позволяющим проводить измерения основных параметров плазмы, включая концентрацию и температуру, ионный состав, скорость ионов, электрические поля в диапазоне частот от 0 до 3.3 МГц, магнитные поля в диапазоне частот от 10 Гц до 30 кГц, потоки энергичных электронов. Подробное описание характеристик размещенной на спутнике аппаратуры приведено в спецвыпуске журнала Planetary and Space Science, 54(5) (2006). При проведении измерений для создания искусственных плазменных возмущений в ионосфере Земли стенд включался на 15-20 минут за 10-15 минут до времени наибольшего сближения ИСЗ с центром возмущенной магнитной силовой трубки, опирающейся на область с интенсивной искусственной ионосферной турбулентностью, возбуждаемой вблизи высоты отражения мощной радиоволны. Одним из наиболее значимых результатов, полученных по программе экспериментов СУРА-DEMETER, явилось обнаружение на высотах внешней ионосферы формирования крупномасштабных дактов плотности плазмы, размеры которых поперек геомагнитного поля составляют ~ 100 км [4].
На рис. 1 представлены результаты выполненного 12 мая 2008 г. эксперимента, в котором мощная радиоволна О-поляризации излучалась на частоте 4.3 МГц (при критической частоте ^о-слоя ионосферы /of2 = 5.0 МГц) с PeS = 80 МВт. Высота отражения составляла около 220 км. Луч антенны стен-
18:16:12 18:16:22 18:16:32 t (UT)
Рис. 1. Неоднородности концентрации плазмы и температуры электронов, зарегистрированные на борту ИСЗ DEMETER в области ионосферного дакта плотности над нагревным стендом СУРА
да был наклонен на 12° на юг в область "магнитного зенита" для волны накачки, где наблюдается развитие наиболее интенсивной искусственной ионосферной турбулентности вблизи высоты отражения волны накачки [9]. Спутник пролетал в Т с^ 18:16:28 ИТ (иТ=ЬТ - 4 ч) на высоте 660 км приблизительно в 20 км от центра возмущенной магнитной силовой трубки, опирающейся на область с интенсивной искусственной ионосферной турбулентностью. Измерения выполнялись в очень спокойных геомагнитных условиях, когда суммарное суточное значение индекса геомагнитной активности составляло £ = 6.На рисунке представлены результаты измерений плотности электронов пе и их температуры Те. В интервале времени 18:16:21 —18:16:3611Т хорошо прослеживаются увеличение в среднем плотности электронов приблизительно на 40 % (формирование дакта плотности плазмы) и сильные вариации ее значений с периодом Т ~ 2.5 с (или с пространственным масштабом Ь ~ 17 км вдоль орбиты ИСЗ приблизительно в направлении С—Ю). В этом сеансе также имеет место также рост средней температуры Те приблизительно на 15%. Обращает на себя внимание сильная степень корреляции вариаций пе и Те\ положения их максимумов и минимумов практически полностью совпадают.
На рис. 2 приведены результаты выполненных 18 апреля 2010 г. измерений спектра сигнала СДВ-станции на частоте 18.1 кГц и плотности плазмы в компоненте ионов кислорода 0+ (панели а и Ь соответственно). Хорошо прослеживается наличие в интервале времени Т = 17:53:50 —17:54:07 "1ГТ дакта с увеличенной плотностью плазмы в 17 : 54 : 0511Т и с более слабым повторным максимумом в 17:54:1411Т, а также уширение спектра принимаемого сигнала на частоте 18.1 кГц до ±50 Гц, как это ранее наблюда-
17:53:32 17:53:52 17:54:12 17:54:32 t (UT)
Рис. 2. Результаты синхронных измерений сигнала наземного СДВ-передатчика и возмущений ионосферной плазмы над нагревным стендом СУРА, выполненных на борту ИСЗ DEMETER, (а) - Спектрограмма сигнала наземного СДВ-передатчика с несущей частотой / ~ 18.1 кГц. Черным треугольником отмечен момент включения передатчика. (Ь) - Концентрация ионов (7Vq+). Продемонстрирована корреляция всплесков интенсивности и эффектов уширения спектра СДВ-сигнала с максимумами ионной концентрации
лось в [4]. Важно заметить, что это уширение носит пульсирующий характер, максимумы уширения совпадают с максимумами плотности плазмы.
Анализ всех имеющихся экспериментальных данных по пролетам ИСЗ DEMETER над работающим стендом СУРА позволяет заключить, что вариации плотности и температуры плазмы с характерными периодами Т = (2—3) с L = (14—21) км регистрировались только в области плазменного дакта. В большинстве случаев они хорошо повторяют друг друга даже в деталях. Однако величина относительных вариаций температуры всегда меньше относительной величины вариаций плотности. На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что формируемый во внешней ионосфере плазменный дакт может включать в себя до 10-15 неоднород-ностей плотности плазмы с размерами поперек геомагнитного поля 15—20 км. Согласно [5] эти неоднородности, в свою очередь, содержат более мелкомасштабные неоднородности с размерами поперек геомагнитного поля от 10 м до 1 км.
3. Модельные лабораторные эксперименты выполнялись на крупномасштабном стенде "Крот" в распадающейся плазме индукционного разряда дли-
ной около 5 м и диаметром 1.5 м. Создаваемый в этой установке столб квазиоднородной замагничен-ной плазмы позволяет моделировать физические явления, развивающиеся при проведении активных ионосферных экспериментов, в приближении "безграничной" плазмы. В условиях эксперимента концентрация электронов изменялась в пределах пе = (1011 —1012) см~3. Невозмущенная температура электронов составляла Те ~ 0.5 эВ. Инду
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.