Механизмы образования неоднородной структуры верхней ионосферы, связанные с генерацией квазистатической турбулентности и основанные на учете индукционных электрических полей, возбуждаемых в магнитоактивной плазме квазистатическими вихревыми токами.
Аннотация к работе
Возбуждение искусственной ионосферной турбулентности, приводящей к развитию неоднородностей, обладающих широким пространственным спектром, позволило исследовать ряд физических процессов, определяющих динамику магнитоактивной плазмы, одним из которых является диффузия флуктуаций электронной концентрации. Среди задач, объединяющих исследования естественной неоднородной структуры и искусственной ионосферной турбулентности, можно выделить проблемы анизотропии пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации и диффузии неоднородностей в верхней ионосфере. При исследовании релаксации искусственной ионосферной турбулентности, возбуждаемой в верхней ионосфере мощным коротковолновым радиоизлучением, было установлено, что диффузия сильно вытянутых вдоль магнитного поля мелкомасштабных неоднородностей близка к амбиполярной и происходит существенно медленнее, чем следует из теории униполярной диффузии. В диссертации предложены новые механизмы образования неоднородной структуры верхней ионосферы, связанные с генерацией квазистатической турбулентности, источником которой служат вихревые токи, определяющие условия равновесия возмущений плотности плазмы в магнитном поле, и возбуждаемые ими индукционные электрические поля. ? Исследование диффузии искусственных неоднородностей, включая разработку в приближении двухжидкостной магнитной гидродинамики (МГД) механизма генерации вращающихся возмущений плотности плазмы - дрейфовых МГД-волн, позволяющего дать объяснение наблюдаемым в эксперименте: режиму амбиполярной диффузии мелкомасштабных искусственных неоднородностей и широкополосному уширению доплеровских спектров сигналов ракурсного КВ и УКВ рассеяния от области искусственной ионосферной турбулентности.В разделе 1.3 приведены основные результаты исследований параметров искусственной ионосферной турбулентности (ИИТ), возбуждаемой в верхней ионосфере мощным КВ радиоизлучением, полученные методами радиопросвечивания возмущенной области сигналами ИСЗ и ракурсного рассеяния радиоволн в КВ и УКВ диапазонах. Измерения зависимости времени релаксации искусственных неоднородностей от их масштаба позволили определить эффективные коэффициенты поперечной к магнитному полю и продольной диффузии, значения которых оказались близки к соответствующим коэффициентам амбиполярной диффузии. Другой экспериментальный факт, обнаруженный при исследованиях ИИТ и не нашедший объяснения в рамках существующих традиционных представлений, связан с широкополосным уширением доплеровских спектров сигналов КВ и УКВ рассеяния, которое свидетельствует о наличии в плоскости, ортогональной магнитному полю, мелкомасштабных хаотических движений флуктуаций плотности плазмы, имеющих радиальное направление. На основе сопоставления экспериментальных данных и численного моделирования зависимости формы спектров амплитудных мерцаний от направления радиопросвечивания показано, что для неоднородностей с поперечными масштабами км значение внутреннего масштаба в направлении магнитного поля составляет км в области полярных широт и км на авроральных широтах. Было показано, что в области максимума интенсивности мерцаний, наблюдавшегося в центре локального “сцинтилляционного пэтча”, имело место увеличение показателей степенных спектров как фазовых, так и амплитудных флуктуаций сигналов до значений , в то время как на его краях показатели уменьшались до значений .Определен внутренний масштаб пространственного спектра неоднородностей плазмы верхней высокоширотной ионосферы, определяющий диссипацию флуктуаций электронной концентрации в направлении геомагнитного поля. Показано, что в верхней ионосфере на широтах главного ионосферного провала при переходе от вечернего к ночному времени суток образование локальных структур, содержащих мелкомасштабные (км) неоднородности электронной концентрации, ответственные за повышенный уровень флуктуаций сигналов ИСЗ (“сцинтилляционные пэтчи”), происходит преимущественно в области резкого крупномасштабного градиента концентрации плазмы, направленного на север, и сопровождается его движением на юг со скоростью м/с. Размеры таких структур в северо-южном направлении первоначально составляют от нескольких единиц до десятков километров, при этом они сильно вытянуты вдоль геомагнитного поля и в направлении, ортогональном регулярному градиенту концентрации плазмы. Предложена модель двухкомпонентного степенного пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации, ответственных за наблюдаемые на авроральных широтах “сцинтилляционные пэтчи”, согласно которой мелкомасштабные неоднородности м, изотропны в плоскости, ортогональной геомагнитному полю, и сильно вытянуты вдоль его направления. Для масштабов показатель степени спектра в направлении минимального размера структуры (север-юг) увеличивается до значений , что приводит к увеличению степени вытянутости неоднородностей в восточно-западном направлении с ростом их масштаба.
План
. Основное содержание диссертации
Вывод
1. Определен внутренний масштаб пространственного спектра неоднородностей плазмы верхней высокоширотной ионосферы, определяющий диссипацию флуктуаций электронной концентрации в направлении геомагнитного поля. Его значение при слабой геомагнитной активности в области полярных широт (~79°с.ш.) составляет км, на авроральных широтах (~69°с.ш.) - км.
2. Показано, что в верхней ионосфере на широтах главного ионосферного провала при переходе от вечернего к ночному времени суток образование локальных структур, содержащих мелкомасштабные ( км) неоднородности электронной концентрации, ответственные за повышенный уровень флуктуаций сигналов ИСЗ (“сцинтилляционные пэтчи”), происходит преимущественно в области резкого крупномасштабного градиента концентрации плазмы, направленного на север, и сопровождается его движением на юг со скоростью м/с. Размеры таких структур в северо-южном направлении первоначально составляют от нескольких единиц до десятков километров, при этом они сильно вытянуты вдоль геомагнитного поля и в направлении, ортогональном регулярному градиенту концентрации плазмы. При дальнейшей эволюции в течение времени порядка и более одного часа широтный размер области, занимаемой мелкомасштабными неоднородностями, увеличивается до нескольких сотен километров.
3. Предложена модель двухкомпонентного степенного пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации, ответственных за наблюдаемые на авроральных широтах “сцинтилляционные пэтчи”, согласно которой мелкомасштабные неоднородности м, изотропны в плоскости, ортогональной геомагнитному полю, и сильно вытянуты вдоль его направления. Показатель пространственного степенного спектра в плоскости, ортогональной магнитному полю, составляет , в направлении магнитного поля он существенно больше . Для масштабов показатель степени спектра в направлении минимального размера структуры (север-юг) увеличивается до значений , что приводит к увеличению степени вытянутости неоднородностей в восточно-западном направлении с ростом их масштаба. Характерные внешние масштабы спектра в таких структурах составляют: в направлении север-юг км, в восточно-западном направлении и вдоль геомагнитного поля км.
4. Показано, что пространственный спектр искусственной ионосферной турбулентности, возбуждаемой мощным КВ радиоизлучением на средних широтах вблизи уровня отражения мощной волны накачки обыкновенной поляризации, в диапазоне масштабов м имеет степенной вид с показателем , внутренний масштаб в направлении геомагнитного поля составляет км. Неоднородности, возбуждаемые в диапазоне масштабов , имеют степенной спектр с показателем , близким к показателю степенного спектра естественных неоднородностей, и могут занимать область высот, значительно превышающую высоту максимума F-слоя.
5. Получена зависимость времени релаксации искусственных неоднородностей, возбуждаемых мощным КВ радиоизлучением, от масштаба , в которой показатель степени составляет при и при . Значение характерного масштаба, на котором изменяется показатель , в дневных условиях составляет м, в вечернее и ночное время он уменьшается до значений м. При измерении времени релаксации искусственных неоднородностей в вечернее время суток в северной части возмущенной области данный масштаб составлял м, при этом значение показателя степени в области было близко к нулю. Определены коэффициенты эффективной поперечной и продольной диффузии, значения которых близки к коэффициентам амбиполярной поперечной (электронной) и продольной (ионной) диффузии.
6. В приближении двухжидкостной магнитной гидродинамики получено новое решение - дрейфовая МГД-волна, которая удовлетворяет комплексному параболическому уравнению, имеющему вид однородного уравнения Шредингера, и описывает вращающиеся со скоростью порядка дрейфовой возмущения плотности плазмы, антисимметричные по отношению к направлению внешнего магнитного поля. На основе данного решения предложена интерпретация режима амбиполярной диффузии мелкомасштабных неоднородностей и эффекта частотного уширения доплеровских спектров сигналов ракурсного рассеяния КВ и УКВ радиоволн, наблюдавшихся в экспериментах по созданию искусственной ионосферной турбулентности.
7. Предложен новый механизм генерации неоднородностей высокоширотной ионосферы - градиентно-токовая неустойчивость, возникающая при наличии квазистатического крупномасштабного тока, протекающего в плоскости, проходящей через направления регулярного магнитного поля и крупномасштабного градиента концентрации. Показано, что в области главного ионосферного провала данная неустойчивость может приводить к образованию плоско-слоистых неоднородностей, вытянутых в плоскости, ортогональной направлению крупномасштабного градиента плазмы, наблюдаемых в экспериментах по радиопросвечиванию ионосферы сигналами ИСЗ.
Совокупность полученных в диссертационной работе результатов об особенностях спектров ионосферных неоднородностей при естественных и искусственных возмущениях, а также разработанные теоретические модели, описывающие генерацию электрических полей в ионосфере, можно квалифицировать как крупное достижение в решении проблемы формирования неоднородной структуры верхней ионосферы километровых и субкилометровых масштабов. ионосфера турбулентность ток плазма
Список литературы
1. Митякова Э.Е., Мясников Е.Н., Рахлин А.В. Предварительные результаты измерений высотного распределения неоднородностей ионосферы, возбуждаемых мощным коротковолновым радиоизлучением \\ Изв. вузов. Радиофизика. 1976. Т. 20, № 6. С. 939-940.
2. Ерухимов Л.М., Митякова Э.Е., Мясников Е.Н., Поляков С.В., Рахлин А.В., Синельников В.М. О спектре искусственных неоднородностей на разных высотах // Изв. вузов. Радиофизика. 1976. Т. 20, № 12. C.1814-1820.
3. Ерухимов Л.М., Ковалев В.И. Лернер А.М. Мясников Е.Н., Поддельский И.Н., Рахлин А.В. О спектре крупномасштабных искусственных неоднородностей в F-слое ионосферы // Изв. вузов. Радиофизика. 1978. Т. 22, № 10. С. 1278-1281.
4. Ерухимов Л.М., Фролов В.Л., Мясников Е.Н. Релаксация искусственной ионосферной турбулентности // Всес. совещ. по неоднородной структуре ионосферы, тез. докл. Ашхабад, 1979. С. 29-32.
5. Ерухимов Л.М., Метелев С.А., Мясников Е.Н., Рахлин А.\,В., Урядов В.П., Фролов В.Л. Экспериментальные исследования искусственной ионосферной турбулентности. В сб. Тепловые нелинейные явления в плазме. - Горький, ИПФ АН СССР, 1979. С. 7-45.
6. Ерухимов Л.М., Мясников Е.Н., Максименко О.И. О неоднородной структуре верхней ионосферы // Ионосферные исследования. № 30. - М.: Сов. радио, 1980. С. 27-48.
7. Ерухимов Л.М., Мясников Е.Н. Неоднородности и механизмы их генерации в полярной ионосфере // II Всес. совещание по полярной ионосфере и ионосферно-магнитосферным связям, Норильск, 1980. тез. докл. - Иркутск, 1980. С.24-26.
8. Erukhimov L.M., Kosolapenko V.I., Lerner A.M., Myasnikov E.N. The spectral form of small-scale plasma turbulence in the auroral ionosphere // Planet. Space Sci. 1981. V. 29, n. 9. P. 931-933.
9. Ерухимов Л.М., Косолапенко В.И., Лернер А.М., Мясников Е.Н. О форме спектра неоднородностей высокоширотной ионосферы в направлении геомагнитного поля // Изв. вузов. Радиофизика. 1981. Т. 24, № 5. С. 524-528.
11. Ерухимов Л.М., Каган Л.М., Мясников Е.Н. О нагревном механизме происхождения неоднородностей верхней ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1982. Т. 22, № 5. С. 721-724.
12. Ерухимов Л.М., Мясников Е.Н., Фролов В.Л. Исследование диффузии слабых возмущений ионосферной плазмы с помощью искусственной ионосферной турбулентности // Эффекты искусственного воздействия на ионосферу Земли мощным радиоизлучением, Суздаль, 1983, тез. докл. - М., 1983. С.54-55.
13. Боголюбов А. А., Ерухимов Л. М., Мясников Е. Н., Оглоблина О.Ф., Чекалев С.П., Черемный В.А. Измерения параметров дифракционной картины при просвечивании авроральной ионосферы сигналами ИСЗ // Геомагнетизм и аэрономия. 1984. Т. 24, № 1. С.147-149.
14. Боголюбов А.А., Ерухимов Л.М., Кряжев В.А., Мясников Е.Н. Об измерениях анизотропии неоднородностей авроральной ионосферы с помощью сигналов ИСЗ // Изв. вузов. Радиофизика. 1984. Т. 27, № 12. С. 1497-1504.
15. Выборнов Ф.И., Ерухимов Л.М., Косолапенко В.И., Комраков Г.П., Кряжев В.А., Мясников Е.Н. Измерение спектра флуктуаций амплитуды и фазы сигналов ИСЗ при воздействии мощного радиоизлучения на ионосферу // Изв. вузов. Радиофизика. 1986. Т. 29, № 4. С. 491-494.
16. Косолапенко В.И., Мясников Е.Н. Результаты исследований неоднородной структуры полярной ионосферы по данным измерений сигналов ИСЗ на арх. Шпицберген // Исследования высокоширотной ионосферы, Апатиты, 1986. С. 68-72.
18. Ерухимов Л.М., Косолапенко В.И., Муравьева Н.В., Мясников Е.Н., Черемный В.А. О форме спектра неоднородностей высокоширотной ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1990. Т. 30, № 6. С. 948-952.
19 Ерухимов Л.М., Ковалев В.Я., Мясников Е.Н., Рахлин А.В., Рубцов Л.Н. О форме спектра искусственных неоднородностей крупных масштабов, возбуждаемых при помощи нагревного стенда “Гиссар” // Геомагнетизм и аэрономия. 1988. Т. 28. С. 864-866.
20. Беленов А.Ф., Ерухимов Л.М., Митяков Н.А., Мясников Е.Н., Фролов В.Л. Проблемы турбулентности верхней ионосферы и искусственная ионосферная турбулентность. В сб.: Неустойчивости и волновые явления в системе ионосфера - термосфера - Горький: ИПФ АН СССР, 1989. С. 107-132.
21. Erukhimov L.M., Vybornov F.I., Muravieva N.V., Myasnikov E.N. Spectral form of artificial ionospheric irregularities in the geomagnetic field direction // Proceedings of the III Suzdal symposium of modification of the ionosphere by powerful radio waves - Moskow, 1991. P. 87-88.
22. Авдеев В.Б., Белей В.С., Беленов А.Ф., Галушко В.Г., Ерухимов Л.М., Мясников Е.Н., Пономаренко П.В., Сергеев Е.Н., Синицын В.Г., Ямпольский Ю.М., Ярыгин А.П. Обзор результатов рассеяния коротких волн искусственной ионосферной турбулентностью, полученных с помощью фазированной решетки УТР-2 // Изв. вузов. Радиофизика. 1994. Т. 37, № 4. С. 479-492.
23. Belenov A.F., Erukhimov L.M., Myasnikov E.N., Yampolski Yu.M., Ponomarenko P.V. The electric field fluctuations and Doppler spectral features of the HF-scattering by modified region (Sura heating) // IV Suzdal Symposium on Artificial Modification of the Ionosphere, Sweden, Uppsala, 1994, Abstracts, P.55.
24. Erukhimov L.M., Myasnikov E.N., Kosolapenko V.I., Cheremny V.A., Evstafiev O.V. Observation of total electron content, amplitude and phase scintillations in the auroral ionosphere // Radio Science. 1994. V. 29, n. 1. P. 311-315.
25. Выборнов Ф.И., Ерухимов Л.М., Косолапенко В.И., Муравьева Н.В., Мясников Е.Н. Определение величины продольного геомагнитному полю внутреннего масштаба искусственной ионосферной турбулентности // Изв. вузов. Радиофизика. 1994. Т. 37, № 4. С. 521-525.
26. Erukhimov L.M., Muravieva N.V., Myasnikov E.N. Two-component model of 3d spectrum of auroral F-layer irregularities // URSI and STEP/GAPS Workshop on theory and observations nonlinear processes in the near-earth environment, Poland, 1995.
27. Kagan L.M., Myasnikov E.N., Kosolapenko V.I., Kryazhev V.A., Cheremnyj V.A., Persson M.A.L. F-layer irregularities formation at auroral latitudes: radio wave scintillation and EISCAT observations // J. Atmosph. Terr. Phys. 1995. V. 57, n. 8. P. 917-928.
28. Erukhimov L.M., Muravieva N.V., Myasnikov E.N., Evstafjev O.V., Kosolapenko V.I. The Spectral Structure of the Auroal F-layer patches // Radio Sci. 1996. V. 31, n. 3. P.629-633.
29. Боголюбов А.А., Ерухимов Л.М., Мясников Е.Н., Евстафьев О.В., Косолапенко В.И. Пространственная форма и динамика развития авроральных сцинтилляционных пэтчей // Изв. вузов. Радиофизика. 1996. Т. 39, № 3. С. 276-285.
30. Ерухимов Л.М., Мясников Е.Н. О диффузии вращающихся неоднородностей в ионосферной плазме // Изв. вузов. Радиофизика. 1998. Т. 41, № 2. С.194-211.
31. Алимов В.А., Ерухимов Л.М., Мясников Е.Н., Рахлин А.В. О спектре турбулентности верхней ионосферы // Изв. вузов. Радиофизика. 1997. Т. 40, № 4. С. 446.
32. Myasnikov E.N. Instability of MHD-drift waves in HF heated ionosphere // V International Suzdal URSI Symposium on the modification ionosphere, August 26-29, 1998. Book of abstracts. P.13.
33. Muravieva N.V., Myasniklov E.N., Vybornov F.I., Kosolapenko V. I. Model of large-scale field-aligned artificial irregularities modified by HF radiation // V-th International Suzdal URSI Symposium on the modification ionosphere, August 26-29, 1998. Book of Abstracts. P. 48.
34. Мясников Е.Н. Неустойчивость дрейфовых МГД-волн в верхней ионосфере // Изв. вузов. Радиофизика. 1999. Т. 42, № 7. С. 691-699.
35. Frolov V.L., Chugurin V.V., Komrakov G.P., Mityakov N.A., Myasnikov E.N., Rapoport V.O., Sergeev E.N., Uryadov V.P., Vybornov F.I., Ivanov V.A., Shumaev V.V., Nasyrov A.M., Nasyrov I.A., Groves K.M. Study of large-scale irregularities generated in the ionospheric F-region by high-power HF waves // Изв. вузов. Радиофизика. 2000. Т. 43, № 6. С. 497-519.
36. Мясников Е.Н., Муравьева Н.В., Сергеев Е.Н., Фролов В.Л., Насыров А.М., Насыров И.А., Белей В.С., Колосков А.В., Ямпольский Ю.М., Groves K.M. О форме пространственного спектра искусственной ионосферной турбулентности, возбуждаемой мощным КВ радиоизлучением // Труды ХХ Всероссийской конференции по распространению радиоволн, Н.Новгород, 2-4 июля, 2002. С. 317-318.
37. Фролов В.Л., Грач С.М., Комраков Г.П., Митяков Н.А., Мясников Е.Н., Сергеев Е.Н. Искусственная ионосферная турбулентность: результаты и перспективы // Труды ХХ Всероссийской конференции по распространению радиоволн, Н. Новгород, 2-4 июля, 2002. С. 7-10.
39. Tereshchenko E.D., Khudukon B.Z., Gurevich A.V., Zybin K.P., Frolov V.L., Myasnikov E.N., Muravieva N.V., Carlson H.C. Radio tomography and scintillation studies of ionospheric density modification caused by a powerful HF-wave and magnetic zenith effect at mid-latitudes // RF ionospheric Interactions Workshop, 18-21 April 2004, Santa Fe, New Mexico, USA, P.1159-1166.
40. Tereshchenko E.D., Khudukon B.Z., Gurevich A.V., Zybin K.P., Frolov V.L., Myasnikov E.N., Muravieva N.V., Carlson H.C. Radio tomography and scintillation studies of ionospheric density modification caused by a powerful HF-wave and magnetic zenith effect at mid-latitudes // Proceedings of 35th COSPAR Scientific Assembly, 18-25 July 2004, France, Paris. Abstract, COSPAR04-A-04145 on CD.
41. Tereshchenko E.D., Khudukon B.Z., Gurevich A.V., Zybin K.P., Frolov V.L., Myasnikov E.N., Muravieva N.V., Carlson H.C. Radio tomography and scintillation studies of ionospheric electron density modification caused by HF-wave and magnetic zenith effect at mid latitudes // Physics Letter A. 2004. V. 325, P. 381-388.
42. Frolov V.L., Grach S.M., Myasnikov E.N., Sergeev E.N., Vetrogradov G.G., Uryadov V.P. Review of modification experiments with the Sura heating facility // VI International Suzdal URSI Symposium “Effects of artificial action on the Earth ionosphere by powerful radio waves”, 19-21 October, 2004, Moskow. Book of abstracts. - Nizhny Novgorod, 2004. P. 8.
43. Myasnikov E.N., Frolov V.L., Muravieva N.V., Tereshchenko E.D., Khudukon B.Z. Spectral features of electron density disturbances excited by the Sura heating facility // VI International Suzdal URSI Symposium “Effects of artificial action on the Earth ionosphere by powerful radio waves”, 19-21, October, 2004, Moscow. Book of abstracts. - Nizhny Novgorod, 2004. P.21.
44. Мясников Е.Н., Муравьева Н.В. Характеристики пространственного спектра неоднородностей плазмы, возбуждаемых на средних широтах стендом “Сура” // Материалы научно-методической конференции ВГАВТ. Ч.2. Н.Новгород, 2005. С. 94-97.
45. Мясников Е.Н. О градиентно-токовом механизме образования неоднородной структуры высокоширотной верхней ионосферы // Изв. вузов. Радиофизика. 2005. Т. 48, № 7. С.574-587.