Взаємодія штучних газо-плазмових утворень з атмосферою Землі - Автореферат

З іншого боку, у результаті активної промислової діяльності навколоземний простір усе більше піддається забрудненню електромагнітним випромінюванням, викидами речовини і плазми, уламками орбітальних апаратів. В останні десятиліття було розроблено методи активних експериментів у космосі, що дозволяють проводити діагностику геокосмосу за допомогою контрольованих, дозованих викидів речовини, плазми, потужних потоків радіовипромінювання. Активні експерименти дають можливість використовувати навколоземний простір як гігантську “природну лабораторію”, де можна вирішувати фундаментальні задачі фізики плазми, моделювати багато типів плазмових нестійкостей, розвиток яких неможливо досліджувати в земних умовах. Використання газо-плазмових утворень для "модифікації" параметрів атмосфери й іоносфери дозволило промоделювати штучні полярні сяйва, викиди в атмосферу великих кількостей нейтрального газу, плазми, плазмогасячих сумішей під час стартів ракет, тригерні явища в іоносфері [5-7]*. Тараса Шевченка та Українського антарктичного центру в період 1982-2001 р. Дослідження, що складають зміст даної дисертації, були здійснені в рамках наступних наукових програм і науково-дослідних робіт: (1) "Дослідження штучних геофізичних утворень і явищ в іоносфері Землі за допомогою комплексу радіофізичних і оптичних засобів ("Радон", 1982-1983, 01820072687) - науковий керівник теми; (2) "Дослідження нестаціонарних процесів в іоносфері та магнітосфері Землі" (1992-1995, 0193U044513) - відповідальний виконавець теми; (3) "Природні та штучні збурення в іоносфері" (1994-1996, 0194U018147); (4) комплексна наукова програма з астрономії "Фізичні та метричні властивості Всесвіту, його походження та еволюція", (1997-2001, 0197U003061).Обсяг і рівень проведених у різних країнах досліджень методами активних експериментів, розгортання вітчизняних програм привели до необхідності розробки концепції комплексного використання штучних газо-плазмових геофізичних утворень в активних експериментах для діагностики навколоземного простору, моделювання фізичних процесів активної взаємодії нейтральних потоків газу і плазми з атмосферою Землі в рамках єдиного підходу, забезпечення оптичних вимірювань характеристик газо-плазмових утворень і досліджень їхньої динаміки. В другому розділі викладено результати створення апаратурних комплексів для оптичних вимірювань в активних експериментах, розглянуто задачі оптичних спостережень і вимоги до апаратури комплексу, що випливають з властивих для газо-плазмових утворень діапазонів зміни яскравості, спектральних характеристик, розмірів і динаміки. Штучні газо-плазмові утворення, які формуються в іоносфері в активних експериментах, є специфічним класом оптичних обєктів. Вивчення оптичних характеристик газо-плазмових утворень поставило низку принципових вимог до створюваної апаратури і методики спостережень, серед яких найважливішими є: - забезпечення комплексних вимірювань (телевізійних, спектральних, фотометричних) оптичних характеристик штучних іоносферних утворень, оскільки тільки поєднання даних, отриманих різними методами, дозволяє одержати найповнішу достовірну сукупність спектрально-яскравісних параметрів зображень газо-плазмових утворень; При цьому спектр робочих речовин в експериментах був досить широкий, експерименти відрізнялися висотою інжекції і масою інжектованої речовини, а також типом інжекції.У роботі отримано експериментальні результати і розвинуто теоретичні моделі, що дозволяють розвязати актуальні задачі оцінки впливу на іоносферу викидів речовини і плазми, досліджувати процеси відновлення параметрів середовища до незбуреного рівня, одержати і візуалізувати інформацію про процеси в іоносфері для розробки сучасної концепції “космічної погоди”.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У роботі отримано експериментальні результати і розвинуто теоретичні моделі, що дозволяють розвязати актуальні задачі оцінки впливу на іоносферу викидів речовини і плазми, досліджувати процеси відновлення параметрів середовища до незбуреного рівня, одержати і візуалізувати інформацію про процеси в іоносфері для розробки сучасної концепції “космічної погоди”. Розвинуто методологію і техніку діагностики навколоземного космічного простору.

1. Розроблено наукову концепцію комплексного використання газо-плазмових утворень для вирішення проблеми діагностики навколоземного простору, моделювання фізичних процесів їхньої активної взаємодії з атмосферою Землі в рамках єдиного підходу, що обєднує три головних напрямки: а) використання газо-плазмових утворень як маркерів для досліджень динаміки природних явищ у навколоземній плазмі; б) моделювання техногенного впливу ракетно-космічних систем на геокосмос; в) вивчення динаміки штучних та природних локалізованих плазмових неоднорідностей.

2. Вперше експериментально виявлено властивості взаємодії інжектованих речовин з іоносферною плазмою: а) розвиток поверхневих хвиль шару іонів на висоті F-області, б) надтонку стратифікацію іонного згустку, в) формування квазіперіодичної структури в початковій фазі еволюції барієвої хмари, г) поширення високошвидкісного фронту світіння при інжекції барію з орбітальними швидкостями.

3. Відкрито утворення довгоживучих (більше 14 годин) штучних локалізованих плазмових неоднорідностей в іоносфері, час існування яких більш ніж на порядок перевищує відомий раніше.

4. Розроблено теоретичні моделі розвитку виявлених особливостей тонкої структури штучних газо-плазмових утворень, що пояснюють їхню просторово-часову еволюцію в широкому діапазоні початкових параметрів: - утворення надтонкої волокнистої структури при стратифікації барієвих іонних хмар;

- поведінки газо-плазмового утворення при інжекції з орбітальними швидкостями;

- поверхневої деформації іонізованого шару барію в F-області іоносфери внаслідок розвитку нестійкості Релея-Тейлора;

- звукових коливань газо-плазмової кулі, що генерують хвильові структури в початковій фазі інжекції.

5. Вперше запропоновано та реалізовано новий спосіб трасування іоносферної конвекції завдяки створенню довгоживучих іонних неоднорідностей.

6. Розроблено оригінальні багатопозиційний експериментальний комплекс та методики вимірювань, калібрування і обробки даних, що дозволили реконструювати повний “оптичний портрет” газо-плазмових утворень: (а) просторовий розподіл яскравості в динамічному діапазоні до 60 ДБ, (б) спектральний розподіл енергії випромінювання в різних ділянках обєкта; (в) динаміку енергетичних характеристик обєкта; (г) абсолютне фотометричне калібрування зображення.

7. Розвинуто наукову програму досліджень верхньої атмосфери в Антарктиці на українській станції Академік Вернадський. Розроблено і реалізовано методики дистанційного зондування параметрів нейтральної й зарядженої компонент атмосферного газу, електромагнітних полів і оптичних емісій, оригінальні програми порівняльного аналізу та візуалізації довгих рядів вимірювань, як складових концепції “космічної погоди”.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Дума Д.П. Космический мусор - угроза безопасности космических полетов и экологии космического пространства // 6th Open Young Scientists" Conference on Astronomy and Space Physics. April 27-30. Kyiv. Ukraine. - Abstracts. - 1999. - P. 20-22.

2. Haerendel G., Lust R., Rieger E. Motion of artificial ion clouds in the upper atmosphere // Planet. Space Sci. - 1967. - V.15, No 1. - P.1.

3. Bernhardt P.A., Roussel-Dupre R.A., Pongratz M.B., Haerendel G., Valevzuela A., Gurnett D. and Anderson R.R. Observations and theory of the AMPTE barium releases // Journ. Geophys. Res. - 1987.- Vol. 92. - P. 5777.

4. Андреева Л.А., Мохов А.Н., Полосков С.Н., Танцова Г.Н. Определение скорости ветра и коэффициента диффузии с помощью ИСО // Геомагнетизм и аэрономия. - 1967. - Т. VII, № 1. - С.134-138.

5. Жулин И.А., Сагдеев Р.З. Активные эксперименты в ионосфере и магнитосфере // Вестник АН СССР.- 1975.- Т. 12. - С. 84-91.

6. Mendillo M., Hawkins G.S., Klobuchar J.A.. A large-scale hole in the ionosphere caused by the launch of Skylab // Science. - 1975. - Vol. 187. - P. 343.

7. Николаев Н.В. Динамика плазменных облаков в ионосфере // Магнитосферные исследования. - 1990. - № 14. - С. 47-63.

8. Davis T.N. Chemical releases in the ionospherte // Rep. Prog. Phys. - 1979. - Vol. 42. - P. 1565-1604.

9. Wescott E.M. L = 1, 2.4 conjugate magnetic field line tracing experiments with barium charge // J. Geophys. Res. - 1974. - Vol. 79. - P. 159-166.

10. Филипп Н.Д., Ораевский В.Н., Блаунштейн Н.Ш., Ружин Ю.Я. Эволюция искусственных плазменных неоднородностей в ионосфере Земли. - Кишинев: "Штиинца", 1986. - 248с.

11. Mendillo M. The effect of rocket launches on the ionosphere // Adv. Space. Res. - 1981. - Vol. 1. - P. 275.

12. Groves G.V. Initial expansion to ambient pressure of chemical explosive releases in the upper atmosphere. // J.Geophys.Res. - 1963. - Vol. 68. - P.3033-3047.

13. Блаунштейн Н.Ш., Цедилина Е.Е., Мирзаева Л.И., Мишин Е.В. Дрейфовое расплывание и стратификация неоднородностей в ионосфере при наличии электрического поля // Геомагнетизм и аэрономия. - 1990. - Т. 30. - С. 799.

14. Ивченко В.Н., Лазоренко П.Ф., Милиневский Г.П. Телевизионные наблюдения с широкоугольными объективами. // Пробл. косм. физики. - 1979. - Вып. 14. - С. 16-23.

15. Nesmyanovich A.T., Ivchenko V.N., Milinevsky G.P. Television system for observation of artificial aurora in the conjugate region during ARAKS Experiment. // Space. Sci. Instr. - 1978. - V. 4. - P. 251-252.

16. Stenbaek-Nielsen H.C., Wescott E.M., Haerendel G., Valenzuela A. Optical observations on the CRIT II critical ionization velocity experiment // Geophys. Res. Lett. - 1990.- Vol. 17. - P.1601-1604.

17. Jackman C.H., Concidine D.B., Fleming E.L. A global modeling study of solid rocket aluminum oxide emission effects on stratospheric ozone // Geophys. Res. Lett. - 1998. - Vol. 25, No. 6. - P. 907-910.

18. Евтушевский А.М., Ивченко В.Н., Кравченко В.А. и др. Оптический аппаратурный комплекс для исследований динамики ионосферы по наблюдениям искусственных облаков // Исследование динамических процессов в верхней атмосфере / Труды 5 Всес. сов., Обнинск, 19-22 ноября 1985 г. - М.: Гидрометеоиздат, 1988. - С. 230-234.

19. Авдюшин С.И., Ветчинкин Н.В., Козлов С.И. и др. Программа "Активные эксперименты и антропогенные эффекты в ионосфере": организация, аппаратурно-методическое обеспечение, основные результаты исследований // Космические исследования. - 1993. - Т. 32, вып.1. - С. 3-25.

20. Bernhardt P.A. Probing the magnetosphere using chemical releases from the Combined Release and Radiation Effects Satellite // Phys. Fluids B. - 1992. - Vol. 4, No. 7. - P. 2249-2256.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Жулин И.А., Милиневский Г.П., Лоевский А.С., Мойся Р.И., Романовский Ю.А., Ружин Ю.Я., Скомаровский В.С. Экспериментальные исследования возмущения в ионосфере при кумулятивной инжекции паров бария// Космические исследования. - 1984. - Т.22, № 3. - С.406-412.

2. Ивченко В.Н., Кравченко В.А., Лапчук В.П., Милиневский Г.П. Многоканальные электрофотометры для регистрации свечения ночного неба // Вестник Киевск. ун-та. Астрономия. - Киев, Выща школа, 1985. - Вып. 27. - С. 82-87.

3. Дзюбенко Н.И., Евтушевский А.М., Лившиц А.И., Милиневский Г.П., Романовский Ю.А., Хмиль С.В. Оптические эффекты на начальной стадии инжекции искусственного ионного облака // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. - Т. 26, № 5. - С. 762-766.

4. Дзюбенко Н.И., Ивченко В.Н., Милиневский Г.П., Мишин Е.В., Телегин В.А. О "континууме" в излучении искусственного полярного сияния // Геомагнетизм и аэрономия. - 1986. - Т. 26, № 3. - С. 514-515.

5. Дзюбенко Н.И., Евтушевский А.М., Милиневский Г.П. Фотометрические профили авроральных дыр // Морфология и физика полярных сияний. - Апатиты: Кольский филиал АН СРСР. - 1988. - С. 28-32.

6. Хмиль С.В., Милиневский Г.П., Пишкало З.И., Евтушевский А.М. Определение концентрации ионов и размеров искусственного облака в ионосфере по фотометрическим данным // Вестник Киевск. ун-та. Астрономия. - Киев: Выща школа, 1989. - Вып. 31. - С. 74-79.

7. Евтушевский А.М., Милиневский Г.П. Миграции аврорального зенита // Вестник Киевского ун-та. Астрономия. - Киев: Лыбидь, 1990. - Вып. 32. - С. 72-77.

8. Милиневский Г.П., Романовский Ю.А., Евтушевский А.М., Савченко В.А., Алпатов В.В., Гурвич А.В., Лившиц А.И. Оптические наблюдения в активных экспериментах по исследованию верхней атмосферы и ионосферы Земли // Космические исследования. - 1990. - Т. 28, вып. 3. - С. 418-429.

9. Євтушевський О.М., Міліневський Г.П., Романовський Ю.О., Савченко В.А. Спектральні дослідження штучних світних утворень в активних експериментах в іоносфері Землі (апаратура, методика, калібрування вимірів) // Вісник Київ. ун-ту. Фіз.-мат. науки. - 1992. - Вип. 6. С. 49-58.

10. Евтушевский А.М., Милиневский Г.П., Романовский Ю.А., Савченко В.А. Стратификация бариевых облаков в ионосфере по телевизионным наблюдениям. // Космические исследования. - 1992. - Т.30, вып.3. - С.343-350.

11. Авдюшин С.И., Клюев О.Ф., Милиневский Г.П., Намазов С.А., Ораевский В.Н., Перес Х., Портнягин Ю.И., Романовский Ю.А., Ружин Ю.Я. Предварительные результаты исследований искусственных образований в ионосфере в экспериментах по проекту "CRRES" // Космические исследования. - 1993. - Т. 31, вып. 1. - С. 71-83.

12. Белоцерковский М.Б., Гурвич А.В., Евтушевский А.М., Киселев Ю.Н., Милиневский Г.П., Романовский Ю.А., Христофоров Б.Д., Фейгин В.М. Ионосферные эффекты при инжекции высокоскоростной кумулятивной воздушно-плазменной струи // Космические исследования. - 1993. - Т. 31, вып. 2. - С. 32-42.

13. Блаунштейн Н.Ш., Милиневский Г.П., Мишин Е.В., Савченко В.А. Формирование и развитие стратифицированной структуры в процессе эволюции плазменного облака в ионосфере Земли. // Геомагнетизм и аэрономия. - 1993. - Т.33, № 2. - С. 92-98.

14. Дзюбенко М.І., Євтушевський О.М., Кравченко В.О., Лапчук В.П., Міліневський Г.П., Романовський Ю.О. Фотометричні вимірювання світіння іоносфери при інжекції нейтрального газу // Вісник Київського ун-ту. Астрономія. - Київ, 1994. - № 33. - С. 101-105.

15. Kaniuka A.A., Milinevsky G.P. Modelling of plasma mixture release in the ionosphere // Вісник Київськ. ун-ту. Астрономія. - 1994. - Вип. 33. - С. 89-95.

16. Грицай З.І., Євтушевський О.М., Міліневський Г.П. Оптичні ефекти розділення ступенів при запусках багатоступінчастих ракет // Вісник Київського ун-ту. Астрономія. - Київ, 1997. - Вип. 34. - С. 125-130.

17. Милиневский Г.П. Научные исследования на украинской антарктической станции Академик Вернадский. // Радиофизика и радиоастрономия. - 1997.- T. 2, № 3. - С. 255-266.

18. Milinevsky G.P., Evtushevsky A.M., Kravchenko V.A., Gritsai Z.I. The high-speed initial expansion of the barium atomsand ions in the CRRES Caribbean releases // Вісник Київського ун-ту. Астрономія. - Київ, 2000. - Вип. 36. - С. 65-68.

19. Andreewa L.A., Ivchenko I.S., Milinevsky G.P., Rozhansky V.A., Ruzhin Yu.Ya., Skomarovsky V.S., Tsendin L.D. Dynamic of artificial plasma cloud in "Spolokh" experiment: cloud deformation // Planet. Space Sci. - 1984 - Vol.32, No 8. - P. 1045-1052.

20. Kashirin A.I., Milinevsky G.P., Kluev O.F. Artificial plasma cloud evolution in the low latitude ionosphere. // J. Atm. Terr. Phys. - 1993. - Vol. 55. - P. 193-195.

21. Milinevsky G.P., Kashirin A.I., Romanovsky Yu.A., Stenbaek-Nielsen H.C., Kelley M.C. Long-lived artificial ion clouds in the Earths ionosphere // Geophys. Res.Lett. - 1993. - V. 20, No. 11. - P. 1019-1022.

22. Blaunstein N.Sh., Milinevsky G.P., SAVCHENKOV.A., Mishin E.V. Formation and development of striated structure during plasma cloud evolution in the Earths ionosphere // Planet. Space Sci. - 1993. - Vol. 41, No 6. - P. 453-460.

23. Milinevsky G.P., Alpatov V.V., Gurvich A.V., Evtushevsky A.M., Peres J., Romanovsky Yu.A. Optical observations of artificial clouds in the CRRES experiments // Adv. Space Res. - 1995. - Vol. 15, No. 12. - P. 131-134.

24. Namazov S.A., Romanovsky Yu.A., Milinevsky G.P. Evolution of an artificial ion cloud and simulated plasma instabilities in the equatorial ionosphere during active experiments on the CRRES satellite and geophysical rockets // Turkish J. Phys. - 1996. - Vol. 20, No. 12. - P. 1306-1319.

25. Zaitsev S.N., Milinevsky G.P., Evtushevsky A.M. Simulation of the initial evolution of the CRRES G-9 barium release in the ionosphere // J. Atm. Terr. Phys. - 1996. - Vol. 58, No. 16. - P. 1895-1901.

26. Gritsai Z.I., Evtushevsky A.M., Leonov N.A., Milinevsky G.P. Comparison of ground-based and TOMS-EP total ozone data for Antarctica and northern midlatitude stations (1996-1999) // Phys. Chem. Earth (B). - 2000. - Vol. 25, No. 5-6. - P. 459-461.

27. Способ определения ориентации магнитных силовых линий на высотах ионосферы планет: А.с. 1492939 СССР, МКИ3 G 01 J 1/10. / Дзюбенко Н.И., Евтушевский А.М., Ивченко В.Н., Милиневский Г.П. (СССР) - 1989. - № 4042571/21; Заявлено 25.03.1986; Зарегистрировано 8.03.1989.

28. Способ измерения яркости искусственных протяженных светящихся образований в ионосфере: А.с. 1758447 СССР, МКИ3 G 01 J 1/10. / Евтушевский А.М., Милиневский Г.П. (СССР). - № 4758010/25; Заявлено 8.08.89; Опубл. 30.08.92, Бюл. N 32. - 4 с.

29. Пат. 17856А України, МПК5 G 01 J 1/10. Спосіб калібрування яскравості протяжних заатмосферних обєктів / Євтушевський О.М., Міліневський Г.П., Кравченко В.О. (Україна).- № 94042123; Заявл. 4.04.94; Опубл. 31.10.97, Бюл. N 5. - 4 с.

30. Evtushevsky A.M., Milinevsky G.P., Kravchenko V.A., Chernouss S.A., Romanovsky Yu.A., Savchenko V.A. Geophysical research in the upper atmosphere by optical diagnostic devices complex // Abstracts of the 19th Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods, Kiruna, Sweden, August 10-14, 1992. - P. 108.

31. Грицай З.И., Евтушевский А.М., Милиневский Г.П., Зайцев С.Н., Каширин А.И., Романовский Ю.А. Динамика филаментации бариевых ионных облаков в ионосфере // Proceedings of the International Seminar on Space Plasma Physics (6-10 June 1993, Kiev, Ukraine). - Kiev, 1994. - P. 117-125.

32. Evtushevsky A.M., Milinevsky G.P., Zaitsev S.N. The 3-D simulation of the initial ion cloud filamentation observed in the CRRES barium releases // Abstracts of the 22nd European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods, Finland, Nurmijarvi, 28.08-1.09.1995. - P. G-9.

33. Kravchenko V.A., Milinevsky G.P., Suprunenko A.A., Evtushevsky A.M., Leonov N.A., The search of the longterm oscillations in the geomagnetic field and ozone data from antarctic station Akademik Vernadsky // Proceedings of International Symposium "From solar corona into Earths magnetosphere: Interball", February 1-4, Kyiv, 2000. - P. 149-152.

34. Ivanov I.I., Kolomiets G.I., Milinevsky G.P., Musatenko S.I. Dynamic spectra of atmospherics obtained at Academic Vernadsky station // Abstracts of the First Ukrainian Antarctic Meeting, Kyiv, 4-7 June, 2001. - P. 59.