Электромагнитные волны и электростатические колебания в неоднородной плазменной структуре на геомагнитном экваторе (стр. 5 )

Для температурного фронта [Ижовкина и др., 2004] уравнение для вихревой структуры можно представить в виде

(16)

где - якобиан, -циклотронная частота ионов, - температура плазмы, ось направлена вдоль геомагнитного поля. Можно предположить, что скорость дрейфа вихря в уравнении (16) при смещении вихря в гравитационно-тепловом возмущении, связанном с движением подсолнечной точки, сопоставима со скоростью ионного звука.

В уравнении (16) при условии равенства нулю первого слагаемого в нуль обращается и второе, связанное с векторной нелинейностью. Иными словами, если функция в квадратных скобках в (16) не зависит от , член, связанный с векторной нелинейностью, равен нулю. В отличие от вывода уравнения Хасегава-Мимы, ОХМ-уравнения, [Незлин, Черников, 1995] было использовано предположение об однородности плазмы при и наличие нескомпенсированного заряда [Ижовкина и др., 2004]. При наложении фронтального температурного возмущения можно определить условия, при которых дисперсия и нелинейность Кортевега де Вриза взаимно скомпенсированы. При этом и векторная нелинейность обращается в нуль.

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Инкременты электростатических колебаний электронного компонента плазмы могут составлять , длина нарастания электростатических мод –метры (для электромагнитных – сотни – тысячи километров) [Ижовкина и др., 2001-2006]. Углубление плазменной ямки и образование плазменной полости на геомагнитном экваторе может быть связано с электростатической неустойчивостью. При уменьшении плотности плазмы сокращается объем свободных (собственных) электростатических колебаний в фазовом пространстве , сокращается сверху полоса частот свободных колебаний, поэтому при распространении колебаний в плазменную ямку высокочастотные колебания переходят из режима свободных колебаний в режим вынужденных возмущений, затухают и нагревают плазму. С ростом давления при нагреве происходит вытеснение (убегание) плазмы из нагреваемой ямки. Ямка углубляется. Обрезание спектра электростатического излучения обычно наблюдается на частотах порядка плазменной или верхнегибридной. Увеличение градиента плазменной плотности приводит к усилению затухания электростатических колебаний при их распространении в плазменную ямку и дальнейшему увеличению градиента при убегании частиц из области нагрева.

Важную роль в сохранении плазменных неоднородностей и их обнаружении могут играть вихревые структуры. Появлению вихревых структур может способствовать поляризационный дрейф заряженных частиц из плазменных ямок. В ямках затухают электростатические колебания электронного компонента при переходе из режима свободных колебаний в режим вынужденных возмущений. При этом затухает и поперечная относительно геомагнитных силовых линий составляющая электрического поля колебаний, что и приводит к поляризационному дрейфу. Отметим, что скорость ионов при таком дрейфе выше, чем скорость электронов. Вращающееся поле вихря может быть инициировано дипольным возмущением заряда при поляризационном дрейфе. Вихрь может быть вовлечен в движение поперек геомагнитных силовых линий, например, в гравитационно-тепловом возмущении планетарного масштаба, связанном со смещением подсолнечной точки. При пересечении геомагнитной экваториальной поверхности вихрь затухает, отдавая энергию в хаотическое движение заряженных частиц, в нагрев плазмы в области геомагнитного экватора. Таким образом плазменная полость на геомагнитном экваторе может углубляться при затухании электростатических колебаний и вихрей.

Наблюдавшееся в плазменной ямке яркое излучение на частотах 9-10 МГц могло быть связано с электромагнитными модами от искусственного источника излучения. В плотных стенках плазменной ямки интенсивность излучения уменьшалась. Это могло быть проявлением безотражательного рассеяния волн на плазменном потенциальном барьере [Ерохин, Михайловская, 2004] и параметрического рассеяния волн в полях электростатических колебаний [Арцимович, Сагдеев, 1979]. Например, для параметрического распада электромагнитной волны на электромагнитную волну и ленгмюровские колебания инкремент нарастания вторичных (рассеянных) волн составляет

, (17)

где - амплитуда электрического поля первичной волны, () - частота электромагнитных и ленгмюровских (плазменных) колебаний соответственно. Можно предположить, что при параметрическом рассеянии электромагнитных волн на широком спектре электростатических колебаний электронного компонента плазмы в стенках плазменной полости (рис.1) первичный электромагнитный импульс был существенно размыт по частоте, как это наблюдается, например, при F- рассеянии. При этом частота первичного импульса была существенно выше критической частоты отражения волн от ионосферного F- слоя.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В неустойчивой плазме верхней ионосферы на геомагнитном экваторе в плазменной ямке наблюдалось яркое излучение на частотах 9-10 МГЦ, в несколько раз превышающих плазменную и верхнегибридную частоты, на которых обрезается сверху широкополосный спектр электростатических колебаний электронного компонента плазмы. Наблюдавшееся яркое излучение могло быть связано с электромагнитными волнами с длиной волны десятки метров от искусственного источника излучения. Уменьшение яркости до порогового уровня измерительной аппаратуры в стенках плазменной ямки (плазменной полости) могло быть связано с усилением рассеяния волн с ростом плазменной плотности. Эксперимент проводился в неустойчивой плазме.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

-  , Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат, -166с. 1979.

-  , Физика ионосферы. М.: Наука, -527с. 1988.

-  , , Плазменные неоднородности в неустойчивой внешней ионосфере по данным спутника Интеркосмос-Болгария-1300 // Космич. исслед. Т.44. № 5. С.438-443. 2006.

-  , , Явление F-рассеяния в ионосфере / Под ред. . М.: Наука, - 144 с.1987.

-  Хук У. Волны в атмосфере. Москва: Мир, – 532 с. 1975.

-  , Некоторые особенности точно решаемых моделей взаимодействия волн с неоднородной средой / Сб. тр. междунар. конф. MSS-04 «Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность» / Под ред. , , М.: изд-во УРСС. С.42 - 47.– 552с. 2004. http:// URSS. ru.

-  , , . Тепловой режим внутри ионосферных пузырей // Космич. исслед. Т. 28. № 1. С.85-93. 1990.

-  , Ионосферные эффекты, инициированные интенсивными атмосферными вихрями / Сб. трудов международной конференции MSS-04 «Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность» / Под ред. , , М.: изд-во УРСС. С.426 - 434.– 552с. 2004. http:// URSS. ru.

-  , , Структурные особенности верхней дневной ионосферы по данным спутника Интеркосмос-19 // Космич. исслед. Т.34. № 2. С.125-129. 1996.

-  , . , . Структура ионосферного провала для разных уровней геомагнитных возмущений и источники нагрева плазмы верхней дневной ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. Т.39. № 4. С.39-43.1999.

-  , , Процессы нагрева и распада неоднородностей в электростатически неустойчивой плазме верхней ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. Т.41. № 4. С.491-494. 2001.

-  , , Электростатическое излучение и плазменные неоднородности в верхней ионосфере на геомагнитном экваторе // Геомагнетизм и аэрономия. Т.44. № 2. С.195-203. 2004.

-  , , Излучение в главном ионосферном провале в области терминатора по данным спутника АПЭКС // Геомагнетизм и аэрономия. Т.46. № 6. С.757-764. 2006.

-  Теория плазменных неустойчивостей. Т.2. Неустойчивости неоднородной плазмы. М.: Атомиздат, - 312 с. 1977.

-  , , Об интегралах вмороженности и лагранжевых инвариантах в гидродинамическом приближении // ЖЭТФ. Т. 83. № 1 (7). С.215-226. 1982.

-  , , Теория возникновения крупномасштабных структур в гидродинамической турбулентности // ЖЭТФ. Т.85. № 6 (12). С. 1979-1987. 1983.

-  , Аналогия дрейфовых вихрей в плазме и геофизической гидродинамике // Физика плазмы. Т.21. № 11. С.975-999. 1995.

-  , , Проект «АПЭКС» / Проект «АПЭКС». Научные задачи проекта АПЭКС, моделирование, техника и оборудование эксперимента. Под ред. , М.: Наука. С.6-16. - 253 с.1992.

-  Динамика радиации, захваченной геомагнитным полем. М.: Мир, - 192с. 1972.

-  Gdalevich G. L., Gubsky V. F., Izhovkina N. I., Ozerov V. D. Experiment and theory of plasma inhomogeneities in mid-latitude ionosphere // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V.60. N 2. P.247-252. 1998.

-  Haerendel G. Results from barium cloud releases in the ionosphere and magnetosphere // Space Res. V.13. P.601-617. 1973.

-  Hines C. O., Reddy C. A. On the propagation of atmospheric gravity waves through regions of wind shear // J. Geophys. Res. V.72. N 3. P.1015-1034. 1967.

-  Kennel C. F. Low – frequency whistler mode // Phys. Fluids. V.9. N 11. P.2190 -2209. 1966.

-  Kennel C. F., Ashour-Abdalla M. Electrostatic waves and strong diffusion of magnetospheric electrons / Magnetospheric plasma physics. Ed. Nishida A. Center of Academic Publications, Reidel Publishing Company, USA. P.245-337. - 348p. 1982.

-  Narcisi R. S., Szusczewicz E. P. Direct measurements of electron density, temperature and ion composition in an equatorial spread –F ionosphere // J. Atmosph. Terr. Phys. V.43. N 5/6. P.463-471. 1981.

-  Rottger J. Equatorial spread-F by electric fields and atmospheric gravity waves generated by thunderstorms // J. Atmosph. Terr. Phys. V.43. N 5/6. P.453-462. 1981.

-  Ruster R. Solution of the coupled ionospheric continuity equations and the equations of motion for the ions, electrons, and neutral particles // J. Atmosph. Terr. Phys. V.33. N 2. Р.137-147. 1971.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ И ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ В НЕОДНОРОДНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУКТУРЕ НА ГЕОМАГНИТНОМ

ЭКВАТОРЕ

, , З. Клос, Х. Роткель

Подписи к рисункам

Рис.1. Динамический спектр интенсивности волнового излучения (относительные единицы) при пересечении спутником экваториальной аномалии 25 мая 1992 г. в Евро-Африканском долготном секторе в зависимости от мирового времени UT, магнитного локального времени MLT, долготы l, магнитного наклонения I и высоты H для частотного диапазона 0.1 - 10 МГц. Белыми сплошными линиями на рисунке представлены расчетные значения гармоник гирочастоты электронов вдоль траектории движения спутника. Буквами а, б, в указаны моменты времени, для которых представлены индивидуальные спектры на панелях а. б. в.

Рис.2. Траектория АГВ-пакета при наличии слоев вертикального и горизонтальных

отражений. Прохождение в ионосферу невозможно.

Рис.3. Траектория АГВ-пакета в отсутствие слоя вертикального отражения и критического слоя. Имеются слои горизонтальных отражений. Возможно прохождение в ионосферу.

Рис.4. График безразмерного волнового числа в неоднородной волновой структуре в случае e|| < 1 (- продольная диэлектрическая проницаемость).

а)

МГц

б)

МГц

в)

МГц

Рис. 1. К статье Ижовкина и др.

Рис. 2. К статье Ижовкина и др

Рис. 3. К статье Ижовкина и др

Рис. 4. К статье Ижовкина и др