Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://solarwind.cosmos.ru/txt/2009/presentations/Ionosphere/Izhovkina.doc Дата изменения: Mon Mar 30 19:53:56 2009 Дата индексирования: Mon Oct 1 20:27:14 2012 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: дисперсия скоростей

УДК: 533.951
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ И ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ В НЕОДНОРОДНОЙ
ПЛАЗМЕННОЙ СТРУКТУРЕ НА ГЕОМАГНИТНОМ
ЭКВАТОРЕ
Н.И.Ижовкина1, И.С.Прутенский1, С.А.Пулинец1, Н.С.Ерохин2,
Л.А.Михайловская2, З.Клос 3, Х.Роткель 3
1Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН,
им. Н.В.Пушкова, г.Троицк, Московская обл.
2Институт космических исследований РАН, г. Москва
3Space Research Center, CBK PAN, Bartycka, 18 a, 00-716, Warsaw Poland
Представлены данные измерений широкополосного волнового излучения в верхней
ионосфере в области геомагнитного экватора (спутниковый эксперимент АПЭКС).
Показано, что наблюдавшееся электромагнитное излучение в ямке плазменной
плотности могло быть связано с образованием крупномасштабной плазменной
полости в окрестности геомагнитной экваториальной поверхности. При
затухании плазменных вихревых структур и электростатических колебаний,
распространяющихся поперек геомагнитных силовых линий и пересекающих
геомагнитную экваториальную поверхность, в области нагрева могла
образоваться крупномасштабная ямка плазменной плотности. Яркость
наблюдавшегося электромагнитного излучения на частотах выше собственных
частот плазмы, локальной плазменной и/или верхнегибридной, уменьшается с
ростом указанных собственных частот.

1.ВВЕДЕНИЕ
Образование неоднородных плазменных структур, распространение
электромагнитных и электростатических возмущений в таких структурах
представляют интерес для физики плазмы и геофизики [Абурджаниа, 2006;
Моисеев и др., 1982, 1983; Незлин, Черников, 1995; Haerendel, 1973;
Gdalevich et al., 1998; Ерохин, Михайловская, 2004; Ерохин, Шалимов, 2004;
Ижовкина и др., 1996-2006].
Широкополосные спектры электростатического излучения электронного
компонента ионосферной плазмы, измеренные в экспериментах на спутниках
Интеркосмос-19 [Ижовкина и др., 1996] и АПЭКС [Ораевский и др., 1992;
Ижовкина и др., 1996-2006], зависят от геофизических условий. Можно
отметить, что эта зависимость проявляется, например, в неоднородном
геомагнитном поле [Ижовкина и др., 2004] и на терминаторе день-ночь
освещенности ионосферы [Ижовкина и др., 2006]. Данные измерений можно
использовать для исследований электродинамических параметров плазменных
неоднородностей с размерами [pic], где [pic]- ларморовский радиус ионов. По
данным измерений спектров волнового излучения на частотах порядка частот
свободных колебаний электронного компонента плазмы и на более высоких
частотах можно обнаружить влияние плазменных неоднородных структур верхней
ионосферы на распространение электромагнитных волн. В этой работе
представлены данные измерений широкополосного волнового излучения в верхней
ионосфере в области геомагнитного экватора (спутниковый эксперимент АПЭКС).
Показано, что в неоднородной плазменной структуре в верхней экваториальной
ионосфере наблюдалось безотражательное рассеяние электромагнитных волн на
частотах выше локальной плазменной. Формирование неоднородной структуры
плазмы могло быть связано с гравитационно-диссипативной неустойчивостью
плазмы на высотах ниже максимума ионосферного F- слоя. Затухание
электростатических колебаний электронного компонента плазмы в плазменных
ямках (областях пониженной плазменной плотности) могло привести к росту
градиентов плотности плазмы и углублению плазменной ямки. Важную роль в
процессах образования неоднородной плазменной структуры играют возбуждение
и затухание плазменных вихрей. Крупномасштабные возмущения ионосферной
плазмы могут быть связаны с атмосферными при возможном усилении атмосферных
волн на ветровых разрывах. Нагрев ионосферной плазмы в области
геомагнитного экватора и образование крупномасштабной неоднородной
плазменной структуры могли быть связаны с затуханием плазменных вихрей и
электростатических колебаний, распространяющихся поперек геомагнитных
силовых линий и пересекающих геомагнитную экваториальную поверхность. В
точках пересечения геомагнитных силовых линий с геомагнитной
экваториальной поверхностью напряженность геомагнитного поля для заданной
силовой линии минимальна. Геомагнитное поле Земли не дипольное. Необходимо
учитывать влияние геомагнитных аномалий, например, Южно-Атлантичес-кой
геомагнитной аномалии. Самосогласованные плазменные вихревые структуры
(плазменные вихри) - плазменные неоднородности, захваченные вращающимся
электрическим полем, с радиусом неоднородности, превышающим ларморовский
радиус ионов.
В этой работе представлены результаты исследований данных измерений
на спутнике АПЭКС широкополосного волнового излучения в верхней ионосфере в
области геомагнитного экватора на ночной стороне.

2. ДАННЫЕ ИЗМЕРЕНИЙ

Спутник АПЭКС (Активный Плазменный ЭКСперимент) был выведен в декабре
1991 г. с космодрома «Плесецк» на околоземную полярную эллиптическую орбиту
с наклонением 82,5о, апогеем ~3000 км и перигеем ~440 км. Спутник имел 3-
осную стабилизацию.
Волновые измерения на борту спутника проводились плазменным
радиоспектрометром (ПРС-3), который представлял собой приемник c
чувствительностью по входному сигналу 0,5 мкВ и шаговой перестройкой по
частоте в диапазоне частот 0,1 - 10 МГц. Шаг частотной перестройки
составлял 25/50/100 кГц, полоса пропускания по входу приемника - 15 кГц и
динамический диапазон изменения уровня входного сигнала - 80 дБ. В качестве
датчика прибора использовалась электрическая дипольная антенна общей длиной
15 м, ориентированная параллельно земной поверхности.
На рис.1 приведен динамический спектр излучения плазмы для прохождения
спутником экваториальной аномалии в Евро-Африканском долготном секторе 25
мая 1992 г. (виток 1892). Сплошными светлыми линиями на рисунке отмечены
первые три гармоники циклотронной частоты электронов. Измерения проводились
в магнитоспокойных условиях: Кр ~2-, ( Кр= 19, Dst ~-22 нТл. В 22:52 UT
(MLT = 1,2 ч) спутник пересек геомагнитный экватор. На рисунке плазменная
частота приблизительно соответствует частоте обрезания спектра излучения.
Плазменная и верхнегибридная частоты отличаются на десятые доли величины
частоты для рассматриваемого участка траектории спутника. В области
геомагнитного экватора наблюдается сокращение сверху спектра собственных
частот электростатических колебаний электронного компонента плазмы. Это
соответствует образованию крупномасштабной ямки плазменной плотности. На
частотах ~9.5, 8.5, 7 и 6 МГц, в провале плотности зарегистрированы
излучения в радиовещательных диапазонах, соответствующих длинам волн ~31.6,
35.3, 42.9 и 50 м. Частоты этих излучений существенно превышают локальную
плазменную и/или верхнегибридную частоту. Наиболее интенсивное излучение
наблюдается в районе 9.5 МГц. Оно может быть связано с искусственными
источниками электромагнитного излучения (например, радиовещательными или
радиосвязными станциями). Появление электромагнитного излучения в ямке
плазменной плотности может служить индикатором образования крупномасштабной
плазменной полости. В полости в сравнении с более плотной плазмой в стенках
полости электромагнитные волны с длиной волны десятки метров могли
распространяться относительно свободно.

3. МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ ПОЛОСТИ.
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ВОЗМУЩЕНИЯ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЕ
В ОБЛАСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ЭКВАТОРА

Предположим, что частота и волновой вектор возмущений стремятся к нулю
([pic] ). Тогда можно представить величину тока в крупномасштабном
гравитационно-тепловом возмущении, связанном со смещением подсолнечной
точки, в виде
[pic], (1)
где [pic]-ускорение для гравитационного поля, [pic]- напряженность
геомагнитного поля, [pic]- скорость света, [pic]- давление, [pic] плотность
плазмы по массе. Для оценок электрического поля и скорости ортогонального к
геомагнитному полю смещения для такого возмущения можно использовать
поперечную проводимость плазмы для электронного компонента в приближении
холодной плазмы
[pic], (2)
[pic], (3)
[pic], [pic], (4)
где[pic]- заряд, масса и частота столкновений электронов с компонентами
ионосферы, [pic] - концентрация плазмы, [pic] - циклотронная частота
электронов.
Наблюдалось (рис.1) увеличение интенсивности волнового сигнала для
диапазона частот ~(9 - 10) МГц в верхней ионосфере в плазменной ямке в
области геомагнитного экватора. Интенсивность излучения уменьшалась в
плотных стенках плазменной ямки. Поскольку частота наблюдавшегося яркого
излучения выше локальной плазменной и верхнегибридной частоты в несколько
раз, можно предположить, что регистрировалось электромагнитное излучение,
возможно, от искусственного источника. Наблюдавшийся «захват» этого
излучения в плазменную ямку (крупномасштабную неоднородность в виде
полости) имел характер безотражательного рассеяния волн на потенциальном
барьере [Ерохин, Михайловская, 2004]. Образование плазменной ямки может
быть связано с нагревом плазмы затухающими в плазменной ямке
электростатическими колебаниями [Ижовкина и др., 1996-2006] и затуханием
плазменных вихрей, движущихся поперек геомагнитного поля и пересекающих
геомагнитную экваториальную поверхность.
Рост (затухание) электромагнитных волн при их распространении можно
рассчитать в приближении горячей плазмы. При этом удобно использовать
представление волновых полей в виде [Kennel and Ashour-Abdalla, 1982;
Ижовкина и др., 2006]. Из расчетов следует, что инкремент роста
электромагнитных мод Бернштейна на несколько порядков меньше инкрементов
роста электростатических колебаний для неустойчивого распределения
электронного компонента в пространстве скоростей. В устойчивой плазме,
например, с распределением Максвелла электронов по скорости, длина
затухания электростатических колебаний на несколько порядков меньше, чем
для электромагнитных мод. Наблюдавшееся на спутнике существенное различие
яркости электромагнитного излучения для диапазона 9-10 МГц в плазменной
ямке и в стенках ямки, возможно, связано с рассеянием волн в неустойчивой
неоднородной плазме преимущественно в плотных стенках, где ширина полосы
электростатических колебаний и уровень плазменных возмущений выше, чем в
плазменной ямке (полости). Следует предположить, что рассеяние волн на
электростатических колебаниях электронного компонента могло иметь характер
параметрических взаимодействий [Арцимович, Сагдеев,1979]. При этом сигнал
мог быть существенно размыт по частоте, например, как в случае хорошо
известного явления F-рассеяния, в частности для ночной экваториальной
верхней ионосферы, [Брюнелли, Намгаладзе, 1988; Гершман и др., 1987;
Narcisi, 1981; Rottger, 1981; Ruster, 1971].
При зондировании ионосферы электромагнитными волнами наблюдается
явление F-рассеяния (F-spread), множественные отражения, диффузные
отражения, мультиплеты, для всей сети ионосферных станций. На ионограммах
регистрируется также замирание радиосигналов дискретных источников. При
импульсном вертикальном зондировании ионосферы отраженный сигнал становится
размытым, имеет значительно большую продолжительность, чем зондирующий
импульс. F- рассеяние ухудшает точности определения критических частот и
высот для области отражения. Замирание радиосигналов и F- рассеяние связаны
с неоднородной структурой ионосферной плазмы. Явление F-рассея-ния
наблюдается в любое время суток, но для низкоширотной ионосферы частота
наблюдений этого явления возрастает на ночной стороне. По-видимому, это
может быть связано с отключением ионизации компонентов ионосферы прямым
солнечным ультрафиолетовым и мягким рентгеновским излучением. В ночное
время распадающиеся ионосферные слои не могут быстро восстанавливаться за
счет фото-ионизации, в отличие от освещенной ионосферы.
В F- слое ионосферы может развиваться гравитационно-диссипативная
неустойчивость. Частота и инкремент роста свободных колебаний составляют
соответственно [Михайловский,1977]
[pic][pic][pic], (5)
где [pic] [pic], ( [pic])- соответственно температура, заряд, масса и
циклотронная частота ионов, [pic], [pic]- составляющие волнового вектора
возмущений перпендикулярно геомагнитному полю и вдоль оси [pic], [pic] -
скорость света. Выбрана ортогональная система координат с осью
[pic]параллельной внешнему магнитному полю, полагалось [pic]. Эффективная
частота столкновений ионов [pic]по порядку величины составляет для
полностью ионизованной плазмы [pic] , где [pic]- частота ион-ион
столкновений [Михайловский, 1977]. Для ионосферы возможно влияние примеси
тяжелых ионов, железа и магния, [Narcisi, Szusczewicz , 1981] на инкремент
роста гравитационно-диссипативной неустойчивости в области критических
частот и высот для F- слоя.
Образующиеся при гравитационно-диссипативной неустойчивости ямки
плазменной плотности могут прогреваться при затухании в них
электростатических колебаний электронного компонента плазмы.
Собственный фазовый объем в пространстве частота - волновой вектор
[pic] электростатических (и электромагнитных) возмущений ограничен. Это
следует из резонансных условий возбуждения возмущений. Из уравнений
черенковского [pic] и циклотронных [pic] резонансов несложно увидеть, что
диапазоны [pic] и [pic] ограничены для любой функции распределения частиц в
пространстве скоростей ([pic]частота, [pic] - волновой вектор возмущений,
[pic]- вектор скорости частицы, [pic]- номер гармоники, [pic] -
циклотронная частота частиц, [pic] и [pic] - составляющие волнового вектора
и скорости частиц, параллельные внешнему магнитному полю). Холодные частицы
(скорость частиц [pic]) колебания не раскачивают, и для любой физически
реальной функции распределения частиц в пространстве скоростей плотность
частиц при[pic] равна нулю.
В зависимости от параметров плазмы собственный фазовый объем
электростати-ческих колебаний в [pic]- пространстве трансформируется
[Ижовкина и др., 1996-2006].
Общее выражение для диэлектрической проницаемости электростатических
возмущений горячей замагниченной плазмы имеет следующий вид [Kennel, 1966]
[pic]

[pic] (6) [pic]
где[pic]- распределение заряженных частиц в пространстве
скоростей;[pic],[pic]продольная и ортогональная относительно внешнего
магнитного поля составляющие скорости частиц; [pic]- ортогональная
составляющая волнового вектора [pic]электростатических возмущений, [pic]-
функции Бесселя первого рода. Из выражения (6) видно, что амплитуда
колебаний кривой [pic] относительно 1 при заданных [pic] и других
параметрах задачи пропорциональна плотности плазмы, поскольку, например,
для электронов [pic] [Ижовкина и др., 2001]. Появление собственных частот
возможно при амплитуде колебаний кривой [pic], превышающей 1, при заданных
остальных параметрах задачи. При амплитуде колебаний меньше 1 собственные
частоты исчезают. Происходит обрезание спектра электростатических колебаний
с уменьшением плотности плазмы.
Условия распространения плазменных и атмосферных волн изменчивы. При
распространении акустико-гравитационных волновых пакетов (АГВ) возможно их
усиление на градиентах скорости ветра [Gdalevich et al., 1998; Hines,
Reddy, 1967]. Источником пакетов атмосферных волн, например, на нижней
границе ионосферного Е-слоя могут быть пульсации атмосферного давления.
Распространение атмосферных волн и их затухание в нижней ионосфере зависят
от состояния атмосферы на высотах ~ 100 км, где наблюдаются ветровые
сдвиги. Влияние ветровых сдвигов на распространение волн рассмотрим на
простой математической модели, представленной ниже.
Предположим, что горизонтальная направленная скорость зависит только
от вертикальной координаты [pic]. В системе координат, движущейся с
постоянной по оси [pic] скоростью ветра [pic], система линеаризованных
уравнений движения может быть выписана в виде
[pic](7)
где [pic] малые возмущения горизонтальной и вертикальной скорости,
[pic]возмущения давления и плотности, [pic]плотность. Для рассматриваемых
волновых возмущений переход в неподвижную лабораторную систему координат из
используемой движущейся системы координат связан с допплер-сдвигом частоты,
так как (в нашем случае) действие оператора [pic]
[pic][pic]
на волновую функцию [pic]приводит к хорошо известному результату -
частотному сдвигу [pic] (знак зависит от направлений [pic]и [pic]).
Уравнение непрерывности для несжимаемой среды (дозвуковой предел) в
линейном приближении для движения в плоскости [pic] представим в виде
[pic]. (8)
Произведя дифференцирование уравнения для [pic] и уравнения
несжимаемости [pic] по [pic] и несложные подстановки [pic]
для волнового движения, получим
[pic]
[pic], (9)
[pic] (10)
с помощью подстановки
[pic], (11)
[pic] (12)
для [pic] уравнение (9) может быть приведено к виду, удобному для анализа
[pic] (13)
где знак выражения в фигурных скобках определяет тип уравнения.
Из уравнения (13) видно, что ветровой сдвиг существенно влияет на
волновое возмущение. Связь вертикального и горизонтального движений
определяется сложным соотношением параметров задачи. В вертикальной
плоскости волновое число для уравнения колебаний оказывается зависящим от
параметров неоднородной среды, как и амплитуда колебаний (напомним о
подстановке (11),(12)). Возможен рост возмущений на ветровом разрыве
[Госсард, Хук, 1975; Hines, Reddy, 1967]. С уменьшением плотности
атмосферы, когда [pic], амплитуда волн может сильно возрастать (11)-(13).
В приближении сжимаемой среды квадрат частоты Брента-Вяйсяля
составляет
[pic],
где [pic]скорость звука [Госсард, Хук, 1975].
На примере этой простой задачи ясно, что проникновение пакетов
акустико-гравитационных возмущений из атмосферы в E- слой ионосферы и
динамо-область затухания волн через слои с ветровыми сдвигами приводит к
изменению параметров волновых пакетов с возможным усилением волн. Напомним,
что пакеты АГВ могут возбуждаться при колебаниях атмосферного давления в
авроральных электроструях, на солнечном терминаторе, в атмосферных вихрях и
других источниках. Наряду с естественными источниками возможно влияние на
ионосферу мощных источников искусственного происхождения. Существенно, что
даже сравнительно слабые АГВ при распространении из области атмосферного
вихря на ионосферные высоты значительно увеличивают свою амплитуду за счет
падения плотности газа с высотой, причем в области высот порядка 100 км
возможно даже опрокидывание АГВ с генерацией турбулентности. Условия
прохождения АГВ из нижней атмосферы в ионосферу наиболее просто выявляются
при рассмотрении траекторий вектора групповой скорости волнового пакета.
Уравнения для лучевых траекторий волнового пакета в неоднородной среде
имеют вид [Госсард, Хук, 1975]

[pic]



Здесь [pic]- групповая скорость, [pic] - частота АГВ с учетом допплер -
сдвига, [pic] - горизонтальный компонент волнового вектора. Заметим, что
прохождение АГВ в ионосферу имеет место для крупномасштабных волн, когда
выполняется условие [pic]. Для исследования характера лучевых траекторий
использовались некоторые типичные вертикальные профили фоновых температурно-
ветровых структур (аналитические аппроксимации экспериментальных данных)
т.е. профили частоты Брента-Вяйсяля [pic] и скорости зонального потока
[pic]. Численные расчеты показывают, что при распространении из тропосферы
на ионосферные высоты АГВ, в общем случае, встречают слои горизонтального
отражения, в которых [pic], слои вертикального отражения, в которых [pic],
и критические слои, в которых [pic]. Следовательно, критический слой
возникает только для тех АГВ, для которых [pic]. В окрестности
критического слоя вертикальное волновое число [pic] становится аномально
большим. Необходимо учитывать диссипативные факторы, что приводит к полному
поглощению приходящей волны. В целом при типичных значениях скорости
зонального потока прохождение АГВ вверх становится возможным для мод, у
которых горизонтальная длина волны порядка десятков километров и более.
Характер траекторий может быть сложным, например, как это показано на рис.2
и 3. Отметим, что ионосферный отпечаток источника АГВ может быть смещен в
горизонтальной плоскости на расстояния порядка сотен и тысяч километров от
источника генерации волн. Возникновение ионосферного отпечатка АГВ является
одним из индикаторов и предвестников развития крупномасштабных кризисных
процессов, в частности, атмосферных вихрей типа ураганов. Следует
учитывать, что приходящие снизу крупномасштабные АГВ могут инициировать
Релей-Тейлоровскую неустойчивость ионосферной плазмы на высотах ниже
максимума плазменной концентрации с возникновением плазменных пузырей с
достаточно сильным поляризационным электрическим полем внутри пузыря
[Ерохин и др., 1990].
При вовлечении заряженных частиц в движение поперек геомагнитного поля
в результате столкновений частиц слабоионизованной ионосферной плазмы в
динамо-области нижней ионосферы происходит затухание атмосферных волн.
Напряженность электрического поля, индуцируемого в ионосфере атмосферными
волнами, составляет [pic], где [pic]- скорость движения частиц в
ионосферном возмущении, связанном с атмосферным волновым пакетом,
ортогональная геомагнитному полю, [pic]- напряженность магнитного поля.
Затухание электрического поля зависит от локальной проводимости ионосферной
плазмы. Расчеты показывают, что атмосферные волновые пакеты затухают в
ионосферном слое при распространении вверх на высотах [pic] км. Выделяемая
на нагрев ионосферной плазмы мощность составляет [pic], где j = [pic] E ,
[pic]- тензор проводимости ионосферной плазмы. Продольная относительно
геомагнитного поля проводимость электронного компонента слабоионизованной
ионосферной плазмы составляет
[pic].
С ростом частоты возмущения [pic] продольная проводимость уменьшается,
поэтому вдоль силовых линий геомагнитного поля проецируется с наименьшими
потерями низкочастотная и длинноволновая область спектрального
распределения индукционных полей и токов, возбуждаемых атмосферными волнами
в нижней ионосфере. Появление в верхней ионосфере плазменных
неоднородностей малых масштабов, включая метровый диапазон, может быть
связано с распадом крупномасштабных неоднородностей на мелкомасштабную
структуру вследствие немонотонной зависимости диэлектрической проницаемости
электростатических колебаний при монотонной зависимости плотности плазмы от
пространственных координат [Ижовкина и др., 2001]. Распад плазменных
неоднородностей на немонотонную в зависимости от координат плазменную
структуру наблюдался в космических экспериментах с бариевыми облаками и
струями [Haerendel, 1973]. При нагреве ионосферы пакетами атмосферных волн
при затухании полей и токов, индуцируемых атмосферными возмущениями в
ионосферной плазме, возможно образование неоднородностей в толще ионосферы,
включая внешнюю ионосферу. При этом из нижней ионосферы в верхнюю могут
распространяться надтепловые потоки частиц, убегающие из нагреваемых
атмосферными волнами слоев ионосферной плазмы.
Измерения мощности волнового излучения для диапазона частот
электростатической неустойчивости электронного компонента плазмы на
спутниках позволяют регистрировать широкополосное волновое излучение,
захватывающее несколько гармоник гирочастоты электронов [Ижовкина и др.,
1996-2006; Kennel, Ashour-Abdalla, 1982]. Электростатическая неустойчивость
электронного «быстрого» компонента плазмы верхней ионосферы играет важную
роль в усилении слабой модуляции плотности плазмы верхней ионосферы
надтепловыми потоками заряженных частиц, распространяющихся из областей
затухания атмосферных волн в динамо-области нижней ионосферы.
Собственные колебания плазмы линейно независимы. Инкремент роста
электростатических колебаний не зависит от плотности плазмы, но ширина
полосы собственных частот зависит от плазменной плотности, поэтому поток
энергии высокочастотных колебаний в неоднородной плазме анизотропен
[Ижовкина и др., 1996 -2006]. Рассмотрим модель нагрева плазменной ямки.
Для уровня плотности плазмы [pic] полоса собственных частот обрезается на
частоте [pic], для уровня [pic]соответственно на частоте [pic]. Пусть
[pic], тогда [pic]. В полосе частот [pic] поток энергии колебаний
квазиизотропен, для [pic] - анизотропен и направлен в сторону уменьшения
плотности плазмы против градиента плазменной плотности вглубь ямки.
Анизотропный поток энергии высокочастотных колебаний, затухающих при
уменьшении плазменной плотности в ямке при переходе колебаний через точки
бифуркации (точки перехода из режима собственных колебаний в режим
вынужденных возмущений) можно оценить по формуле
[pic](14)
где [pic]средняя групповая скорость колебаний, [pic] - средняя спектральная
плотность энергии колебаний, [pic][pic] [pic]плазменная частота для уровней
плотности плазмы [pic]. Для [pic]см с-1 , [pic], эрг см-3 с, анизотропный
поток энергии колебаний составляет
[pic] эрг см-2с-1,
где [pic] Можно оценить [pic] по обрезанию спектра естественного
электростатического шума. Так для [pic] отношение [pic] При плотности
энергии частиц плазмы [pic], где [pic]- температура ([pic]эрг), для [pic]
см-3 , [pic] эрг см-3 , можно оценить время нагрева ямки[pic]с
пространственным масштабом [pic]для линейно наклоненной плазменной стенки
анизотропным потоком электростатических колебаний до уровня, сопоставимого
с [pic],
[pic] c, для [pic]см соответственно. Для оценок мы задали [pic].
Отношение [pic] может быть и выше, время нагрева [pic]сократится. Прежде
всего, это относится к области неустойчивой плаз-мы. Вытеснение плазмы из
ямки (убегание частиц), по-видимому, происходит со скоростью порядка
скорости ионного звука. При этом скорость определяется температурой
электронов и массой ионов.
Прогрев плазменных ямок коротковолновыми электростатическими
колебаниями электронного компонента плазмы, попадающими на уровни плотности
плазмы ниже критического для свободных колебаний, связан с появлением
поляризационных потоков заряженных частиц поперек силовых линий
геомагнитного поля. Скорость поляризационного дрейфа частиц в переменном
электрическом поле составляет [Редерер,, 1972]
[pic] (15)
где [pic]масса и заряд электронов и ионов, [pic]компонент электрического
поля, ортогональный внешнему магнитному полю; [pic]- время. Для
напряженности электрического поля колебаний [pic]ед. CGSE, затухающего за
время, сопоставимое с периодом циклотронного вращения электронов, скорость
поляризационного дрейфа ионов превышает тепловую при однократном
прохождении ионами области затухания поля. Для электронов скорость
поляризационного дрейфа может превысить тепловую при многократных (порядка
103) столкновениях электронов с областями затухания электростатических
возмущений. Электроны при своем движении в неустойчивой ионосферной плазме
могут многократно сталкиваться с областями пониженной плазменной
плотности, в которых затухают электростатические колебания электронного
компонента плазмы. Ускорение электронов и ионов при поляризационном дрейфе
возможно в области их устойчивого захвата геомагнитным полем до высыпания в
конус потерь. Процесс ускорения электронов и ионов затухающими полями
электростатических колебаний представляется возможным во внешней ионосфере,
где влияние столкновений ускоряемой частицы с компонентами ионосферы с
ростом высоты уменьшается.
В режиме безотражательного распространения электромагнитной волны
возможно резонансное взаимодействие заряженных частиц с поперечной
электромагнитной волной. Используем связь тензора диэлектрической
проницаемости с переменным в пространстве волновым вектором [pic][pic]-
вакуумное волновое число. Анализ математической модели [Ерохин,
Михайловская, 2004] показывает, что волны s-поляризации (волна поляризована
вдоль внешнего магнитного поля), распространяющиеся поперек геомагнитного
поля, могут эффективно взаимодействовать с электронами. При этом влиянием
геомагнитного поля на диэлектрическую проницаемость можно пренебречь.
Возможно ускорение электронов такой волновой модой. В качестве иллюстрации
рассмотрим неоднородную волновую структуру вида
[pic].
Эффективный показатель преломления [pic]определяется из следующего
уравнения [pic]. Анализ этого уравнения показывает, что даже в случае [pic]
решение для функции [pic] может содержать области, в которых [pic] (см.
рис.4). В этих областях возможны черенковский резонанс заряженных частиц с
поперечной волновой модой и эффективная передача энергии от волны частицам
плазмы и наоборот. Вполне вероятно появление дополнительного канала для
генерации потоков ускоренных частиц.
В неустойчивой плазме прогреваются ямки плотности любых
пространственных размеров, так как происходит непрерывное сокращение
(обрезание) полосы собственных частот сверху с уменьшением плотности
[Ижовкина и др., 2001].
В нагреве плазмы важную роль могут играть плазменные вихри. По данным
экспериментов АПЭКС и КОСМОС-900 обнаружено влияние геомагнитной
экваториальной поверхности на ионосферную плазму [Гдалевич и др., 2006;
Ижовина и др., 2004]. Можно предположить, что крупномасштабные ионосферные
плазменные неоднородности имеют вихревую структуру [Моисеев и др., 1982,
1983; Незлин, Черников, 1995; Ерохин, Шалимов, 2004; Гдалевич и др., 2006;
Ижовина и др., 2004]. Плотность энергии плазменного вихря зависит от
градиентов плотности и температуры плазмы. На геомагнитном экваторе один из
компонентов геомагнитного поля меняет знак. Изменения геомагнитного поля на
расстоянии порядка ларморовского радиуса ионов малы, но вихрь - объемная
структура с радиусом, превышающим ларморовский радиус ионов. Сверху размеры
вихря в однородном магнитном поле ограничены только градиентами плотности и
температуры плазмы. Геомагнитное поле направлено в верхнюю полусферу по
одну сторону от геомагнитной экваториальной поверхности, в нижнюю - по
другую сторону. Крупномасштабная плазменная неоднородность - вихрь
вовлекается в движение приливного гравитационно-теплового возмущения,
связанного со смещением подсолнечной точки. Скорость такого, по-видимому,
сложного движения имеет составляющую [pic]поперек поверхности геомагнитного
экватора. Напомним, что геомагнитный и географический экваторы не
совпадают. Скорость вращения частиц плазмы в вихре [pic] связана с
дипольным возмущением заряда, потенциалом [pic] и электрическим полем
вихря, [pic] Частицы обладают массой и скоростью, при отсутствии сторонних
сил движутся по инерции. Электрическое поле вихря связано с заряженными
частицами вихря. При движении поперек силовых линий геомагнитного поля и
пересечении поверхности геомагнитного экватора, где поле [pic] для объемной
структуры - вихрь существенно меняет направление, вихрь рассыпается. Время
затухания вихря при этом составляет [pic] , где [pic]- радиус вихря.
Скорость смещения подсолнечной точки на геомагнитном экваторе составляет
~500 м/с. Скорость ионизующего и нагревающего ионосферу солнечного
фотонного потока равна скорости света, что на 3 -5 порядков выше скорости
ионосферных электронов и ионов, образующихся в результате фото-ионизации
компонентов ионосферы мягким рентгеновским и ультрафиолетовым излучением
Солнца. Скорость ионосферных тепловых электронов на два порядка превышает
скорость смещения подсолнечной точки. Ионно-звуковая скорость [pic], где
[pic]- температура электронного компонента плазмы, превышает скорость
смещения подсолнечной точки на порядок. Геомагнитная экваториальная
поверхность представляет препятствие для свободного дрейфа вихря. При
изменении направления геомагнитного поля на противоположное скорость
движения частиц вихря должна измениться на противоположную, но частицы
вихря движутся по инерции. При нарушении самосогласованной связи между
электрическим полем вихря и частицами, захваченными полем, энергия вихря
передается хаотическому движению частиц. В возможной области затухания
вихрей, например, на геомагнитном экваторе, наблюдается нагрев плазмы
[Гдалевич и др., 2006; Ижовкина и др., 2004]. Электрическое поле вихря
придает устойчивость плазменной неоднородности, что позволяет ее
обнаружить. Вытянутые вдоль геомагнитных силовых линий неоднородности могут
служить волноводными каналами для распространения электромагнитных волн
естественного и искусственного происхождения. Нагрев плазмы при рассыпании
вихря приведет к росту давления. Вытеснение плазмы из области нагрева
способствует углублению плазменной ямки. Возможно образование новых
областей с поперечными относительно геомагнитного поля градиентами
плотности и температуры плазмы. Такие градиенты способствуют формированию
новых вихревых структур.
Для температурного фронта [Ижовкина и др., 2004] уравнение вихревой
структуры можно представить в виде
[pic](16)
где [pic]- якобиан, [pic]-циклотронная частота ионов, [pic]- температура
плазмы, ось [pic]направлена вдоль геомагнитного поля. Можно предположить,
что скорость дрейфа вихря [pic]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 [pic], якобиан,
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 [pic] и наличие
нескомпенсированного заряда [pic] [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 [pic], 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 [pic], 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. 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.
Отметим, что скорость ионов при поляризационном 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
[pic]инкремент нарастания вторичных (рассеянных) волн составляет
[pic], (17)
где [pic]- амплитуда электрического поля первичной волны, ([pic]) -
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 верхней ионосфере в области геомагнитного экватора наблюдалось
безотражательное рассеяние волн в неоднородной плазменной структуре.
Частота волнового сигнала в несколько раз превышала локальную плазменную и
верхнегибридную частоты. Образование неоднородной структуры плазмы могло
быть связано: 1) с гравитационно-дисси-пативной неустойчивостью плазмы на
высотах ниже максимума ионосферного F- слоя, 2) c затуханием
электростатических колебаний электронного компонента плазмы в областях
пониженной плазменной плотности, 3) c возбуждением и затуханием плазменных
вихрей, 4) c затуханием атмосферных волновых возмущений в ионосфере при
нарастании возмущений в атмосфере на градиентах плотности атмосферы и
скорости ветра.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ




- Абурджаниа Г.Д. Самоорганизация нелинейных вихревых структур и вихревой
турбулентности в диспергирующих средах. Под ред. Ломинадзе Г.Д. Изд-во:
КомКнига. - 328 с. 2006.
- Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат,
-166с. 1979.
- Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, -527с. 1988.
- Гдалевич Г.Л., Ижовкина Н.И., Озеров В.Д., Банко Н., Чапканов С.,
Тодориева Л., Плазменные неоднородности в неустойчивой внешней ионосфере
по данным спутника Интеркосмос-Болгария-1300 // Космич. исслед. Т.44. ?
5. С.438-443. 2006.
- Гершман Б.Н., Казимировский Е.С., Кокуров В.Д., Чернобривкина Н.А.
Явление F-рассеяния в ионосфере / Под ред. Н.М.Ерофеева. М.: Наука, - 144
с.1987.
- Госсард Э., Хук У.Волны в атмосфере. Москва: Мир, - 532 с. 1975.
- Ерохин Н.С., Михайловская Л.А. Некоторые особенности точно решаемых
моделей взаимодействия волн с неоднородной средой / Сб. тр. междунар.
конф. MSS-04 «Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность»
/ Под ред.Ерохина Н.С., Когана Е.Я., Балебанова В.М., Артехи С.Н.,
Зольникова И.Н., Михайловской Л.А. М.: изд-во УРСС. С.42 - 47.- 552с.
2004. http:// URSS.ru.
- Ерохин Н.С., Кащенко Н.М., Мациевский С.В., Никитин М.А. Тепловой режим
внутри ионосферных пузырей // Космич. исслед. Т. 28. ? 1. С.85-93. 1990.
- Ерохин Н.С., Шалимов С.А. Ионосферные эффекты, инициированные
интенсивными атмосферными вихрями / Сб. трудов международной конференции
MSS-04 «Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность» / Под
ред. Ерохина Н.С., Когана Е.Я., Балебанова В.М., Артехи С.Н., Зольникова
И.Н., Михайловской Л.А. М.: изд-во УРСС. С.426 - 434.- 552с. 2004.
http:// URSS.ru.
- Ижовкина Н.И., Карпачев А.Т., Пулинец С.А. Структурные особенности
верхней дневной ионосферы по данным спутника Интеркосмос-19 // Космич.
исслед. Т.34. ? 2. С.125-129. 1996.
- Ижовкина Н.И., Афонин В.В.. Карпачев А.Т., Прутенский И.С.. Пулинец С.А.
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.
- Ижовкина Н.И., Карпачев А.Т., Прутенский И.С., Пулинец С.А., Клос З.,
Роткель Х. Процессы нагрева и распада неоднородностей в электростатически
неустойчивой плазме верхней ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. Т.41.
? 4. С.491-494. 2001.
- Ижовкина Н.И., Карпачев А.Т., Прутенский И.С., Пулинец С.А., Клос З.,
Роткель Х. Электростатическое излучение и плазменные неоднородности в
верхней ионосфере на геомагнитном экваторе // Геомагнетизм и аэрономия.
Т.44. ? 2. С.195-203. 2004.
- Ижовкина Н.И., Прутенский И.С., Пулинец С.А., Клос З., Роткель Х.
Излучение в главном ионосферном провале в области терминатора по данным
спутника АПЭКС // Геомагнетизм и аэрономия. Т.46. ? 6. С.757-764. 2006.
- Михайловский А.В. Теория плазменных неустойчивостей. Т.2. Неустойчивости
неоднородной плазмы. М.: Атомиздат, - 312 с. 1977.
- Моисеев С.С., Сагдеев Р.З., Тур А.В., Яновский В.В. Об интегралах
вмороженности и лагранжевых инвариантах в гидродинамическом приближении
// ЖЭТФ. Т. 83. ? 1 (7). С.215-226. 1982.
- Моисеев С.С., Сагдеев Р.З., Тур А.В., Яновский В.В. Теория возникновения
крупномасштабных структур в гидродинамической турбулентности // ЖЭТФ.
Т.85. ? 6 (12). С. 1979-1987. 1983.
- Незлин М.В., Черников Г.П. Аналогия дрейфовых вихрей в плазме и
геофизической гидродинамике // Физика плазмы. Т.21. ? 11. С.975-999.
1995.
- Ораевский В.Н., Ружин Ю.Н., Докукин В.С., Волокитин А.С. Проект «АПЭКС» /
Проект «АПЭКС». Научные задачи проекта АПЭКС, моделирование, техника и
оборудование эксперимента. Под ред. Ораевский В.Н., Ружин Ю.Я. М.:
Наука. С.6-16. - 253 с.1992.
- Редерер Х. 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
Н.И.Ижовкина, И.С.Прутенский, С.А.Пулинец, Н.С.Ерохин, Л.А.Михайловская,
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 (, 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 [pic] в неоднородной волновой
структуре в случае ((( < 1 ([pic]- продольная диэлектрическая
проницаемость).
[pic]
а)
[pic]МГц
б)
[pic]МГц
в)
[pic]МГц
Рис. 1. К статье Ижовкина и др.

[pic]

Рис. 2. К статье Ижовкина и др



[pic]

Рис. 3. К статье Ижовкина и др

[pic]

Рис. 4. К статье Ижовкина и др