Мясников Евгений Николаевич

КВАЗИСТАТИЧЕСКАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ ПЛАЗМЫ ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЫ ПРИ ИСКУССТВЕННЫХ И ЕСТЕСТВЕННЫХ ВОЗМУЩЕНИЯХ

Специальность 01.04.03 – радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Нижний Новгород – 2007

Работа выполнена в Федеральном государственном научном учреждении

“Научно-исследовательский радиофизический институт”

Федерального агентства по науке и инновациям России

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник

Фролов Владимир Леонтьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Костров Александр Владимирович

доктор физико-математических наук, профессор

Марков Герман Анатольевич

доктор физико-математических наук, профессор

Черкашин Юрий Николаевич

Ведущая организация: Институт космических исследований РАН,

(г. Москва)

Защита состоится __ _______ 2007 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.161.01 при Федеральном государственном научном учреждении “Научно-исследовательский радиофизический институт” Федерального агентства по науке и инновациям России (ФГНУ “НИРФИ”) по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Большая Печерская, 25

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГНУ “НИРФИ”

Автореферат разослан “__”_______2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук А.В.Калинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность задач исследований

Ионосфера Земли является наиболее доступной для экспериментальных исследований областью, содержащей магнитоактивную плазму с открытыми границами, которая подвержена воздействию со стороны солнечного ветра, магнитосферы и нейтральной атмосферы. Её неоднородная структура может служить достаточно чувствительным индикатором разнообразных естественных и искусственных возмущений, оказывающих существенное влияние на состояние окружающей нас среды, и может быть использована для их диагностики. Наибольший интерес здесь представляют исследования неоднородной структуры высокоширотной верхней ионосферы, подверженной наибольшим геофизическим возмущениям, где могут развиваться сильные неоднородности электронной концентрации, оказывающие существенное влияние на условия работы КВ и УКВ систем радиосвязи и спутниковой радионавигации.

На протяжении нескольких последних десятилетий в нашей стране и за рубежом активно развивается научное направление, связанное с исследованием нелинейных эффектов при взаимодействии мощного КВ радиоизлучения с ионосферой. 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. Параметр, характеризующий “степень вытянутости” флуктуаций в направлении магнитного поля, является определяющим при оценке значений инкрементов основных низкочастотных неустойчивостей, которые могут приводить к развитию неоднородностей электронной концентрации, в частности, обобщенной градиентно-дрейфовой, токово-конвективной и других. Униполярная диффузия, вызывающая релаксацию квазинейтральных флуктуаций электронной концентрации в верхней ионосфере, сильно возрастает при увеличении их степени вытянутости, что приводит к резкому увеличению порогов этих неустойчивостей. Поэтому для решения вопроса об эффективности различных механизмов неустойчивости в естественной ионосферной плазме принципиально важными оказываются экспериментальные данные о форме трехмерного спектра флуктуаций электронной концентрации.

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. Одна из возможностей дать объяснение существующим противоречиям между результатами теории и эксперимента связана с поиском механизмов генерации квазистатических электрических полей, имеющих индукционное происхождение и способных поддерживать флуктуации плотности плазмы.

Метод радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ является достаточно доступным и информативным способом получения экспериментальных данных о неоднородной структуре верхней ионосферы. С его помощью был разработан ряд эмпирических моделей, описывающих вероятность возникновения и интенсивность естественных неоднородностей в зависимости от географического положения, сезона, времени суток, геомагнитной и солнечной активности.

Диссертационная работа посвящена исследованию методом радиопросвечивания сигналами ИСЗ спектральных характеристик и анизотропных свойств естественных неоднородностей высокоширотной ионосферы и искусственных, возбуждаемых на средних широтах мощными нагревными КВ стендами. Полученные экспериментальные данные использованы для разработки модели трехмерного пространственного спектра. 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. Полученные результаты использованы при интерпретации накопленных к настоящему времени экспериментальных данных о неоднородной структуре высокоширотной верхней ионосферы и искусственной ионосферной турбулентности.

Цель работы

? Экспериментальные исследования методом радиопросвечивания сигналами ИСЗ спектральных характеристик естественных неоднородностей высокоширотной верхней ионосферы и искусственных неоднородностей, возбуждаемых на средних широтах мощными нагревными КВ-стендами. Разработка на базе полученных экспериментальных данных модели трехмерного пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации верхней ионосферы при естественных и искусственных возмущениях.

? 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.

? Выяснение роли известной в литературе обобщенной градиентно-дрейфовой и предложенной в диссертационной работе градиентно-токовой неустойчивостей при формировании в области главного ионосферного провала электронной концентрации локальных структур, содержащих интенсивные мелкомасштабные неоднородности.

Положения, выносимые на защиту

? Метод и результаты измерений внутреннего масштаба в направлении геомагнитного поля пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации на авроральных и полярных широтах.