Delist.ru

Квазистатическая турбулентность плазмы верхней ионосферы при искусственных и естественных возмущениях (17.08.2007)

Автор: Мясников Евгений Николаевич

м2/с, взятому из ранее проведенных экспериментов,

В четвертой главе диссертации дан краткий обзор известных ранее решений системы квазигидродинамических уравнений, описывающих диффузию неоднородностей в магнитоактивной плазме низкого давления, изложен новый подход к задаче, в котором в дрейфовом приближении учитывается влияние квазистатического электрического поля, генерируемого диамагнитным током, протекающим в возмущении плотности плазмы.

В разделе 4.1 приведена система двухжидкостных квазигидродинамических уравнений для магнитоактивной плазмы низкого давления.

токи короткого замыкания оказывают принципиальное влияние на релаксацию возмущений плазмы, приводя к резкому увеличению диффузионного декремента.

В разделе 4.3 рассмотрен режим амбиполярной диффузии. Необходимыми условиями его реализации при наличии потенциального поляризационного электрического поля являются сильные возмущения концентрации либо специальные граничные условия, запрещающие токи короткого замыкания.

В разделе 4.4 приведено решение, описывающее диффузию непотенциальных флуктуаций плазмы, в котором учитываются флуктуации магнитного поля, вызванные токами короткого замыкания. Показано, что учет последних в области малых масштабов неоднородностей не влияет на режим униполярной диффузии.

В разделе 4.5 рассмотрены дрейфовые квазигидродинамические волны, возникающие в пространственно неоднородной магнитоактивной плазме. Развитие дрейфово-диссипативной неустойчивости в лабораторной плазме вызывает аномальную диффузию, в верхней ионосфере её действие ограничено высоким значением порога.

Результаты проведенного анализа показали, что ни одно из известных ранее решений, описывающих диффузию магнитоактивной плазмы, не может дать объяснение наблюдаемому в экспериментах амбиполярному режиму диффузии мелкомасштабных искусственных неоднородностей.

В разделе 4.6 рассмотрен предложенный в диссертации механизм генерации мелкомасштабных индукционных электрических полей. В приближении двухжидкостной МГД получено выражение для квазистатического электрического поля, возникающего при дифференциальном вращении возмущения плотности плазмы в регулярном магнитном поле. Данное поле может быть определено как отношение силы Ампера, действующей на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, к величине элементарного заряда

плотность диамагнитного тока, определяющего равновесие возмущения плотности плазмы в магнитном поле, при котором градиент поперечного газокинетического давления компенсируется плотностью силы Ампера

. Получено дисперсионное уравнение для дрейфовой МГД-волны, имеющее вид волны де Бройля для частицы в свободном пространстве

возмущений плотности плазмы совпадает с направлением ларморовского вращения в магнитном поле положительно заряженного иона. Рассмотрена неустойчивость дрейфовых МГД-волн, возникающая при наличии мелкомасштабных неоднородностей с заданным пространственным спектром. Данная неустойчивость может возникать при генерации ИИТ мощным КВ радиоизлучением и приводить к развитию гиротропной (вращательно неинвариантной) турбулентности плазмы в верхней ионосфере.

В пятой главе рассматриваются обобщенная градиентно-дрейфовая и токово-конвективная неустойчивости неоднородной магнитоактивной плазмы. Применительно к области главного ионосферного провала предложен новый механизм генерации неоднородностей – градиентно-токовая неустойчивость, возникающая при наличии крупномасштабного неоднородного тока, заданного сторонним источником.

продольная и поперечная (педерсеновская) проводимости плазмы соответственно. Данный эффект является следствием “закорачивания” флуктуационных потенциальных электрических полей токами “короткого замыкания.”

, осуществляющего перенос плазмы в направлении крупномасштабного градиента электронной концентрации.

В разделе 5.4. предложен новый механизм генерации неоднородностей – градиентно-токовая неустойчивость, которая в области главного ионосферного провала может приводить к генерации плоско-слоистых неоднородностей, вытянутых в плоскости, проходящей через направление магнитного поля и ортогональной направлению регулярного градиента концентрации.

В разделе 5.5 рассмотрена градиентно-токовая неустойчивость сильно ионизованной плазмы. Получены выражения для инкремента и шира дрейфовой скорости, на основе которых показано, что развитие данной неустойчивости должно приводить к нарушению симметрии возмущений в плоскости протекания вихревого крупномасштабного тока.

В разделе 5.6 приведено сопоставление инкрементов градиентно-дрейфовой, токово-конвективной и градиентно-токовой неустойчивостей. Показано, что градиентно-токовая неустойчивость является наиболее предпочтительным механизмом образования неоднородной структуры верхней высокоширотной ионосферы в области главного ионосферного провала.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Основные результаты

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.

, близким к показателю степенного спектра естественных неоднородностей, и могут занимать область высот, значительно превышающую высоту максимума F-слоя.

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.

Список основных публикаций по теме диссертации

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.

10. Ерухимов Л.М., Коровин А.В., Митяков Н.А., Мясников Е.Н., Насыров А.М., Проскурин Е.В., Старикова Е.В., Фролов В.Л., Ягнов Н.Н. О диффузии мелкомасштабных искусственных неоднородностей верхней ионосферы // Изв. вузов. Радиофизика. 1982. Т. 25. С.1360-1362.

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

загрузка...