ВВЕДЕНИЕ
Нелинейное воздействие электромагнитных полей достаточно мощных источников на окружающую плазменную среду приводит, как известно [1-6], к формированию плазменных структур, оказывающих, в свою очередь, существенное влияние на характеристики источников [7,8]. Интерес к нелинейным эффектам, проявляющимся в интенсивных электромагнитных полях в плазме, продиктован, в частности, разработкой методов волновой диагностики ионосферной и магиитосферной плазмы [9.10], проведением активных космических экспериментов с использованием электромагнитных излучателей, установленных на искусственных спутниках Земли [10], а также задачами высокочастотного нагрева плазмы в магнитном поле [4,11]. В связи с этим, исследование структуры и динамики самосогласованных плазменно-полевых образований, возникающих вследствие нелинейных эффектов в электромагнитном поле источника, представляется весьма актуальным.
В магнитоактивной плазме нелинейные явления, возникающие при ее локальном нагреве в неоднородном электрическом поле, приводят, как правило, к образованию вытянутых вдоль внешнего магнитного поля плазменных неоднородностей - так называемых, дактов плотности. Протяженность формирующихся квазицилиндрических дактов может быть настолько значительной, что они оказывают существенное влияние на структуру поля источника не только в ближней, но и в волновой (дальней) зоне. В частности, наличие таких “околоантеныых” волноводных каналов может привести к значительному изменению характеристик излучения источников, по сравнению со случаем их размещения в однородной фоновой плазме [7,8].
В настоящее время наблюдается повышенный интерес к задачам возбуждения и распространения в дактах плотности волн свистового диапазона (вистлеров). Интерес обусловлен с одной стороны тем, что свистовые волны, существующие в условиях околоземного космического пространства, мог}'т играть весьма, важную роль применительно ко
о
многим фундаментальным проблемам физики космической плазмы [12-14]. С другой стороны, в последние годы проведен ряд экспериментальных исследовании, важных с точки зрения практических приложений (формирование в ионосфере низкочастотных плазменно-волноводных излучающих систем [8-15], использование высокочастотного разряда в поле вистлеров в геликонных источниках плазмы [16-18] и др.).
Необходимо отметить, что проблеме нелинейного формирования вытянутых вдоль внешнего магнитного поля плазменных неоднородностей в космической и лабораторной плазме и распространению в них электромагнитного излучения посвящено довольно большое число работ (см. например, [4-53]). В бесстолкповительной магнитоактивной плазме в результате действия пондеромоторной силы [19,20] образуются дакты с довольно незначительным перепадом плотности (см. например, [43-45]). Поэтому их влияние на характеристики излучения электромагнитных источников невелико. Представляющие больший практический интерес дакты с значительными перепадами плотности формируются, как правило, вследствие тепловых и ионизационных нелинейных эффектов [28-32].
Из экспериментальных ислсдований формирования дактов в условиях тепловой нелинейности следует отметить работы [31-32], в которых наблюдались дакты с пониженной относительно фона плотностью, возникающие вследствие термодиффузии магнитоактивной плазмы при ее нагреве в квазистатическом поле антенны. Обсуждению вопросов формирования соответствующих плазменных структур посвящены работы [33,34], причем рассмотрение проводилось для заданных модельных стационарных профилей электронной температуры, отвечающих малым размерам источника по сравнению с характерными продольным и поперечным масштабами электронной теплопроводности. Указанные приближения далеко не всегда соответствуют условиям конкретных экспериментов. Поэтому дальнейшее исследование процессов термодиффузии магнитоактивной плазмы, в особенности возможностей формирования дактов с повышенной плотностью или сложным немонотонным профилем плотности, представляется чрезвычайно важным.
Ионизационное самовоздействие электромагнитных полей, приводящее к образованию дактов плотности, исследовалось экспериментально и теоретически в работах [6,28-30,39-42]. В них применительно к различным частным случаям обсуждался ВЧ пробой (в квазистатических или волновых полях) фонового нейтрального газа при наличии внешнего
6
магнитного поля. Следует, однако, отметить, что в литературе практически отсутствуют теоретические работы по ионизационному формированию дактов в изначально существующей (фоновой) плазме, хотя такая постановка характерна для ряда активных ионосферных экспериментов [15,49-53], результаты которых представляют значительный интерес с точки зрения возможности формирования самосогласованных плазменных антенн полями мощных электромагнитных источников в околоземном космическом пространстве. Таким образом, изучение особенностей ионизационного формирования дактов плотности в магнитоактивной плазме является актуальной задачей.
Что касается влияния дактов плотности на возбуждение и распространение электромагнитного излучения в магнитоактивной плазме, то следует отметить, что сравнительно недавно была разработана строгая теория возбуждения и распространения волн свистового диапазона при наличии цилиндрических дактов [54-62]. Было установлено, что наличие уже сформированных дактов плотности приводит к заметному изменению условий возбуждения и распространения свистовых волн и может способствовать значительному повышению эффективности низкочастотных излучателей. В указанных работах рассмотрение проводилось в основном для бесстолкновительной, либо слабостолкновитель-ной плазменной среды, в то время, как дакты, возникающие в условиях ионизационной нелинейности, могут характеризоваться сравнительно большим значением эффективной частоты столкновений. При этом наличие потерь, связанных, например, с электронными столкновениями, может приводить к различным (как негативным, так и позитивным) эффектам, оказывающим существенное влияние на пространственную структуру полей источников и, в итоге, на их характеристики излучения. Следует иметь в виду, что при увеличении мощности излучения имеет место ионизационное самовоздействие волновых полей, также сопровождающееся формированием дактов плотности и сравнительно слабо изученное применительно к свистовому диапазону частот. В связи с вытекающими отсюда перспективными приложениями, весьма важным является дальнейшее теоретическое исследование как процессов формирования дактов, так и особенностей возбуждения и волноводного распространения вистлеров в них.
Настоящая работа посвящена изучению особенностей формирования протяженных плазменно-волноводных структур (дактов плотности), возникающих вследствие тепловых и ионизационных нелинейных
7
эффектов при высокочастотном нагреве оамагниченной плазмы полем электромагнитного источника, а также анализу влияния таких структур на возбуждение и последующее волноводное распространение волн свистового диапазона.
Основной целью проведенных исследований является определение возможностей создания полями мощных электромагнитных источников самосогласованных плазменных структур, позволяющих изменять характеристики излучающих систем в магнитоактивной плазме — в частности, приводить к увеличению полной мощности излучения, а также управлять распределением излучаемой мощности по пространственному спектру возбуждаемых волн.
Поставленная цель достигается путем последовательного рассмотрения ряда модельных задач, включающего следующие основные этапы:
• исследование особенностей формирования дактов плотности в условиях тепловой и ионизационной нелинейностей при нагреве столк-новительной замагниченной плазмы квазистатическими полями источников;
• анализ возблгждсния и распространения электромагнитных волн свистового диапазона в сравнительно узких (в масштабе длины рас-пространящейся волны) дактах с значительным перепадом плотности, включая исследование влияния столкновитсльных потерь на дисперсионные свойства и структуры полей распространяющихся мод.
•* 6
• исследование ионизационных нелинейных эффектов, связанных с распространением интенсивных свистовых волы в магнитоактивной плазме.
Рассмотрение проводилось в резонансной области свистового диапазона частот, допускающей существование кваоиэлектростатических волн. В указанном диапазоне тепловые и ионизапионные нелинейные эффекты могут проявляться, вследствие резонансного возрастания поля, при сравнительно небольших уровнях мощности, подводимой к источнику.
Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Приложения, Заключения и списка литературы, содержащего 139 наименований, и изложена на 221 страницах, включая рисупки (58) и таблицы (15).
~8
Ниже дается краткое изложение содержания диссертации по главам.
Первая глава посвящена исследованию динамики формирования вытянутых вдоль внешнего магнитного поля дактов плотности в магнитоактивной плазменной среде вследствие ее термодиффузионного перераспределения при локальном нагреве полем ВЧ источника. В отличие от более ранних работ по данной проблематике, основное внимание уделено рассмотрению процессов неодномерной термодиффузии на временах как больших, так и меньших времени энергетической релаксации электронов. С этой целью исследуется совместное распределение температуры электронов и плотности плазмы при нагреве ее электронной компоненты в заданном поле внешнего электромагнитного источника.
В разделе 1.1 приводятся уравнения переноса для малых возмущений температуры электронов и плотности плазмы в магнитоактивной плазме.
В разделе 1.2 получены интегральные представления для возмущений температуры электропов и плотности плазмы. Проведен теоретический анализ зависимости характерных скоростей термодиффузионного перераспределения плазмы от соотношения продольного и поперечного 1т 1. (по отношению к направлению внешнего магнитного поля) масштабов области нагрева. Показано, что для сильно вытянутой вдоль внешнего магнитного поля области нагрева (1т\\/Ь± > уД|[/А±) скорости термодиффузии определяются преимущественно электронными коэффициентами переноса; здесь Дц и Дх - коэффициенты диффузии для электронов в продольном и ионов в поперечном направлениях, соответственно. На основании анализа полученных выражений сделан вывод о том, что в указанных условиях следует ожидать поперечного потока частичноионизованной плазмы (ие{ г/еп) в центральную часть области нагрева. Для обратного соотношения (1тц/Ь± < ]/Вец/Дх) скорости термодиффузии определяются преимущественно ионными коэффициентами переноса.
В разделе 1.3 обсуждаются результаты численного моделирования динамики термодиффузионного формирования плазменных дактов конечных размеров для модельных представлений функции нагрева полями ВЧ источников.
В п.1.3.1 приводятся результаты численного моделирования процессов термодиффузии при нагреве плазмы квазистатическими полями ВЧ источников малых, по сравнению с длинами теплопроводности, размеров. Особенности термодиффузионного формирования плазменных не-
9
однородностей для слабоионизованной (ц* «С 1/йп) и частичноионизо-ванной плазмы иллюстрируются на примере численных расчетов, проведенных для параметров Е-слоя и Е-слоя ионосферы. Расчеты показывают, что термодиффузионное перераспределение плазмы становится заметным уже на временах, меньших времени энергетической релаксации электронов. Приводятся результаты расчетов для Е-слоя ионосферы, демонстрирующие эффект поперечного затекания плазмы в область нагрева с масштабами yfDe\\/Di±). Здесь же проводится сопо-
ставление данных лабораторных экспериментов [31, 32] по исследованию динамики термодиффузионного формирования дактов плотности в за-магниченнои плазме с результатами численного моделирования. Показывается, что имеется хорошее согласие результатов численных расчетов с имеющимися экспериментальными данными, свидетельствующее об адекватности предложенной теоретической модели реальной физической ситуации.
В п. 1.3.2 приводятся результаты численпого исследования структуры вихревых токов короткого замыкания, обеспечивающих быстрый механизм неодномерных щюцессов переноса в магнитоактивной плазме. В частности, демонстрируется, что формирование вихревых токов приводит к появлению в фоновой плазме областей с пониженной концентрацией - т.н. областей “обеднения”. Проведено сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными [31, 32], демонстрирующее их хорошее согласие.
В п. 1.3.3 исследуется зависимость пространственной структуры формируемых в результате термодиффузии дактов плотности от вида фупк-ции нагрева, определяемой как размерами источника, так и его конфигурацией. Результаты численного моделирования процессов термодиффузии показывают, что возможно формирование дактов как с пониженной, так и с повышенной плотностью. Демонстрируется, что используя излучатели разной конфигурации и размеров, можно сформировать дакт со сложной немонотонной структурой. Результаты численного моделирования для источника нагрева большого (по сравнению с поперечной длиной теплопроводности) размера сопоставляются с данными соответствующих экспериментов [102].
В заключительном разделе 1.4 первой главы сформулированы основные выводы, вытекающие из проведенного в ней рассмотрения.
Во второй главе исследуется стационарная структура дакта плот-
10
ности, формирующегося при дополнительной ионизации замагничен-ной плазмы ближним полем источника магнитного типа. Рассмотрение проводится в резонансном интервале свистового диапазона частот.
Вначале, в разделе 2.1 обсуждается структура ближнего поля распределенного по радиальной координате кольцевого электрического тока. Показано, что поле в выбранном диапазоне частот не зависит от плотности плазмы. Это позволяет провести рассмотрение в приближении заданного кваоистатичсского поля в случае, когда масштабы образующихся слабостолкиовительных плазменных структур превышают размеры источника, и неоднородностью среды можно пренебречь.
Далее, в разделе 2.2 приводятся результаты численного решения стационарного уравнения теплопроводности, описывающего нагрев электронов заданным ближним полем источника. Конкретные расчеты выполнены для параметров источника и фоновой среды, типичных для ионосферных экспериментов в условиях нижней ионосферы. Обсуждается зависимость максимального значения температуры электронов от величины тока в источнике.
В разделе 2.3 обосновывается упрощенное описание процессов диффузии и термодиффузии замагниченной плазмы при значительных возмущениях плотности. Получены условия применимости указанных приближений.
Далее, в разделе 2.4 исследуются условия зажигания разряда в замагниченной фоновой плазме, возникающего при дополнительной ионизации в заданном неоднородном электрическом поле. Пространственные распределения электронной температуры, частоты ионизации, прилипания и термодиффузионных потерь задаются в виде некоторых модельных представлений. Найдены выражения для порога зажигания ВЧ разряда в замагниченной плазме. Приводятся конкретные оценки порогов зажигания разряда в плазме ионосферного типа для различных размеров источника.
В разделе 2.5 приводятся приближенные выражения, позволяющие оцепить максимальное возмущение плотности в стационарном ВЧ разряде, ограниченном электронной рекомбинацией. Особое внимание обращается на роль температурной модификации характеристик фоновой плазмы при ее нагреве во внешнем поле. Далее рассматривается стационарное уравнение ионизационного баланса для плотности замагниченной плазмы при нагреве ближним полем кольцевого электрического тока. Приводятся результаты численного решения указанного урав-
11
нения, в условиях, когда характерные масштабы распределения плотности значительно превышают масштабы распределения температуры. Исследуется стационарная структура дактов, поддерживаемых выбранным источником в замагниченной фоновой плазме. Получена зависимость величины максимального возмущения плотности в дакте от величины тока в источнике для некоторых характерных размеров излучателя. Анализируется зависимость пространственных масштабов дакта от величины максимального возмущения плотности.
Выводы по второй главе сформулированы в заключительном разделе 2.6.
В третьей главе исследуется влияние уже сформированных дактов на возбуждение и распространение свистовых волн. Основное внимание уделено особенностям возбуждения и каналированного распространения в случае, когда влияние потерь, связанных с электронными столкновениями, на структуру поля в дакте становится принципиальным. Рассмотрение проводится для частот, лежащих выше частоты нижнегибридного резонанса.
В разделе 3.1 исследуется влияние электронных столкновений на дисперсионные характеристики и структуру полей свистовых мод, направляемых дактами с повышенной плотностью.
В п.3.1.1 приводятся общие выражения для компонент полей азимуталы симметричных мод, направляемых дактом с простейшими однородными распределениями плотности и эффективной частоты электронных столкновении, окруженным однородной фоновой плазмой. Здесь же приводится дисперсионное уравнение, позволяющее определить постоянные распространения соответствующих мод.
В п.3.1.2 исследуются дисперсионные характеристики квазилокализо-ванных (вытекающих) свистовых мод при учете электронных столкновений. Рассматриваются частные случаи, отвечающие малому перепаду плотности в дакте, когда распространяется только низшая (основная) мода, и большому перепаду, когда имеет место многомодовый режим каналирования. Найдены условия, при выполнении которых б столкно-вительных дактах с малым перепадом плотности затухание основной квазилокализованной моды определяется отношением эффективной частоты электронных столкновений ис к гирочастоте электронов и>н и остается малым (пока туе
Применительно к многомодовому режиму каналирования, при выпол-
12
нении тех же условии, имеет место селекция мод по постоянным затухания: моды разделяются на слабозатухающие (постоянные затухания определяются отношением і/в/со и) и сильнозатухающие (постоянные затухания определяются отношением ие/и>).
В п.3.1.3 исследуется влияние электронных столкновений на структуру полей квазилокализованных свистовых мод. Показывается, что структура поля мод (так же, как и в случае бесстолкновительной плазмы) характеризуется наличием двух поперечных масштабов — крупного, отвечающего квазипр о дольным вистлерам, и мелкого, отвечающего квазиэлектростатическим волнам, причем структура полей слабозат.у-хающих и сильнозатухающих мод различается принципиальным образом. Для сильнозатухающих мод мелкомасштабная составляющая преобладает в радиальной и продольной компонентах и достаточно хорошо заметна в остальных компонентах поля. Для слабозатухающих мод поле определяется преимущественно крупномасштабной составляющей, а мелкомасштабная составляющая поля сосредоточена в сравнительно узком слое (как бы, "скинирована”) в окрестности границы дакта. Здесь же подчеркивается, что для достаточно широких дактов с большим перепадом плотности и высокой степенью замагничснности плазмы условие скинирования и, следовательно, изменение структуры поля имеет место при сравнительно малых уровнях электронных столкновений -іуе <С м. Продемонстрировано, что структура полей квазилокализованных мод, достаточно далеко от частоты отсечки, зависит от величины электронных столкновений внутри дакта и практически не зависит от величины столкновений в фоновой плазме.
В п.3.1.4 исследуются дисперсионные характеристики и структуры полей локализованных свистовых мод, поддерживаемых дактами с повышенной плотностью. Приводятся расчитанные численно дисперсионные характеристики локализованных мод для различных значений перепада плотности между дактом и фоновой плазмой. Поперечная структура полей локализованных мод имеет вид поверхностных волн, прижатых к границе дакта. Масштаб локализации поля вблизи границы заметно уменьшается с ростом величины перепада плотности в дак-те. В столкновительной плазме затухание локализованных мод определяется, преимз'щественно, дисипативными характеристиками фоновой плазмы, а не дакта. Поэтом)' при незначительном уровне столкновений в фоновой плазме такие моды могут распространяться в дактах со сравнительно большим уровнем столкновений.
13
В п.3.1.5 исследуются дисперсионные характеристики и структура полей как локализованных, так и квази.токалиоованных свистовых мод для более сложной модели радиально неоднородного столкновительного дакта. с “размытой” границей. На основе численного расчета установлено, что при сравнительно небольшой ширине “размытия” границы (большей “мелкого”, по меньшей “крупного” масштаба поля квазилока-лизованной моды) характеристики мод и структура их полей практически не меняются по сравнению с более простой моделью однородного дакта с резкой границей.
В разделе 3.2 исследуется влияние электронных столкновений на излучение кольцевых источников в магнитоактивной плазме при наличии цилиндрических дактов плотности.
В п.3.2.1 приводится общее представление поля, возбуждаемого заданным источником в столкновительной магнитоактивной плазме при наличии однородного дакта.
В п.3.2.2 исследуется влияние столкновений на структуру поля, возбуждаемого кольцевым электрическим током, размещенным на оси дакта. Представлены результаты численного расчета структуры продольной компоненты магнитного поля, выполненного для сравнительно небольшого уровня столкновений. Для сравнения здесь же приводятся результаты расчета поля для тех же параметров источника и среды, но в отсутствие столкновений. Показывается, что полное поле, как при учете столкновений, так и в бесстолкновительном случае, в значительной степени определяется интерференцией квазилокализованных мод, поддерживаемых дактом плотности. Демонстрируется, что наличие относительно небольших столкновений приводит к существенному изменению продольной структуры полного поля. В результате, на сравнительно небольших расстояниях от источника распределение полного поля практически совпадает с распределением основной квази локализованной моды. Результаты расчетов находятся в хорошем согласии с имеющимися экспериментальными данными.
В п.3.2.3 исследуется влияние столкновений на возбуждение квазило-кализованных мод в дактах с повышенной плотностью. Найдены условия, при выполнении которых в столкновительных дактах с малым перепадом плотности, когда распространяется только низшая (основная) мода, мощность, идущая в указанную моду, заметно увеличивается по сравнению с бесстолкновительным случаем. Для дактов с большим перепадом плотности (применительно к многомодовому режиму) демон-
14
стрируется селекция мод по мощности излучения, имеющая место при выполнении тех же условий: мощность, идущая в отдельную слабозатухающую моду увеличивается, а мощность, идущая в отдельную сильнозатухающую моду, уменьшается, по сравнению с бесстолкновитель-ным случаем. В результате, основная доля мощности источника идет в основную слабозатухающую моду, т.с. в более длинноволновую часть пространственного спектра излучения, по сравнению со случаем бес-толкновителыюй плазмы.
Выводы по третьей главе сформулированы в заключительном разделе 3.3.
Четвертая глава посвящена исследованию ионизационного самока-налирования свистовых волп в столкновительной намагниченной плазме. Рассмотрение проводится для частного случая достаточно больших значений эффективной частоты электронных столкновений, отвечающих условию заметного столкнолительного затухания квазиэлектр о статических волн.
В разделе 4.1 обсуждаются уравнение ионизационного баланса для плотности плазмы и выражение для температуры электронов при нагреве плазмы в поле свистовой волны.
В разделе 4.2 выводятся упрощенные уравнения, позволяющие описывать структуру поля вистлера в дакте при наличии электронных столкновений. Здесь же приводятся упрощенные уравнения ионизационного баланса плотности плазмы для ряда частных случаев, отвечающих различным значениям возмущения плотности в формируемом дакте и характеристикам фоновой плазмы.
В разделе 4.3 представлены результаты численных расчетов самосогласованных распределений поля и плазмы. Показывается, что дополнительная ионизация столкновительной магнитоактивной плазмы при нагреве ее электронов полем вистлера достаточно большой амплитуды приводит к образованию цилиндрических плазменно-волноводных структур, которые захватывают и направляют создающие их свистовые волны. В зависимости от интенсивности волновых полей при ионизационном самовоздействии формируются дакты с различной поперечной структурой:
а) При достаточно малых уровнях интенсивности формируется сравнительно широкий неоднородный дакт с минимумом плотности и температуры на оси и кольцевым слоем с повышенной плотностью и темпе-
15
ратурой, окружающим приосевую область. Для данного случая характерна локальная связь температуры электронов и плотности плазмы.
б) С увеличением уровня интенсивности структура дакта становится монотонной, с максимумом плотности и температуры на оси. До некоторого уровня интенсивности поперечный масштаб распределения температуры значительно превышает масштаб распределения плотности, и процессами термодиффузии можно пренебречь.
в) При дальнейшем увеличении интенсивности волновых полей, одновременно с ростом перепада плотности и з'меныиением ширины дакта, поперечные масштабы распределений плотности и температуры сближаются.
Здесь же приводятся результаты расчетов самосогласованных распределений поля и плазмы в фоновой среде с температурой, близкой к “пробойной” величине. Показывается, что значительные возмущения плотности в дакте достигаются при весьма небольших возмущениях температуры.
Указывается возможность лабораторного моделирования эффекта ионизационного самоканалирования свистовых волн в столкиовительной замагниченной плазме.
Выводы по главе изложены разделе 4.4.
В Приложении исследуется модификация параметров ионосферной плазмы взрывным воздействием. Показывается, что при взрывном разлете плазменной среды возмущение геомагнитного поля может достигать в центральной области взрыва значительных величин (порядка величины невозмущенного поля). Здесь же приводятся оценки характерных размеров области возмущения в условиях нижпей ионосферы при взрывном воздействии.
В Заключении приведены основные результаты диссертации.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Неодномерная термодиффузия замагниченной плазмы, вызываемая нагревом электронов в поле ВЧ источников конечных размеров, приводит в результате протекания вихревых токов к заметному перераспределению плазмы при характерных временах, меньших времени энергетической релаксации электронов. Для источников малых попе-
16
речных размеров, по сравнению с соотвествующей длиной теплопроводности, возникающие плазменные неоднородности имеют вид дактов с пониженной относительно фона плотностью; для источников, больших размеров, возможно формирование дактов с повышенной плотностью.
2. Характерные режимы термодиффузионного формирования плазменных неоднородностей конечных размеров принципиальным образом различаются для случаев слабоионизованной и частичноионизованной плазменной среды. В отличие от слабоионизованной плазмы, в которой термодиффузионный поток плазмы всегда направлен против градиента температуры, в частичноионизованной плазме имеет место поперечное затекание плазмы в центральную часть сильно вытянутой вдоль внешнего магнитного поля области нагрева (1т[\/1т± ^ уД^/Ат).
3. В результате дополнительной ионизации замагниченной плазмы в ближнем поле источника магнитного типа (кольцевого электрического тока) возможно формирование стационарных дактов с повышенной плотностью. Найдены условия поддержания дактов со значительным возмущением плотности, реализуемые в нижней ионосфере при достижимых в з^словиях активных ионосферных экспериментов характеристиках источников.
4. Влияние сравнительно малых столкновительных потерь на характеристики квазилокализованных (вытекающих) свистовых мод, направляемых цилиндрическими дактами с повышенной плотностью плазмы, может приводить к сзщественному изменению структуры полей мод по сравнению со случаем бесстолкновительной плазмы. При этом моды разделяются на слабозатухаюише с преимущественно крупномасштабной структурой поля (постоянные затухания определяются отношением частоты столкновений к гирочастоте электронов) и сильнозатухающие, в структуре поля которых преобладает мелкомасштабная составляющая (постоянные затухания определяются отношением частоты столкновений к круговой частоте поля). В отличие от квазилокализованных свистовых мод, дисперсионные свойства и структура полей которых определяются (на частотах, не слишком близких к частоте отсечки) преимущественно столкиовительными потерями в дакте, дисперсионные свойства и структура полей локализованных свистовых мод, существующих при некоторых условиях в дактах с повышенной плотностью, определяются преимущественно дисинативными характеристиками фоновой плазмы.
5. Для источников достаточно больших электрических размеров мощ-
17
ность, идущая в отдельную слабозатухаюшую свистовую моду столк-новительного дакта, увеличивается, а мощность, идущая в отдельную сильыозатухающз'ю моду, уменьшается по сравнению со случаем бес-столкновительной плазмы. В результате имеет место селекция мод по мощности излучения: мощность, идущая в отдельную слабозатухающую моду, может значительно превышать мощность, идущую в отдельную сильнозатухающую моду.
6. В резз'льтате ионизационного самовоздействия волн свистового диапазона возможно формирование цилиндрических волноводных дак-тов в столкновительной магнитоактивной плазме вследствие ее дополнительной ионизации полем распространяющейся волны. В зависимости от интенсивности волновых полей формируются дакты с различной поперечной структурой: при достаточно малых уровнях интенсивности формируется дакт с немонотонным профилем, характеризующимся наличием минимума плотности и температуры на оси и кольцевого слоя с повышенной плотностью и температурой, окружающего приосевую область; с увеличением интенсивности профиль плотности и температуры в дакте становится монотонным с максимумом на оси, причем до некоторого уровня интенсивности поперечный масштаб распределения температуры значительно превышает масштаб распределения плотности; при превышении этого уровня масштабы соответствующих распределений сближаются.
7. Взрывное воздействие на ионосферную плазму, вызывающее разлет среды из области взрыва, может приводить в указанной области к изменению величины геомагнитного поля, сравнимому с его невозмущенным значением.
Результаты, полученные в работе, имеют важное значение применительно ко многим вопросам, связанным с практическим использованием НЧ излучений (диагностика ионосферы, связь и т.д.), а также могут быть использованы для интерпретации данных натурных и модельных лабораторных экспериментов, как но формированию дактов плотности в оамагниченной плазме, так и по возбуждению и каналированию в сформированных дактах волн свистового диапазона.
Настоящая диссертация выполнена в Нижегородском государственном университете им. Н.И.Лобачевского. Ее основные результаты опубликованы в работах [63-85] и докладывались на 19-ой Междуна-
18
родной конференции по явлениям в ионизированных газах (Белград, 1989), на 25-ой и 26-ой Генеральных Ассамблеях УРСИ (Лилль, 1996; Торонто, 1999), 25-ой и 26-ой конференциях Европейского физического общества по УТС и физике плазмы (Прага, 1998; Маастрихт, 1999), иа Всероссийском конференции ”Проблемы фундаметальной физики” (Саратов, 1996), 3-ей Международной Волжской школе по физике космической плазмы (Н.Новгород, 1997), на ежегодных конференциях ННГУ и семинарах ИПФ РАН.
19
ГЛАВА 1
Термодиффузионное формирование дактов плотности при локальном нагреве замагниченной плазмы полем ВЧ источника
Настоящая глава посвящена, исследованию динамики формирования вытянутых вдоль внешнего магнитного поля плазменных неоднородностей (так называемых дактов плотности) в магнитоактивной плазменной среде вследствие ее термодиффузионного перераспределения при локальном нагреве полем ВЧ источника. Термодиффузионный механизм формирования искусственных плазменных неоднородностей характерен для сравнительно невысоких (допробойных) уровней мощности источника, когда максимальная температура электронов в области нагрева существенно ниже пробойных значений, и дополнительной ионизацией в поле источника молено пренебречь. Такой механизм реализуется, например, в экспериментах по нагреву ионосферной плазмы мощным радиоизлучением [48,86-89], а также в лабораторных экспериментах в условиях тепловой нелинейности [11, 47]. Термо диффузионное перераспределение плазмы в результате ее нагрева ВЧ полем приводит к существенному изменению условий распространения электромагнитных волн, а также к целому ряду нелинейных явлений.
При изучении термо диффузионного формирования плазменных неоднородностей принципиальным является учет их неодномерности, поскольку неодномерная термодиффузия характеризуется более быстрым, в отличие от одномерных процессов, перераспределением плазмы [90-92]. В приближении заданного стационарного распределения температуры электронов процессы неодномерной термодиффузии замагничен-
20
ной плазмы были проанализированы в работах [33,34], а также в работе автора [63]. Однако такое рассмотрение справедливо лишь на временах, много больших времени энергетической релаксации электронов. Кроме того, в качестве характерных размеров области возмущения электронной температуры авторы указанных работ (см. [33, 34]) задавали продольную и поперечную длины теплопроводности, ограничивая тем самым выбор источника нагрева условием малости его размеров по сравнению с масштабами теплопер сноса. Такое условие не всегда реализуется, особенно для поперечного размера области нагрева в условиях ионосферы.
Быстрый характер процессов термодиффузии неодномерных плазменных образований приводит к тому, что характерное время перераспределения плазмы оказывается, как правило, меньше времени энергетической релаксации электронов. Поэтому принципиально важным становится исследование динамики термодиффузионного перераспределения плазмы на временах меньших и порядка времени энергетической релаксации.
Следует отметить, что в последние годы был выполнен ряд лабораторных экспериментов [22, 31, 32, 35, 46], в которых повышенное внимание уделялось особенностям формирования замагниченных плазменных неоднородностей на временах, меньших или порядка времени энергетической релаксации. К таким работам относятся экспериментальные исследования как собственно динамики нагрева электронов и последующего перераспределения плазмы при локальном возмущении температуры электронов [22, 31, 32, 46], так и эффектов захвата электромагнитного излучения источника в формируемые нестационарные тепловые каналы [35]'.'
В данной главе основное внимание посвящено рассмотрению процессов термодиффузии плазменных образований конечных размеров на временах, как больших, так и меньших времени энергетической релаксации. С этой целью исследуется совместное распределение температуры электронов и плотности замагниченной плазмы при нагреве ее электронной компоненты в заданном поле Е внешнего высокочастотного электромагнитного источника. 1
1 Такой подход оправдан с физической точки прения, но крайней мере, для квазистатических электрических полей достаточно малых источников магнитного типа [6].
21
1.1 Уравнения переноса в замагниченной плазме
Для описания процессов термодиффузии воспользуемся известными макроскопическими уравнениями переноса для концентрации электронов и ионов и температуры электронов плазмы во внешнем магнитном поле [2, 99, 100] (предполагая температуру ионов невозмущенной):
Здесь У и Те - концентрация и температура электронов, У,- - концентрация ИОНОВ, Ге,Га - ПЛОТНОСТИ ПОТОКОВ электронов И ИОНОВ, ge -плотность потока тепла, переносимая электронной компонентой, <р - по-
А А А /гг*\ А а / ГРЧ а а
тенциал электрического поля, £>«>, Д-е , /се, /3еп, /3„-
- соответственно тензоры подвижлости, диффузии, термодиффузии, взаимной диффузии и термодиффузии, теплопроводности и термосилы для электронов и ионов. Напомним, что при относительно невысокий степени ионизации плазмы тензоры взаимной диффузии и термодифузии несущественны. Выражения в правой части уравнений (1.1)-(1.3) описывают истоки и стоки частиц и энергии: д - число пар электронов и ионов, образующихся за счет ионизации и исчезающих за счет объемной рекомбинации, Яе - количество энергии, получаемой электронами, в единице объема в единиц}' времени.
Условие применимости уравнений (1.1-1.3) и соотношений (1-4) достаточно хорошо известно [2]. Напомним, что щюстранственные и временные масштабы неоднородностей должны быть много больше характерных масштабов элементарных процессов:
(1.1) (1.2)
где
е
ёе= -кеУГе-/ЗепГе-/§е;(Ге-Г;).
11 |< (<?,ме,мьте)
*/-' I ^,Ме>М„Те) I<(<р,ме,к,те),
22
- Київ+380960830922