Квазистатическая турбулентность плазмы верхней ионосферы при искусственных и естественных возмущениях

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ....................................................... 5
I. Неоднородная структура ионосферы, постановка
задач исследований ......................................... 38
1.1. Данные о неоднородной структуре верхней ионосферы 38
1.2. Турбулентность квазистатических электрических и магнитных полей ............................................ 46
1.3. Искусственная ионосферная турбулентность, возбуждаемая мошным КВ радиоизлучением ............................. 48
1.4. Проблема диффузии и гиротропная турбулентность магнитоактивной плазмы ..................................... 57
1.5. Механизмы образования неоднородной структуры высокоширотной верхней ионосферы, квазистатическая турбулентность плазмы....................................... 60
II. Результаты исследований неоднородной структуры
высокоширотной верхней ионосферы методом радиопросвечивания ..................................... 66
2.1. Метод радиопросвечивания ионосферы .................. 66
2.2. О форме спектра флуктуаций электронной концентрации высокоширотной ионосферы в направлении геомагнитного поля ............................................. 77
2.3. Пространственное распределение неоднородностей в высокоширотных сшштилляционных пэтчах .................... 89
2.4. Об анизотропии мелкомасштабных неоднородностей высокоширотной ионосферы по данным пространственно разнесенного приема сигналов ИСЗ ................... 94
2.5. Высотное распределение и динамика развития авро-ральных сцинтилляционных пэтчей ......................... 106
2.6. Особенности развития сцинтилляционных пэтчей в области главного ионосферного провала ................... 112
2
2.7. Наблюдения мерцаний амплитуды и полного электронного содержания в области главного ионосферного провала по данным радиопросвечивания авроральной ионосферы сигналами ЙСЗ и станции некогерентного рассеяния Е18САТ ........................................ 117
2.8. Спектральные характеристики флуктуаций электронной концентрации в областях авроральпых сцинтилля-ционных ИЭТЧСЙ .......................................... 134
III. Экспериментальные исследования спектральных характеристик и диффузии искусственных неоднородностей, возбуждаемых мощным КВ радиоизлучением ........................................................ 144
3.1. Результаты измерений формы спектра ИИТ на разных высотах методом радиопросвечивания сигналами ИСЗ 144
3.2. Результаты исследований ИИТ, возбуждаемой стендом “Сура”, при помощи радиопросвечивания ВО сигналами орбитальных ИСЗ на когерентных частотах 150
и 400 МГц ............................................ 156
3.3. Пространственная структура ВО по данным измерений разностной фазы и амплитуды сигналов орбитальных
ИСЗ с большой базой .................................. 165
3.4. Результаты измерений релаксации искусственных ионосферных неоднородностей методами радиопросвечивания и ракурсного рассеяния ............................ 182
3.5. Измерения параметров ИИТ методами радиопросвечивания и ракурсного рассеяния с использованием биста-тического когерентного радара на базе радиотелескопа УТР-2 ................................................... 187
IV. Механизмы релаксации неоднородностей плазмы верхней ионосферы, магнитогидродинамическая дрейфовая волна ......................................... 209
4.1. Исходные уравнения, приближение двухжидкостной квазигидродинамики ...................................... 209
4.2. Униполярная диффузия неоднородностей магнитоактивной плазмы ........................................... 212
4.3. Сильные флуктуации электронной концентрации, двуполярная диффузия ....................................... 217
4.4. Возмущение магнитного поля и диффузия непотенциальных флуктуаций плазмы ................................ 220
з
4.5. Квазигидродииамическая дрейфовал волна, дрейфово-диссипативная неустойчивость ............................ 223
4.6. Генерация квазистатического электрического поля в приближении двухжидкостной МГД .......................... 226
4.7. Дрейфовая МГД-волнав магнитоактивной плазме, близкой к идеальной ......................................... 230
4.8. Неустойчивость дрейфовых МГД-волн, гиротропная турбулентность магнитоактивной плазмы ................... 239
4.9. О диффузии вращающихся неоднородностей плотности плазмы, интерпретация экспериментальных данных .......... 243
V. Механизмы неустойчивости верхней ионосферы при
наличии электрических полей и токов, квазистатиче-
ская турбулентность плазмы .............................. 249
5.1. Движение плазмы в однородном электрическом поле, закон Ома ................................................. 249
5.2. Градиентно-дрейфовая и токово-конвективная неустойчивости ................................................. 252
5.3. Система квазистатических крупномасштабных возмущений в магнитоактивной плазме с впешним током .......... 256
5.4. Градиентно-токовая неустойчивость слабо ионизованной плазмы .............................................. 260
5.5. Градиентно-токовая неустойчивость сильно ионизованной плазмы .............................................. 264
5.6. Обсуждение, сопоставление с результатами измерений неоднородной структуры высокоширотной ионосферы 266
Заключение .................................................. 278
Литература .................................................. 281
4
ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика проблемы и актуальность задач исследований. Проблема образования неоднородной структуры сильно ионизованного газа, который удерживается внешним магнитным полем, считается одной из фундаментальных в физике плазмы и имеет множество приложений в геофизике и астрофизике. Ионосфера Земли является ближайшей к нам и наиболее изученной областью космического пространства. а её неоднородная структура может служить достаточно чувствительным индикатором разнообразных процессов, происходящих в плазме солнечного ветра, магнитосфере и нейтральной атмосфере Земли, влияющих на состояние окружающей нас среды, и может быть использована для экспериментальной проверки механизмов, приводящих к развитию турбулентности магнитоактивной плазмы. Наибольший интерес здесь представляют исследования параметров естественной неоднородной структуры ионосферы на авроральных и полярных широтах, где плазма подвержена наиболее разнообразным геофизическим возмущениям [1, 2], а также в области экваториальных широт, где в ночных условиях могут развиваться очень сильные возмущения электронной концентрации [3, 4], оказывающие существенное влияние на условия работы систем трансионосферной связи и точность спутниковой радионавигации.
Многочисленные экспериментальные данные о неоднородной структуре верхней ионосферы были получены с использованием дистанционных методов зондирования, основанных па эффектах распространения радиоволн в случайно-пеоднородных средах [5-8]. Методом радиопросвечивания сигналами ИСЗ определены зависимости интенсивности и появляемости неоднородностей электронной концентрации от географического положения, времени суток, сезона, интервала высот, геомагнитной активности, на основе которых разработан ряд эмпирических моделей неоднородной структуры ионосферы [9-13]. Использование для радиопросвечивания неоднородностей диапазона радиочастот от де-
5
сятков МГц до нескольких ГГц позволило детально исследовать спектральные характеристики неоднородностей и з'становить существование степенной формы спектра флуктуаций электронной концентрации в широком диапазоне масштабов [14, 15].
Данные, полученные методом радиопросвечивания, были существенно дополнены результатами измерений параметров ионосферной плазмы и её неоднородной структуры с помощью датчиков, расположенных на космических аппаратах и ракетах (in situ) [16-18]. В частности, было установлено, что образование интенсивных флуктуаций электронной концентрации в высокоширотной и экваториальной ионосфере сопровождается генерацией мелкомасштабных квазистатических электрических и магнитных полей, также обладающих степенными пространственными спектрами [19, 20].
Наиболее часто упоминаемыми в литературе механизмами образования неоднородной структуры верхней ионосферы в настоящее время являются неустойчивости градиентно-дрейфового (ГД) типа [21-24], которые возникают вследствие переноса флуктуаций плотности плазмы в плоскости, ортогональной геомагнитному полю, за счет поляризационных электрических полей, возникающих в присутствии крупномасштабных электрических полей и токов. ГД неустойчивости являются конвективными и приводят к росту мелкомасштабных возмущений на фоне крупномасштабного градиента электронной концентрации плазмы. Впервые ГД неустойчивость плазмы в скрещенных гравитационном и магнитном полях была предложена Данжи для объяснения образования неоднородной структуры экваториальной ионосферы [25]. Основная трудность, возникающая при рассмотрении ГД неустойчивостей, связана с эффектом “закорачивания” поляризационных потенциальных электрических полей вследствие высокой проводимости плазмы в направлении геомагнитного поля, что приводит к резкому уменьшению их инкрементов. В частности, применительно к условиям среднеширотной и высокоширотной верхней ионосферы для оптимального развития ГД неустойчивостей необходимо, чтобы продольный размер неодно-
б
родностсй километровых масштабов значительно превышал характерный высотный размер F-слоя. Отметим, что во многих теоретических работах вопрос о “степени вытянутости” неоднородностей в направлении магнитного поля вообще не рассматривается, при этом исходные уравнения интегрируются в направлении магнитного поля. Последнее позволяет исключить влияние продольных токов на величину поляризационных электрических полей и формально перейти к двухмерной модели турбулентности, в которой все возмущения зависят только от координат в плоскости, ортогональной геомагнитному полю. Однако это противоречит результатам измерений степени вытянутости неоднородностей в направлении геомагнитного поля, выполненных методом радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ, согласно которым в естественных условиях для неоднородностей километровых масштабов она не превышает 1\\/1± ^ (10 30) [27-31].
Среди процессов, приводящих к образованию неоднородной структуры высокоширотной ионосферы, наибольший интерес представляют исследования механизмов формирования плоско-слоистых (sheet-like) неоднородностей, вытянутых преимущественно в плоскостях, совпадающих с геомагнитными L-оболочками [32, 33]. Такие неоднородности наблюдаются преимущественно на авроральных широтах, где постоянно существует система крупномасштабных “втекающих” и “вытекающих” из ионосферы продольных к геомагнитному полю токов [34-37]. Другая задача связана с исследованием особенностей генерации неоднородной структуры высокоширотной ионосферы и заключается в изучении процессов, приводящих к образованию локальных “пэтче-вых” [patch) структур, в которых интенсивность неоднородностей существенно возрастает но сравнению с фоновым уровнем.
Начиная с 70-х годов, в нашей стране и за рубежом активно развивается научное направление, связанное с исследованием нелинейных эффектов, возникающих при взаимодействии мощного коротковолнового (КВ) радиоизлучения с ионосферной плазмой. Было установлено, что при отражении мощной волны накачки (ВН) обыкновенной поляриза-
7
цип от Г-слоя ионосферы развивается искусственная ионосферная турбулентность (ИИТ), которая характеризуется возникновением неоднородностей электронной концентрации с масштабами от более 100 км порядка характерного размера возмущенной мощным радиоизлучением области ионосферы до сильно вытянутых вдоль геомагнитного поля мелкомасштабных флуктуаций плотности плазмы ^паЫопз)^ имеющих поперечные к геомагнитному полю масштабы вплоть до дебаевского радиуса (гр ~ 1см). Пространственный спектр ИИТ можно разделить на две части — мелкомасштабную и крупномасштабную. За образование неоднородностей с поперечными к геомагнитному полю масштабами, меньшими длины ВН /_1_ ^ Ав„ = с//вн (30 -5- 60) м, ответственны тепловая параметрическая и резонансная неустойчивости [38-43], которые возбуждаются вблизи уровня отражения от ионосферы ВН обыкновенной поляризации. Считается, что за возбуждение неоднородностей с масштабами 1± ^ 1 км ответственны самофокусировочные неустойчивости электромагнитных и плазменных волн [44-46], которые также развиваются вблизи высоты отражения ВН. Механизмы образования глобальных возмущений плазмы, возникающих преимущественно при нагреве ионосферы в ночных условиях, составляющих порядка и более ста километров и охватывающих широкий диапазон высот [47, 52], в настоящее время полностью не изучены. Одним из них может служить эффект “магнитного зенита”, приводящий к резкому увеличению эффективности взаимодействия электромагнитного излучения с плазмой при распространении ВН вдоль магнитного поля [54].
Искусственное возбуждение неоднородностей, обладающих широким пространственным спектром, позволило исследовать ряд физических процессов, определяющих динамику плазмы верхней ионосферы, среди которых диффузия флуктуаций электронной концентрации [55-59] и процессы переноса возмущений в магнитоактивной плазме [60, 61]. В первых работах, посвященных теории диффузии неоднородностей в ионосфере, предполагалось, что релаксация возмущений протекает независимо в направлении магнитного поля и ортогональной ему плоско-
8
сти и характеризуется только двумя коэффициентами — амбиполярной продольной (ионной) и амбиполярной поперечной (электронной) диффузии [62]. Данный механизм диффузии известен как двуполярный и протекает при выполнении условий, запрещающих продольные к магнитному полю токи на границе возмущения, в частности, он может быть реализован для плазмы, помещенной в баллон с диэлектрическими стенками [63]. В дальнейшем было получено решение, согласно которому релаксация флуктуаций электронной концентрации в однородной магнитоактивной плазме подчиняется режиму униполярной диффузии [64-67], происходящему существенно быстрее, чем двуполярная. Определяющее влияние на униполярную диффузию оказывают вихревые токи “короткого замыкания”, которые приводят к резкому уменьшению времени жизни неоднородностей. Униполярная диффузия одновременно резко увеличивает пороги низкочастотных неустойчивостей, в частности, градиентно дрейфовых, которые могут приводить к генерации мелкомасштабных неоднородностей плазмы в естественных условиях.
В экспериментах по исследованию релаксации ИИТ было обнаружено, что диффузия сильпо вытянутых вдоль магнитного поля мелкомасштабных неоднородностей 1± ~ (3 4- 30) м, которые вызывают ракурсное рассеяние радиоволн, происходит существенно медленнее и может быть описана только двумя наименьшими коэффициентами — амбиполярной поперечной и продольной диффузии, т.е. близка к двуполярной. Другой вопрос, который возник при интерпретации данных, был связан с наличием аномально широких доплеровских спектров (ДС) сигналов ракурсного рассеяния, что свидетельствовало о существовании у рассеивающих неоднородностей хаотических мелкомасштабных движений, имеющих радиальное направление [68, 69, 71-75].
Одна из возможностей дать объяснение существующим противоречиям связана с поиском решений, отвечающих низкочастотным флуктуациям магнитоактивной плазмы, способным поддерживать свое существование в течение достаточно длительного времени. Аналогичная проблема, имела место в теории магнитного динамо (МД) при реше-
9
нии задач о генерации квазистагических магнитных полей во вращающейся проводящей жидкости [76-79]. Было установлено, что необходимыми условиями генерации таких полей являются: наличие “дифференциального вращения” проводящей жидкости и нарушение “отражательной симметрии” возмущений относительно направления возбуждаемого магнитного поля, приводящие к возникновению в системе достаточно сложных вихревых гидродинамических течений. Оказалось, что без указанных двух факторов не может быть осуществлен ни один из известных в настоящее время механизмов генерации магнитного поля. Нарушение симметрии возмущений по отношению к магнитному полю приводит к возбуждению отражательно неинвариантной (спиральной) турбулентности, одним из механизмов генерации которой может служить известный в теории МД “а-эффект”, возникающий благодаря взаимодействию вихревых гидродинамических полей, обладающих полои-дальной и тороидальной структурой. Вопросы, связанные с возникновением спиральной турбулентности в гидродинамике и магнитной гидродинамике (МГД), в настоящее время активно обсуждаются в литературе [80, 81].
Новый подход к проблеме образования неоднородной структуры верхней ионосферы, развитый в диссертационной работе, связан с учетом влияния на динамику флуктуаций плотности плазмы равновесных вихревых квазистатических токов. В [83] получено решение уравнений в приближении двухжидкостной МГД, которое описывает вращающиеся в магнитном поле антисимметричные возмущения плотности плазмы — дрейфовые МГД-волны. Показано, что генерируемые в них мелкомасштабные индукционные электрические поля приводят к “запиранию” токов короткого замыкания и создают возможность для протекания более медленного режима двуполярной диффузии. Рассмотренная в [85] неустойчивость дрейфовых МГД-волн при наличии мелкомасштабных искусственных неоднородностей электронной концентрации, возбуждаемых в верхней ионосфере мощным КВ радиоизлучением, может приводить к генерации вращателыю неинвариантной крупномас-
Ю
штабной турбулентности магнитоактивной плазмы. В [88] предложен градиентно-токовый (ГТ) механизм образования неоднородностей, который в высокоширотной верхней ионосфере в зонах существования продольных к геомагнитному полю крупномасштабных токов может приводить к развитию наблюдавшихся в эксперименте плоско-слоистых неоднородностей плотности плазмы, вытянутых преимущественно в плоскости, образованной направлениями геомагнитного поля и скорости регулярного дрейфа плазмы [89].
Результаты проведенных исследований открывают новое научное направление в физике ионосферы, связанное с изучением свойств и механизмов генерации квазистатической турбулентности плазмы. В отличие от электростатической турбулентности, где рассматриваются только потенциальные возмущения, она развивается в присутствии индукционных вихревых электрических нолей, источниками которых являются токи, определяющие равновесные конфигурации возмущений плотности плазмы во внешнем магнитном поле и вызывающие их флук-туационные движения с дрейфовыми скоростями.
Целью дисхертационной работы является экспериментальное исследование и разработка теоретической модели квазистатической турбулентности, возбуждаемой в верхней ионосфере в естественных условиях и при воздействии мощного КВ радиоизлучения. В круг поставленных задач входят:
• Разработка с использованием экспериментальных данных, полученных методом радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ в области полярных и авроральных широт, модели трехмерного спектра флуктуаций электронной концентрации, описывающей анизотропию неоднородностей плазмы в направлении геомагнитного гюля и в ортогональной ему плоскости.
• Экспериментальное исследование динамических процессов, приводящих на авроральных широтах в области главного ионосферного провала (ГИП) к образованию локальных плазменных структур, вызывающих наблюдаемые там сцинтилляционные пэтчи(СП), вклю-
11
чая определение параметров пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации в области СП.
• Экспериментальное исследование при помощи радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ характеристик пространственного спектра неоднородностей, возбуждаемых при воздействии на Г-слой мощного КВ радиоизлучения, определение характерных масштабов возмущений, при которых происходит изменение значений показателей степенного спектра в направлении магнитного поля и в ортогональной плоскости.
• Исследование диффузии искусственных неоднородностей, включая разработку механизма генерации вращающихся возмущений плотности плазмы — дрейфовых МГД-волн, позволяющего дать объяснение наблюдаемым в эксперименте — режиму двуиолярной диффузии мелкомасштабных искусственных неоднородностей и широкополосному уширению ДС сигналов ракурсного рассеяния.
• Разработка градиентно-токового (ГТ) механизма генерации неоднородной структуры магнитоактивной плазмы, исследование па его основе условий возбуждения в верхней высокоширотной ионосфере неоднородностей электронной концентрации, имеющих плоско-слоистую форму, и выяснение роли ГТ неустойчивости в процессах формирования локальных плазменных структур, приводящих к возникновению СП.
Научная новизна и практическая ценность. В диссертации разработан новый подход к проблеме образования неоднородной структуры верхней ионосферы, связанный с генерацией квазистатической турбулентности магнитоактивной плазмы, источником которой служат вихревые равновесные токи и возбуждаемые ими индукционные электрические поля. Полученные результаты использованы при интерпретации накопленных к настоящему времени многочисленных экспериментальных данных о неоднородностях электронной концентрации, возникающих в естественных условиях, а также при воздействии мощного КВ радиоизлучения.
12
В диссертации получены следующие новые результаты:
• Впервые предложен и экспериментально апробирован метод определения внутреннего масштаба спектра флуктуаций электронной концентрации в направлении геомагнитного поля, основанный на уменьшении на величину порядка единицы показателя степенного спектра флуктуаций амплитуды и фазы сигналов ИСЗ при радиопросвечивании неоднородностей под малыми углами с магнитным полем.
• Исследованы условия развития локальных СП, содержащих неоднородности километровых масштабов, в области ГИП при наличии сильных крупномасштабных градиентов электронной концентрации, получены данные о распределении мелкомасштабных неоднородностей в этих структурах в зависимости от высоты и широты.
• На основе данных о спектрах флуктуаций амплитуды и разностной фазы сигналов ИСЗ на частотах 150, 400 МГц исследованы характеристики анизотропии неоднородностей высокоширотной ионосферы в плоскости, ортогональной геомагнитному полю, предложена двухкомпонентная модель пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации, которая в диапазоне масштабов 1± £ ^ (1 -г 2) км описывает плоско-слоистые неоднородности, имеющие дополнительную вытянутость в плоскости, ортогональной геомагнитному полю, а в мелкомасштабной части /_1_ ^ (0,3 -г- 0,5) км — изотропные в этой плоскости.
• При помощи радиопросвечивания сигналами ИСЗ области ПИТ, возбуждаемой в срсцнеширотпой верхней ионосфере мощным КВ радиоизлучением, получены данные о высотном распределении неоднородностей километровых масштабов и скоростях переноса возмущений в направлении магнитного поля, определены характерные масштабы, на которых происходит изменение показателя степенного пространственного спектра искусственных неоднородностей в направлении геомагнитного поля и в ортогональной ему плоскости.
• На основе данных о релаксации ИИТ в различных диапазонах масштабов определены значения эффективных коэффициентов диффузии, позволившие экспериментально доказать, что при релаксации
13
мелкомасштабных искусственных неоднородностей, сильно вытянутых вдоль геомагнитного поля, имеет место режим дву полярной диффузии, который протекает при отсутствии токов короткого замыкания и является существенно более медленным, чем униполярная диффузия квазинейтральных флуктуаций электронной концентрации в однородной магнитоактивной плазме.
• Теоретически обнаружен в приближении двухжидкостной МГД новый тип волновых структур, — дрейфовые МГД-волны — описывающих антисимметричные к направлению магнитного поля вращающиеся возмущения плотности плазмы, свойства которых позволяют дать интерпретацию наблюдаемым в эксперименте режиму двуполярной диффузии мелкомасштабных искусственных неоднородностей и уширению ДС сигналов ракурсного рассеяния.
• Предложен новый механизм образования неоднородностей магнитоактивной плазмы — ГТ неустойчивость, который может приводить к развитию наблюдаемых в высокоширотной верхней ионосфере плоско-слоистых неоднородностей электронной концентрации.
На защиту выносятся:
• Разработка метода и результаты измерений внутреннего масштаба пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации в высокоширотной верхней ионосфере на авроральных и полярных широтах.
• Результаты исследований на широтах ГИП условий формирования СП при наличии сильных крупномасштабных градиентов электронной концентрации плазмы и параметров спектров фазовых и амплитудных флуктуаций, возникающих при радиопросвечивании СП сигналами ИСЗ, разработка модели двухкомпонентыого степенного пространственного спектра неоднородностей в области СИ.
• Результаты измерений методом радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ формы пространственного спектра ПИТ в диапазоне поперечных к магнитному полю масштабов от десятков километров до
14
нескольких десятков метров, определение характерных масштабов, на которых происходит изменение показателей степенного спектра.
• Теоретически найденное решение, описывающее дрейфовые МГД-волны, — вращающиеся возмущения плотности магнит о активной плазмы, близкой к идеальной. Интерпретация на его основе данных о релаксации мелкомасштабных искусственных неоднородностей и наблюдаемого в экспериментах по ракурсному рассеянию радиоволн широкополосного уширен и я ДС.
• Градиентно-токовый механизм генерации неоднородностей в магнитоактивной плазме с внешним током, который в условиях аврораль-ной верхней ионосферы может приводить к образованию плоско-слоистых мелкомасштабных неоднородностей.
Личный вклад автора являлся определяющим при получении результатов, выносимых на защиту, он принимал непосредственное участие па всех этапах выполнения экспериментальных работ, включая постановку задач, проведение измерений и обработку данных.
Автор начинал работу под руководством Л. М. Ерухимова, который поставил задачу научных исследований и был его учителем. Автор выносит глубокую благодарность своим коллегам: сотрудникам НИРФИ —
A. В. Рахлину, В. Л. Фролову, А. Ф. Беленову, С. А. Метелеву, А. М. Лернеру, Ф. И. Выборнову, Е. Н. Сергееву, Л. М. Каган, сотрудникам Полярного геофизического института КНЦ РАН — А. А. Боголюбову,
B. И. Косолапенко, Б. 3. Худукону, сотрудникам Института радиоастрономии АН Украины — Ю.М. Ямпольскому, А. В. Колоскову и Казанского государственного университета им. В. И. Ленина— И. А. Насыро-ву, с которыми совместно в разное время были получены результаты, вошедшие в диссертационную работу, и сложились добрые и дружеские отношения. Помощь в получении экспериментальных данных оказывали Ю. Д. Вдовин, И. В. Попков, В. С. Караванов, А. А. Солоничев, с которыми автор длительное время провел в экспедициях и комапдиров-
15
ках, в обработке — H. Н. Новикова. Автор благодарит Н. В. Муравьеву, совместно с которой были получены результаты на заключительном этапе исследований, Л. Р. Семенову за помощь при оформлении диссертации и Ф. Ф. Мясникову за моральную и супружескую поддержку на всех этапах научной деятельности. Ряд исследований был выполнен при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований: гранты РФФИ 96-02-18500, 03-05-64636 и международных фондов: гранты ISF R8L000, INTAS 03-51-5583, CRDF-1334-NO-02.
Апробация результатов. Диссертация выполнена в ФГНУ “Научно-исследовательский радиофизический институт” (НИРФИ). Всего по теме диссертации опубликовано 25 статей в отечественных и зарубежных реферируемых научных журналах, более 20 публикаций содержится в научных сборниках, трудах и тезисах всесоюзных (российских) и международных совещаний, конференций и школ, препринтах НИРФИ. Основные результаты докладывались на Всесоюзных и Международных совещаниях по неоднородной структуре ионосферы (Ашхабад, 1979; Норильск, 1980; Мурманск, 1984; Калуга, 1989; Н. Новгород, 1991; Lyon, Colorado, 1994), на Всесоюзных и Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Горький, 1981; Н. Новгород, 2002), на Международных летних школах по физике космической плазмы (Н. Новгород, 1993, 1995, 1997), на Суздальских симпозиумах URSI по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (Суздаль, 1991; Uppsala, 1994; Москва, 1998, 2004), совещании рабочей группы по взаимодействию радиоизлучения с ионосферной плазмой (Santa Fe, 2004), Международных ассамблеях (URSI, Lille, France, 1996; COSPAR, France, Paris, 2004), а также на научных семинарах НИРФИ, ПГИ КНЦ РАН, ИПФ РАН, ИКИ РАН.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения, она содержит 297 страниц текста, включая 74 рисунка и список литературы из 214 названий.
16
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во Введении дана общая характеристика работы и кратко изложено её основное содержание.
В первой главе содержится обзор экспериментальных данных о неоднородной структуре ионосферы и поставлены задачи диссертационной работы.
В разделе 1.1 содержатся сведения об основных морфологических ха-рггктеристиках неоднородной структуры верхней ионосферы. Отмечается, что одной из важных особенностей высокоширотной авроральной ионосферы является существование зон “втекающих” и “вытекающих” продольных к геомагнитному нолю токов, где образуется главный ионосферный провал (ГИП) — область пониженной концентрации плазмы. Одной из особенностей неоднородной структуры в районе ГИП является образование локальных областей, содержащих интенсивные мелкомасштабные неоднородности электронной концентрации, вызывающие всплески флуктуаций амплитуды и фазы сигналов ИСЗ — “сцин-тилляционные пэтчи” (СП). Спектральные характеристики естественных неоднородностей исследуются методом радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ, а также с использованием датчиков (in situ), установленных на борту космических аппаратов и геофизических ракет. В условиях высоких широт на процессы генерации неоднородностей и формирование их пространственного спектра оказывают существенное влияние факторы, связанные с направлением электрического поля, определяющего дрейф плазмы, и характером замыкания системы крупномасштабных токов, включая продольные к геомагнитному полю токи.
В разделе 1.2 рассмотрены экспериментальные данные о пространственных спектрах турбулентности мелкомасштабных электрических и магнитных полей, наблюдаемых в высокоширотной верхней ионосфере. Измерения in situ показывают, что флуктуационные электрические поля поляризованы ортогонально, а магнитные — преимущественно ортогонально к направлению геомагнитного поля, причем флуктуационные мелкомасштабные электрические и магнитные поля,
17
так же как и неоднородности плотности плазмы, имеют степенные пространственные спектры, обладающие разными значениями показателей. Данные о соотношении показателей степенных спектров флуктуаций электрического и магнитного полей являются принципиально важными для экспериментальной проверки механизмов, которые могут приводить к образованию неоднородной структуры высокоширотной верхней ионосферы и магнитосферы.
В разделе 1.3 приведены основные результаты исследований параметров искусственной ионосферной турбулентности (ИИТ), возбуждаемой в верхней ионосфере мощным КВ радиоизлучением, полученные методами радиопросвечивания возмущенной области сигналами ИСЗ и ракурсного рассеяния радиоволн в КВ и УКВ диапазонах. В настоящее время механизмы генерации искусственных неоднородностей вблизи уровня отражения от Г-слоя мощной волны обыкновенной поляризации связывают с развитием тепловой параметрической и самофокусировоч-ной неустойчивостей электромагнитных и плазменных волн. Считается что данные механизмы формируют пространственный спектр ИИТ в диапазоне поперечных к геомагнитному полю масштабов от десятков километров до долей метра.
Измерения зависимости времени релаксации искусственных неоднородностей от их масштаба позволили определить эффективные коэффициенты поперечной к магнитному нолю и продольной диффузии флуктуаций плазмы в верхней ионосфере. Оказалось, что механизм релаксации ИИТ является существенно более медленным, чем униполярная диффузия квазинейтральных флуктуаций плазмы, и близок к двуполярному, протекающему при отсутствии вихревых токов короткого замыкания. Другой экспериментальный факт, обнаруженный при исследованиях ИИТ методом ракурсного рассеяния в КВ и УКВ диапазонах длин волн, не нашедший объяснения в рамках существовавших теоретических представлений, связан с ушпрением ДС рассеянных сигналов. Он свидетельствует о наличии в плоскости, ортогональной магнитному полю, мелкомасштабных хаотических движений флуктуаций плотности плазмы, имеющих радиальное направление.
18
В разделе 1.4 дано краткое описание предложенного в диссертации подхода к проблеме генерации в магнитоактивной плаоме низкого давления непотенциальных электрических полей, источниками которых служат флуктуационные квазистатические токи, определяющие условия равновесия плазмы в магнитном поле. В рамках данного подхода были найдены структуры нового типа— дрейфовые МГД-волны, представляющие из себя антисимметричные по отношению к магнитному полю вращающиеся возмущения плотности плазмы. Их флуктуационные движения со скоростью порядка дрейфовой приводят к изменению потока регулярного магнитного поля через проводящие плазменные контуры, образованные неоднородностями электронной концентрации, и генерации индукционных электрических полей.
Другой тип индукционных электрических полей, которые могут возбуждаться в присутствие токов, протекающих в плоскости, проходящей через направление внешнего магнитного поля, рассмотрен в разделе
1.5. Источником, поддерживающим их в высокоширотной ионосфере, может служить система крупномасштабных продольных к магнитному полю “биркеландовских” токов, которые, в свою очередь, генерируются в системе магнитосфера-ионосфера при обтекании плазмой солнечного ветра вращающегося магнитного поля Земли. Движения возмущений, обусловленные наличием таких полей, приводят в неоднородной плазме к развитию градиентно-токовой (ГТ) неустойчивости.
Во второй главе диссертации представлены результаты экспериментальных исследований неоднородной структуры высокоширотной ионосферы, полученные методом радиопросвечивания сигналами ИСЗ.
В разделе 2.1 рассмотрен метод исследований спектральных характеристик неоднородностей электронной концентрации с помощью радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ. В настоящее время при интерпретации экспериментальных данных наиболее часто используется форма трехмерного степенного спектра
Фп(к.) ос (1 + {а2хк2х + а2ук2у + <**#£})”р/2,
19
здесь направление оси г совпадает с геомагнитным полем, ж, у лежат в ортогональной плоскости, ось х — в плоскости магнитного меридиана. В случае, когда коэффициенты анизотропии ах, ау, а2 не зависят от волнового числа, измеряемые методом радиопросвечивания одномерные спектры мерцаний фазы и амплитуды F<fi)л ос 1/~п имеют показатель п = р— 1, отличающийся от показателя р на единицу. Если спектр Фп(/с) содержит характерные масштабы, при которых значения показателя степени в различных направлениях становятся разными, то измеряемые значения п будут зависеть от направления радиопросвечивания. Наиболее простой данная зависимость оказывается для гауссовой функции обрезания спектральной плотности, например, для спектра вида
Ф„(/с) сх Ф„(/Сх) •ехр{-«^ц/4}
форма измеряемого спектра мерцаний зависит от угла 0 радиолуча с магнитным полем и угла ф между направлениями проекций на плоскость фазового экрана (ФЭ), ортогональную радиолучу, скорости радиолуча и магнитного поля. В частности, при углах в ^ 2//сх/0|[ = = г;н/7Г1//о| значение показателя спектра мерцаний увеличивается на единицу и становится равным п = р. Наряду с изменениями показателя степенного спектра р флуктуаций электронной концентрации, связанными с наличием внутренних масштабов турбулентности, они могут быть обусловлены характерными значениями внешних масштабов, ограничивающих пространственные размеры источников неоднородной структуры.
В разделе 2.2 приведены резз^льтаты измерений внутреннего продольного к геомагнитному полю масштаба пространственного спектра неоднородностей в полярных (арх. Шпицберген, 78,67° с.ш., 18,24° в. д.) и авроральных (п. Верхиетуломский, Мурманская область, 68,8° с.ш., 32,4° в. д.) широтах, полученные при радиопросвечивании ионосферы сигналами ИСЗ на частотах 150 и 400 МГц. На основе сопоставления экспериментальных данных и численного моделирования зависимости формы спектров амплитудных мерцаний от направления радиопросве-
20
чивания показано, что для неоднородностей с поперечными масштабами 1± (0,7 4- 1) км значение масштаба “обрезания” спектра в направлении магнитного поля составляет (3 4- 5) /0:| £ 15 км в области
полярных широт и (0,7 Ч-1) ^ /о[( 3 км на авроральных широтах.
В разделе 2.3 по данным радиопросвечивания ионосферы сигналами ИСЗ, полученным на арх. Шпицберген, исследуются особенности пространственного распределения СП. Результаты измерения показали, что СП наблюдались как при малых углах с магнитным полем в & (3 4- 4)°, так и существенно превышающих указанное значение, когда радиолуч пересекал ионосферу в направлении, близком к плоскости геомагнитной L-оболочки. Математическое моделирование зависимости индекса мерцаний от широты показало, что крупномасштабные области, содержащие интенсивные мелкомасштабные неоднородности с масштабами & 1 км должны иметь характерные размеры в восточно-западном направлении (у) и вдоль геомагнитного поля (z), существенно превышающие их северо-южный размер (ж). Отношение внешних масштабов L0z: L0y: L0x таких областей составляло (50:20:1); (20:20:1); (20:10:1); (10: 5:1). Поскольку наблюдавшиеся значения севе-ро-южного размера СП составляли Lox & (204-70) км, то их протяженность в направлении геомагнитный восток - запад должна превышать L0y Z (100 4- 300) км.
В разделе 2.4 приведены результаты измерений на авроральных широтах параметров дифракционной картины с помощью пространственно разнесенного приема сигналов ИСЗ. Эксперимент проводился на базе экспедиции ПГИ КИЦ РАН в п. Верхнетуломский с использованием сигналов орбитальных ИСЗ на частотах 150 и 400 МГц. При обработке амплитудных флуктуаций сигналов, принимавшихся на три пространственно разнесенные с малой базой антенны, измерялись величина и направление скорости движения волнового фронта дифракционной картины на поверхности Земли, а также с использованием метода кросс-корреляционного анализа — ориентация и степень вы-тянутости характеристического эллипса в плоскости ФЭ. Полученные
21
данные показали, что скорость движения дифракционной картины, измеряемая по значениям времен относительных сдвигов кросскорреля-ционных функций в пространственно разнесенных точках, в значительной степени определяется направлением распространения радиоволны по отношению к геомагнитному полю, при этом вектор скорости движения фазового фронта ортогонален к проекции геомагнитного поля на плоскость ФЭ. Результаты измерений параметров характеристических эллипсов показали, что их ориентация и степень вытянуто-сти адекватно не отражают характер анизотропии неоднородностей. В частности, соотношение осей и угол, определявший ориентацию характеристических эллипсов, испытывали значительные пространственные вариации, в то время как волновой фронт дифракционной картины строго следовал за направлением проекции магнитного поля на плоскость ФЭ. Причина наблюдавшихся отклонений, по-видимому, состояла в том, что при радиопросвечивании ионосферы сигналом низкоорбитального ИСЗ масштаб функции кросскорреляции в направлении движения дифракционной картины зависит не только от характерного масштаба неоднородностей, но и от толщины занимаемого ими слоя в направлении радиолуча. Наличие достаточно толстого неоднородного слоя должно привести к сокращению корреляционного масштаба и вытягиванию корреляционного эллипса в направлении, ортогональном движению ИСЗ. Результаты численного моделирования показали, что характерные размеры областей, содержащих мелкомасштабные неоднородности l± ^ 1 км, составляли: Lqz ~ Loy — (50 -г 100) км вдоль геомагнитного поля и в восточно-западном направлении, Lqx ~ ~ (25 -г 50) км — в северо-южном направлении.
В разделе 2.5 приведены данные о высотном распределении мелкомасштабных неоднородностей, полученные методом пространственно разнесенного приема сигналов орбитальных ИСЗ. Для вычисления высот использовалась кросспектральная обработка флуктуаций амплитуды, позволившая определять величину временных сдвигов сигналов, принятых на пространственно разнесенные антенны, в зависимости от ча-
22
стоты флуктуаций. Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что генерация неоднородностей с масштабами 1± ^ 1 км в авро-ральной ионосфере первоначально происходила в локальных областях, сильно вытянутых вдоль геомагнитного поля и восточно-западного направления, которые при дальнейшем развитии распадались на структуры, занимавшие достаточно протяженный интервал по широте. Характерное время формирования и разрушения таких структур в условиях слабой геомагнитной активности составляло порядка и более одного часа. Наиболее узкие по широте зоны мерцаний наблюдались на этапе их развития в направлении, близком к восточно-западному, что указывает на возможность существования в авроралыюй ионосфере механизмов генерации плоско-слоистых мелкомасштабных неоднородностей, приводящих к наиболее эффективному расслоению плазмы в северо-южном направлении.
В разделе 2.6 исследуются процессы формирования СП на аврораль-ных широтах в области ГИП. Для измерений использовались данные об амплитудных мерцаниях сигналов ИСЗ на частотах 150 и 400 МГц и измерения разностной фазы сигналов, дававшие информацшо о зависимости от широты полного электронного содержания (ПЭС) — концентрации плазмы, проинтегрированной в направлении радиолуча ИСЗ. Измерения показали, что при переходе от дневного к вечернему времени суток северная граница ГИП смещалась в направлении с севера на юг с характерной скоростью ^ (30-г 100) м/с. Движение ГИП в этом направлении сопровождалось увеличением северного градиента ПЭС, максимальное значение которого наблюдалось приблизительно в интервале (22 -г 23) часов по местному времени, в дальнейшем его величина уменьшалась. Разрушение северного градиепта ПЭС сопровождалось возникновением интенсивных СП.
В разделе 2.7 анализируются данные радиопросвечивания высокоширотной ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ на когерентных частотах 150 и 400 МГц (п. Верхнетуломский), полученные в период работы станции нскогерентного рассеяния ЕТБСАТ (69,58° с.ш., 19,23° в. д.)
23
по программе СР-З-Г. В данном режиме осуществлялось сканирование диаграммы направленности Е15САТ в плоскости магнитного меридиана, позволившее получать высотно-широтные профили электронного содержания, температуры электронов и ионов, а также распределение скоростей дрейфа плазмы на высотах Е-слоя. Полученные данные позволили выделить следующие особенности формирования неоднородной структуры в области ГИП. В дневных магнитоспокойных условиях при отсутствии резких широтных градиентов ПЭС и при западном направлении дрейфа плазмы мелкомасштабные неоднородности преимущественно возникали в области минимума концентрации и максимума электронной температуры. В вечернее время при том же направлении дрейфа образование наиболее интенсивных неоднородностей в области ГИП происходило преимущественно на северном градиенте ПЭС. При смене направления дрейфа с западного на восточное, происходившего вблизи местной полуночи, образование наиболее интенсивных неоднородностей происходило в области южного градиента ПЭС. Обнаруженная особенность в развитии мелкомасштабных неоднородностей свидетельствует о наличии механизма их генерации, связанного с направлением крупномасштабного градиента плазмы.
В разделе 2.8 анализируются спектры флуктуаций амплитуды на частотах 150, 400 Мгц и разностной фазы для регистраций, полученных в эксперименте, описанном в разделе 2.7. Было показано, что в области максимума интенсивности мерцаний, наблюдавшегося в центре локального СП, имело место увеличение показателей степенных спектров как фазовых а так и амплитудных Ед а и~ПА флуктуаций
сигналов до значений пг ~ па — 4,0, в то время как на его краях показатели уменьшались до значений (2,5 -г 3). Наибольшее увеличение интенсивности мерцаний в СГ1 имело место для флуктуаций разностной фазы и убывало для флуктуаций амплитуды с увеличением частоты сигналов от 150 до 400 МГц. Последнее свидетельствовало о том, что анизотропия неоднородностей в восточно-западном направлении уменьшалась при уменьшении их поперечного к геомагнитному полю масштаба. Оценки показали, что характерный масштаб изотропиза-
24
ции спектра флуктуаций электронной концентрации в плоскости, ортогональной магнитному полю, в магнитоспокойпых условиях составлял порядка 1т.l — (300 -т- 500) м.
На основе полученных экспериментальных данных была предложена модель двухкомпонентного спектра неоднородностей, согласно которой неоднородности с масштабами 1т± являются аксиально симме-
тричными и имеют степенной спектр вида Фп сх /с][р± с показателем р± ~ (2,53). В области масштабов 1±_ £ {lmi.Jo\\} форма спектра становится трехмерной степенной. Коэффициент, характеризующий вы-тянутость неоднородностей в направлении север - юг, описывается зависимостью вида
ах{кх) = а0 (l - ехр{- [&14/4]т/2}) .
Согласно рассмотренной модели при кх ^ 2//mj_ коэффициент анизотропии ах ос к™ и спектр в направлении оси х пропорционален Фп(кх) ос ос Увеличение показателя степенного спектра в области ма-
лых кг приводит к быстрому насыщению спектральной плотности в данном направлении, что позволяет дать объяснение малым североюжным размерам СИ. Рассмотренная модель спектра позволяет объяснить зависимость значений показателя степени спектров флуктуаций фазы и амплитуды от направления радиопросвечивания по отношению к плоскости геомагнитной L-оболочки.
В третьей главе диссертации представлены результаты экспериментальных исследований искусственной ионосферной турбулентности (ПИТ), возбуждаемой на средних широтах мощным КВ радиоизлучением. Измерения проводились на базе нагревных стендов НИРФИ п. “Зименки” (56,15° с.ш., 44,28° в. д.) и п. Васильсурск стенд “Сура” (56,13° с.ш., 43,10° в. д.), часть данных была получена на стенде “Гис-сар” (38,5° с. ш., 68,6° в. д.), находившемся вблизи г. Душанбе.
В разделе 3.1 приведены результаты измерений высотного распределения искусственных неоднородностей, полученные при помощи пространственно разнесенного приема сигналов низкоорбитальных ИСЗ
25
на частоте 136 МГц, и формы спектра ИИТ на разных высотах, выполненные при радиопросвечивании возмущенной области (ВО) сигналом геостационарного ИСЗ АТБ-б на частоте 40 МГц. Полученные данные позволили сделать вывод о наличии механизмов, осуществляющих перепое искусственных возмущений от уровня отражения мощной радиоволны на высоты, существенно превышающие максимум Г-слоя. Эффективная скорость переноса неоднородностей километровых масштабов 1 км по высоте, либо источника, вызывавшего их генерацию, составила уг;)ф ~ (200-г400) м/с. Измерения формы спектра искусственных неоднородностей на разных высотах показали, что вблизи уровня отражения волны накачки (ВН) на масштабах 1ту ^ (0,35 Ч- 0,7) км образуется широкополосный максимум, в области которого наблюдается степенной закон убывания спектральной плотности .Рд ос к”п с показателем степени п ~ (1,3 Ч- 1,8). В диапазоне масштабов 1У ^ /ту, так же как и для интервала высот, превышавшего высоту отражения ВН, спектр мерцаний был монотонным степенным с показателем п ~ (34-4), значение которого было близко к показателю, наблюдавшемуся при радиопросвечивании естественных ионосферных неоднородностей. При измерениях формы спектра ИИТ вблизи высоты отражения ВН, выполненных путем радиопросвечивания ВО сигналами орбитальных ИСЗ на частоте 150 МГц, также был обнаружен аналогичный максимум в спектре ИИТ в направлении север-юг на масштабах 1тх ~ 700 м. Полученные данные позволили сделать вывод об изотропии формы спектра в плоскости, ортогональной геомагнитному полю, в диапазоне масштабов 1т± & (500 -г 700) м, отвечающих широкополосному максимуму пространственного спектра ИИТ. Результаты, близкие к указанным выше, были также получены при радиопросвечивании области ИИТ, создаваемой на умеренно низких широтах стендом “Гиссар”, сигналом геостационарного ИСЗ “Эшо” на частоте 136 МГц. В заключение данного раздела приведены результаты эксперимента, позволившего дать оценку внутреннему масштабу спектра ИИТ в направлении геомагнит-
26
ного поля. Здесь была использована методика, применявшаяся нами ранее при проведении аналогичных измерений в естественной высокоширотной ионосфере. Для этого были использованы данные, полученные при радиопросвечивании ВО, создаваемой стендом “Зименки”, сигналом орбитального ИСЗ на частоте 150 МГц. Прием сигналов осуществлялся на п. “Зименки”, для измерений использовался пролет ИСЗ, для которого минимальный угол радиолуча с магнитным полем составил втъп ~ 1,7°. Выло получено значение внутреннего масштаба спектра ИИТ, равное /0ц ~ (3 -г 4) км.
В разделе 3.2 приводятся результаты исследований ИИТ при радиопросвечивании ВО сигналами орбитальных ИСЗ на когерентных частотах 150 и 400 МГц. Нагрев ионосферы осуществлялся при помощи стенда “Сура” с использованием трех радиопередатчиков, работавших в режимах когерентного и некогерентного сложения мощностей. Прием сигналов проводился на п. “Зименки”, расположенном в 100 км к западу от нагревного стенда. Было показано, что ВО, создаваемая в условиях освещенной Солнцем ионосферы, имеет достаточно малую протяженность по высоте, что проявлялось в наличии сильно выраженных фре-нелевских осцилляций в спектрах флуктуаций амплитуды и фазы сигналов. В диапазоне масштабов 1тх ~ (0,7 Ч- 2) км наблюдалось образование спектрального максимума со степенным законом убывания спектральной плотности при 1Х < 1тх. Результаты аналогичных измерений, выполненных в ночное время, обнаружили существенное увеличение среднеквадратичных флуктуаций фазы, составивших А(рт&х ~ ±2 рад. Спектральная обработка флуктуаций фазы показала различие в форме спектра ИИТ на северном и южном краях ВО. Северному участку ВО отвечали квазипериодические флуктуации фазы с характерным периодом Тог — 20 км, в то время как на южном участке имел место более “изрезанный” характер флуктуаций. Значения показателей степенных спектров ос к~п в области масштабов 1Х ^ (1 Ч- 2) км составили п ^ (4 т 4,5) для северного участка ВО и п ~ (2,5 Ч- 3,0) для южного,
27