Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Эффекты взаимодействия квазимонохроматических ОНЧ волн с волнами и частицами в приземной плазме

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Эффекты взаимодействия квазимонохроматических ОНЧ волн с волнами и частицами в приземной плазме"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

8 ОД

На правах рукописи

О лсП 4П.Л7 УДК 551.510; 550.388

ФЬЬ ш/

ТЕОДОСИЕВ Димигьр Кирилов

ЭФФЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КВАЗИМОНОХРОМАТИЧЕСКИХ ОНЧ ВОЛН С ВОЛНАМИ И ЧАСТИЦАМИ В ПРИЗЕМНОЙ ПЛАЗМЕ (по результатам экспериментов на ИСЗ ИК-Болгария 1300 и МАГИОН)

Специальность: 04.00.23 - Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва -1997

Работа выполнена ь Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской Академии наук (ИЗМИРАН) и Институте космических исследовании Болгарской Академии наук.

Научиыг руководитель: кандидат физико-математических паук

В.М.ЧМЫРЕВ (Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН).

Официальные огшо11снты :

доктор физико-математических наук С.А.ПУЛИНЕЦ, кандидат физико-математических наук М.М.МОГИЛЕВСКИЙ.

Ведущая организация: Обьединенпый институт физики Земли РАН.

Защита состоится "Л-Ь" 1997 г. в ~'-'час. ^мнм. на заседании

диссертационного совета Д.002.83.01 в ИЗМИР АН по адресу: 142092, Московская область, г. Троицк, ИЗМИРАН.

а

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИЗМИРАН. Автореферат разослан "^"....^^.....1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

О.П.Коломийцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕР! ЮТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Одни из наиболее перспективных методов исследования Физических процессов в космическом плазме представляют активные эксперименты, п которых естественно нроте-ающпс процессы моделируются путем контролируемого воздействия на ионосферу и магнитосферу Земли искусственно инжектируемых потоков частиц и электромагнитных полей в различных диапазонах частот. Такие процессы, как высыпание частиц из радиационного пояса Земли при взаимодействии с интенсивными свистовыми волнами, нагрев и ускорение ионосферных частиц на различных модах собственных во;:и в плазме, формирующие конические распределения низкоэкергичных ионов различных сортов в авроральпой магнитосфере, разогрев нижней ионосферы и связанная с этим модификация химических реакции, формирование неодпородностсй и облаете.» аномального свечения в ионосфере над грозовыми очагами и многое другое может быть успешно промоделировано путем искусственной ипжекции волн н потоков частиц с борта космического аппарата или с поверхности Земли.

Актуальность этого направления исследовании особенно велика благодаря необходимости изучения различных эффектов антропогенного ( техногенного ) воздействия на верхнюю ионосферу и магнитосферу Земли.

Настоящая работа представляет попытку целенаправленного исследования волновых возмущений ионосферы под воздействием мощного электромагнитного излучения низкочастотных наземных радиостанций и электронных пучков, инжектируемых с борта космического аппарата. В работе использовалась аппаратура, разработанная автором с применением оригинальной методики изготовления электрических зондов - датчиков, и оригинальная концепция проведения экспериментов.

Совмещение точных методов измерения электрических полей и волновых возмущений с оригинальным подходом к исследованию волг 1вых процессов в космическом плазме создает экспериментальную базу для разработки спутниковой системы электромагнитного мониторинга, ионосферы и ее модификации под воздействием различных природных факторов и техногенных воздействий. Круг перечисленных выше вопросов определил основное содержание и цели диссертационной работы. Цели работы.

4. Разработка методики изготовления электрических зондов и создание комплекса электромагнитной диагностики ионосферной плазмы с борта ИСЗ.

5. Экспериментальное исследование эффектов »оздеистиия сигналов мощных наземных ОИЧ передатчиков на волновые п плазменные процессы в ионосфере и магшпосферс Земли.

6. Анализ физических механизмов взаимодействия сигналов ОНЧ передатчиков с волнами и чаешцами в верхней ионосфере Земли.

7. Лиг -из низкочастотных волновых эффектов инжекции пектронных пучков в ионосферу Земли.

Научная новизна работы определяемся следующими результатами:

1. Разработана л применена на семи нскуствепных спутниках Земли оригинальная методика изготовления электрических зондов -датчиков ;иш измерения квазппосюяппых электрических полей и >'11 Ч/К! '4/OI14 волновых излучении в ионосферной плазме.

2. Обнаружены экспериментально эффекты ешмуляцпн атмосферных эмиссий, потоков пизкоэпергпчпых попов п ОНЧ тлучеппй под воздействием сигналов мощных наземных низкочастотных передатчиков.

3. Показано, что параметрическое взаимодействие свистовых волн, воюуждасмых шиемиыми передатчиками в ионосфере, с cooci венными волновыми модами HOiioc(|iepiioii плазмы играет важную роль в процессах ускорения ноносферпых попов и формирования ноюков сверхiсиловых элек фонов.

4. Обнаружен экспсрнмешалыю эффект импульсного мппрепия спектра сигналов ни жочасгошот пак'мпого ОНЧ передатчика при нскуствспнон инжекции модулированного электронного пучка в ионосферу. Лапа интерпретация эффекта в терминах рассеяния снистовог полны на мелкомаспмабных искусственных неоднородное!ях ионосферы, стимулированных модулированным электронным пучком.

I lpaKi ическаи значимость работы определяется следующими

факторами:

1. Предложенная методика изготовления датчпков-зопд<. s и концепция проведения эксперимент по измерениям электрических полей па борту 11СЗ позволяют увеличить точность и достоверность получаемых результатов. Эта методика может быть применена в различных спутниковых экспериментах но наблюдению электрических нолей и VI1Ч/КПЧЮ1 !Ч излучении, а также при выполнении прикладных задач, требующих точных электрических измерений в ионосфере и магнитосфере Земли.

2. Анализ данных спутниковых измерении покашл перспективность применения подобных меюднк для анализа антропогенных эффектов волновых воздействий на ионосферно-магнитосферную плазму.

3. Усмотренные п диссертации физические механизмы взаимодействия ОПЧ сигналов от наземных передатчики» с волнами н частицами и ноиосферно-магнптосфериой плазме составляют основу для дальнейшего развития теоретических и экспериментальных исследований процессов генерации и распространения низкочастотных волн в космической плазме.

4. Эффект уширенпя спектра сигналов наземного ОНЧ передаIчика, коррелированного с инжекиией электронного пучка с бор 1а ПСЗ. свидетельствует о возможности формирования плазменных неодпородностей с заданными характеристиками в ионосфере.

Защищаемые в диссертационной работе положения:

1. Методика изготовления сферических электрических дамикоп-зоидов п концепция проведения экспериментов по измерениям электрических полей и УНЧ/КНЧЮНЧ излучений на около!смпой орбите.

2. Эффекты воздействия сигналов мощных ОМЧ-п.редазчпков на иопосферно-магшпосферпую плазму:

• повышение шпенсивносзи атмосферных эмиссий 11|( и }. 630 им;

• формирование квазппоперечпых потоков попов ( Г:=0.5 - 5 км В ) с шпснсппностмо до 3-10'1 (см2 ссркэВ)-1.

• повышение уровня интенсивности излучений на частотах 1-5-15 кГц.

3. Механизм генерации этих явлении, основанный па развитии двухступенчатого нелинейного процесса взаимодействии в ионосферной плазме в области интенсивного низкочастотного волнового воздействия.

4. Результаты теоретических и численных расчетов эффектов параметрического взаимодействия свистовых волн, возбуждаемых наземными 011Ч-передатчиками в ионосфере, с собственными волновыми модами ионосферной плазмы.

5. Эффект импульсного уширенпя спектра сигналов наземного ОНЧ-иередатчпка па искусственных неодпородностях ионосферной плазмы, возникающих при пнжекции модулированного электронного пучка в ионосферу с борта 11СЗ.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах ИЗМИРАН, ИКИ Болгарской Академии наук и Физического факультета Софийского Университета, на симпозиумах КОСПАР, на Международных конференциях по результатам проекта "Интеркосмос-Болгария 1300" в Суздале (1983 г.) и Львове (1984 г.),

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 работах.

Гфукзура и щ'н.ем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав , заключения и списка литературы, содержит 98 страниц оокч'.п ч .1 к-кста, 38 рисунков, 2 таблицы. В списке цитируемой лпи-раирь: III наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определен круг понросон, решаемых в диссертации, сформулированы цели исследований. Ппагастся крап<ое содержание диссертации. приведены основные положения, выносимые на защшу.

И первой главе днссершннн приведены основные характеристики лпиаршур!дли измерения злекфомаппиных полей на снушиках "I [шсркосмоЫиш ария 1300" (далее I П<-Ь 1300 ) и "МАГИОИ-У. Показано, как обеспечивалась высокая точность щчмюдммых измерении с помощью разработанной авюром «нлемы дагтко® и '■лек тронных блоков приборов. Описана созданная дня элакщжческмх ш-ерепин на спутнике "ПК - Б 1300" орпгшшшлтая методика из1'чмовлспня чувствительных злеменюв дагожои со стеклом леродным нокрышем ;ичя приборов 1Г)ОЯ и (КОЯ. ¡Каче-ото рабочих поисрчпосз сп со езеклоутлеродным нокрышем чд мтобжчков даршков были исследованы различными *№к.чмх1*очмтш (физическими методами. в частиоези, п »учено распределение ма,риацнй функции работы выхода но стеклоуглеродной ятч/дафчиосчи сферических датчиков, выполнен рЛттгспос.грук:щ>м<1Ди анализ покрьпия, проанализированы отклонения ог сформчмости, злек I рпческ<'ч проводимость покрытии, стоньчкчь 1К сильным термическим \дарам, качество механической копсфукиии моноблоков даршков. В резульиие проведенных исследование «показано, чю применение разрлбоынпого авюром метода и«окм.ммя да<чпкои .чля измерения иекфпчески.ч нолей в космической плазме двоинпм злектрическим юндо.м обеспечиваст более высокие шжакпеа по сравнению с обычно применяемыми ц космических женеримешач сферическими д.ичнкамн ш стеклом леродл.

Во второй половине главы представлен анализ и оценка качества рабом.! анпарльры по результатам летных нспьпашш на снушиках "11К-1;..130()" и "Магноп".

Комплексный характер проводимых измерений на этих снушиках. высокая точность и ра (решающая способность аппаратуры ношо, шли достаточно полно описать ряд процессов. определяющих злекфомагпитное взаимодействие между ионосферой и магии юсферой Земли. К тому надо добавить и возможность изучения зффекзов воздействия излучения большой мощности от наземных источников пли потоков заряженных чаемщ на ноносферно«

?

м;п питсферпую плазму с использованием системы спутник-. cvóciiyniiiK и космических проектах Л ГШ КС, АКТИВНЫЙ и

йпттчюл.

lío второй i.тане иа основе данных спутника "ИК-Б исследована возможность искусственной стимуляции атмосферных эмиссий мощными наземными источниками радиоизлучения. Чрямые измерения с борга спутника "IIK-K 1301/ во врем», сильной магпшпой бури показали, что в вшах повышенной интенсивности эмиссии II,, и X 630 им (01] наблюдаются квазипоперечные потоки попов с энергией 0.5-5 кэВ и интенсивностью до 310h (см: с ср юВ)1, Ol IM - излучения на частотах 5 - 15 кГц и квазипосгояниые электрические поля величиной до 50 мВ/м. На основе данных о локализации наблюдавшихся максимумов интенсивности 11„ - эмиссии, а также о неоднородном долготном распределении интенсивности SAR - дуг, сделано предположение о возможности искусственной стимуляции (пли интенсификации) этих эмиссий в ограниченных областях ионосферы, подверженных позлей ci шно электромагнитного и ¡лучения наземных Ol 14 - передатчиков. Рассмотрены три нелинейных процесса, которые могут приводить к стимуляции ускорения попов и нагрева электронов в верхнег ионосфере шпенешшымн свистовыми волнами oí наземных источников.

В третьей_маве исследованы эффекты чарамстрнческого

шаимодействпя OIIM/KII4 волн в ионосферно-мапппосфериом н.'шме. Покатана возможность формирования потоков ускоренных чаепщ при воздействий сигналов мощных Ol 14-передатчиков па и.киму верхней ионосферы. Задача решалась в следующей послсдовакмьносгн: сначала определялся спектр волн и геометрия взаимодействия, обеспечивающие наиболее эффективное протекание распаднот процесса однородной плазме с одним или двумя сортами ионов, затем, с \ четом неоднородности среды и характера шаимодеиствпя. определи шсь ветичины полей вторичных воли. Далее на основании них р.нчеюв выполнялись оценки оффекцтносги ускорения ионов и иемроцои вюричиымн волнами. I 1сполыов;шиый и ной i .тане численник подход к решению задач поиюляет определять дисперсионные встви волн в многокомпонентной неравновесной плате и находи п. ко »ффицношм в ¡анмодейст вия для трех волн произвольных мо i удовЛ'Лиорякчпнх условиям параметрического в ыимоденст вия

В мой паве ими 'шеи чке к-цный ана.пи фехволношж» расиадиого шаимодейенч) i т.-емх "меловых волн с различными пшами ионных воли в miiou)K4miiv¡!í.iiiíi4Íi плазме. Мок;« uno. что на высотах Ь<2000 км наибо ,1.-е иф:|)екгиьны распадште процессы с участием Kn.nHvn.-KiростагнчцУких ношч^цихлофопных волн, а также волн альфнеиовской вепч! он мелнинш i.\ i ьорпдных резонансов. С учетом

неоднородности среды н стабилизации распадной неустойчивости ia счет истощения волны накачки оценены величины полей возбуждаемых ионных волн. Поляризация и фазовые скорости побуждаемых ионных волн таковы, что должно нроисходшь преимуществе! ш поперечное ускорение ионов. В приближении квазилинейной теории оценен теми ускорения ионов. Ускорение сверхтспловых электронов возможно как ионными, так и вторичными свистовыми (квазиэлектростатгческими) волками.

В четвертой главе рассмотрены ОНЧ эффекты кпжекпин модулированных электронных сучков в ионосферу по экспериментальным данным проема Л11НКС, полученным на борту субспутника "Магион-3". Обнаружено ушпреппе спектра сигнала наземного ОНЧ передатчика, коррелированное с ннжекниеи модулированного электронного пучка со спутника "ИК-25". Предложена следующая интерпретация наблюдаемого явления. Пульсирующий электронный поток создаст мелкомасштабные неоднородности плотности плазмы. Некоторая часть мощности распространяющейся вдоль внешнего магнитною поля свистовой волны, возбуждаемой в ионосфере наземным ОНЧ передатчиком, рассеивается на этих неоднородное] ях в квазиэлектростатпческие свистовые волны с большими углами волновой нормали. Эти волны имеют большие перпендикулярные компоненты волновых векторов (порядка обратного характерного размера неоднородности) п. соответственно, малую фазовую скорость. Прием таких медленных волн на боргу движу .цсгосн спутника вызывает доплеровское смешение частоты, которое наблюдается как спектральное ушпренне сигнала передатчика.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации:

'1. Предложена и реализована на семи пскуственных спутниках Земли методика изготовления сферических электрических зондов-датчиков со стсклоуглеродным покрытием для измерения квазипосгоянных электрических полей и УНЧ/КНЧ/ОНЧ волновых излучений в ионосферной и мь. нитосферной плазме, удовлетворяющая заданным требованиям по точности измерений. 2. На основе спутниковых экспериментальных данных по электрическим полям, потокам ионов и оптическими эмиссиями исследованы эффекты воздействия сигналов мощных наземных ОНЧ-передатчиков на волновые и плазменные процессы в ионосфере и магнитосфере Земли. Показана возможность искуственной стимуляции (или интенсификации) чтмосферных эмиссий, потоков \низкоэнергичных ионов и ОН" ¡^ ¡учений в ограниченных областях ионосферы под 'воздействием мощного низкочастотного электромагнитного излучения.

3. На основе экспериментальных данных, теоретических и численных расчетов показано, что параметрическое взаимодействие свистовых поли, возбужд;":мых .наземными передатчиками в ионосфере, с собственными волновыми модами ионосферной плазмы играет важную роль в процессах ускорения ионосферных ионов н формировании потоков сверхтепловых электронов.

4. Обнаружен экспериментально эффект импульсного ушпрсния спектра сигналов низкочастотного наземного передатчика при искуствспиой пнжекцпи со спутника электронного пучка в : ионосферу. Дана интерпретация эффекта в терминах рассеяния свист овои волны на мелкомасштабных плазменных нсоднородностях, формируемых в ионосфере модулированным электронным пучком.

Синеок работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Stancv G., Petrunova М.. Tcodosiev D., Kutiev I., Serafimov K., Chapkunov S., Climyrev V., Isaev N., Puschaev P., Pimenov I. and Bilichenko S„ An nstrument for DC electric field and AC electric and magnetic Held measurements aboard "INTERCOSMOS BULGARIA 1300" satellite, Adv. Spaa■ Res 2, 43-47, 1983.

2. Теодосиев Д., Печеляков И., Георгиев Й., Добрав Р., Петров П., Вълов Р., Станев Г., Метод за импрепшране н покривапе га порьозпи огнеупорни материалн със стькловъглерод, Авторское ашоетелы-пиш, 1981, Хз 36107, Болгария.

'3. Чмырев В., Кузьмин А., Лазарев В., Исаев 11., Ьиличслко С., Тараненко 10., Тельцов М., Теодосиев Д., Корреляция стабильных красных дуг и эмнеий M|i с потоками ионов, электрическими полями ; и ОНЧ - излучениями. Геомагнетизм июрономия 28, 813-819, 1988.

4. Climyrev V., Draganov А , Taranenko Yu. and Teodosiev D., Acceleration of particles in the upper ionosphere and the inagnetosphere . due to decay interactions of whistlers, part 1. Physica Scripia 43. 495-502. 1991.

5. Oraevsky V., Climyrev, V„ Shibaev I., Dokoukin V„ Sobolev Ya„ Shklyar D., l.urulin В., Sadovnikov A.. Ты.-henko A., Triska P., Jiricek. F., Vojta J. and Teodosiev I).. Hflects nf aitilicially injected electron beams on the characteristics of ground VI.F ¡lai'snmier signals in the ionosphere, J. Aimosph. Terr. Pln\ 56. 423-431 1994.

I

Теодосиеп Д.К.

ЭМЕКШ 133ШОДЫСТВИЯ .ШЗИШЮХРСОДТЮЫГаХ онч-. волн с вогши и частицами в приземно»; плазме

Подписано к печати 15.12.96 г. 1 Усл.печ. л. 0,э. Бесплатно. Заказ X/, Тираж 100 экз.

Отпечатано в /13МИРАН

1'«2092, Р.Троицк !.'.оско?скоГ1 обл.