Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Экспериментальное исследование нестационарных излучающих процессов в ионосферной и лабораторной плазмах

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное исследование нестационарных излучающих процессов в ионосферной и лабораторной плазмах"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ, НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕ Н-Й Е

институт ';

СОЛНЕЧНО-ЗЕМНОЙ Ф"И 3 И К И

На правах рукописи

УДК 550.388;

551.521.326; 533.9;

МИХАЛЁВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ИЗЛУЧАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ В ИОНОСФЕРНОЙ И ЛАБОРАТОРНОЙ ПЛАЗМАХ.

04.00.22 - Геофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Иркутск - 1995

Работа выполнена в Институте Солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: доктор физ.-мат.наук

Кошелев В.В.

Официальные оппоненты:доктор физ.-мат.наук

Ведущая организация: Институт космофизических исследований и аэрономии ЯНЦ СО РАН

на заседании диссертационного совета Д.003.24.01 при Институте солнечно-земной физики СО РАН,664033, г.Иркутск, Лермонтова 126.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗФ

Пономарев Е.А. доктор физ.-мат.наук Паперный В.Л.

Защита состоимся

-Ж"

часов

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат.наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посзященя экспериментальному исследованию нестационарных излучающих процессов в ночной ионосфере средних широт.

Актуальность темы. Активные исследования собственного излучения верхней атмосферы Земли ведутся уже около 30-40 лет. Было выяснено, что собственное излучение ионосферы является чувствтельным индикатором процессов в верхней части земной атмосферы, "позволившим существенно расширить основные представления о структуре атмосферы на высотах более 80 км. Если в первые годы изучения атмосферных эмиссий основное внимание было направлено на отождествление природы излучения, то в нестоящее время благодаря накопленным данным появилась возможность их систематизации и обобщения с точки зрения геофизических характеристик атмосферы. выявления закономерностей поведения ее структуры и динамики. Это в первую очередь касается длиннопериодных регулярных вариаций ночного оптического излучения мезосфе-ры и нижней термосферы, ионосферной Г-области, связанных с суточными ходами, распространением возмущений типа акустл-ко-гравитацонных волн, с ионосферными И геомагнитными возмущениями и ограниченных снизу временными масштабами минуты - десятки минут. Между тем, спектр наблюдаемых в верхней атмосфере волновых движений и возмущений гораздо шире - вплоть до акустических волн с периодами в доли секунд. Имеются экспериментальные указания на существование нестационарных излучающих природных явлений, к настоящему времени однозначно неинтерпретированнных, вплоть до миллисв-кундных временных масштабов. К этому следует добазить искусственные возмущения верхней атмосферы, общее количество которых и характер их воздействия на ионосферу постоянно расширяется. Поэтому исследование и систематизация неста-цонарных излучающих явлений среднеширотной ионосферы, как естественного, так и искусственного происхождения, являет-

сп актуальной геофизической задачей.

Целью диссертационной работы являлось исследование ко-роткопериодических возмущений собственного оптического излучения среднеширогной ионосферы и излучательных характеристик нестацонарной лабораторной плазмы атмосферных газов.

Основные задачи, которые пришлось решать для достижения поставленной цели:

1. Разработка и изготовление высокочувствительной оптической спектральной аппаратуры для регистрации нестационарных излучающих процессов в ионосферной и лабораторной плазмах. Автоматизация части оптических ионосферных наблюдений.

2.Проведение натурных оптических наблюдений ионосферного излучения среднеширотной ночной атмосферы в линиях нейтрального кислорода [01] 557,7 и 630,0 нм.

3.Исследование и анализ основных характеристик оптических вспышек, зарегистрированных при проведении натурных оптических наблюдений.

4.Выделение и систематизация короткопериодических (Т5 10-300 сек) возмущений в собственном оптическом излучении ионосферы.

5.Выделение и анализ возмущений в ионосферном излучении, обусловленных геомагнитными бурями, и исследование их особенностей.

6.Проведение анализа экспериментальных результатов, полученных на плазменных установках "УН-Феникс" и "Поток", с целью изучения излучательных характеристик лабораторных плазм атмосферных газов.

Научная новизна работы.

1.Впервые для средних широт зарегистрированы оптические вспышки в излучении ночного неба с длительностями <1 сек. Определены основные характеристики оптических вспышек и исследовано заселение спектральных уровней 'Б и 'и [01] при микровсплесках электронных потоков (МКВ) в качестве одного из возможных механизмов образования оптических вспышек на ионосферных высотах.

2.При регистрации вариаций ионосферного оптического из-

лучения в диапазоне периодов 10 - 300 сек впервые проведена систематизация возмущений, обусловленных изменением оптических характеристик приземных слоев атмосферы при . различных метео- и геофизических условиях. В указанном диапазоне периодов выделены возмущения, интерпретируемые как ионосферные.

3. Для региона Восточной Сибири ( 52°Н, 101°Е) впервые проведены инструментальные наблюдения среднеширотных сияний и возмущений ионосферного излучения, обусловленных геомагнитными бурями в период высокой солнечной активности в 1989 ~ 1993 гг. Оценены вероятности регистрации геомагнитно-возмущенных периодов (оптическое проявление).

4. В экспериментах на плазменных лабораторных установках "УН-Феникс" (0-пинч) и "Поток"(плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения -УЗД1П выделены излучающие процессы с участием возбужденных частиц атмосферных газов, г целью их использования в исследованиях применительно к задачам физики ионосферы и верхней атмосферы.

На_зачш:у_йуносяуся следующие положения:

^Диагностическая аппаратура для измерения оптического излучения ионосферной плазмы.

2.Результаты экспериментальных исследований оптических вспышек в ночной атмосфере средних широт.

3.Исследование заселения спектральных уровней нейтрального кислорода ^ и при мнкровсплесках электронных потоков. Интерпретация оптических вспышек как возможное оптическое проявление микровсплесков электронных потоков.

4.Результаты экспериментальных исследований короткопе-риодических ( 10 - 300 сек) возмущений ионосферного излучения ГОП в линии 557,7 ни.

5.Результаты экспериментальных исследований возмущений ионосферного излучения, обусловленных магнитными бурями в период высокой солнечной активности.

6.Результаты экеиериментаьных исследований излучатель-ных хпрактристик лабораторных плазм атмосферных газов на плазменных установках "УН-Феникс" и "Лоток".

Внедрение результатов. Результаты, представленные в диссертации, использовались в хоздоговорных и госбюджетных работах Института солнечно-земной физики и Иркутского политехнического института и отражены в отчетах соответсвую-щих организаций.

Апробация. Материалы диссертаций докладывались на 15-й Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (г.Минск,1981г.), на Межведомственном семинаре {г.Москва, 1909г.), представлялись на 28-ю сессию КОСПАР (Нидерланды, 1990г.), на XXIV Генеральную ассамблею Международного Радиофизического союза (Кийото. Япония,1993г.). обсуждались на научных семинарах ИСЗФ СО РАН, ИЛИ (г.Иркутск).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, материалы диссертации использовались в научно-исследовательских отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и содержит 177 страниц и 35 рисунков. Библиография включает 187 наименований советских и зарубежных авторов.

КРАТНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении диссертации изложены основные задачи и цели исследования, актуальность темы, научная новизна и практическая значимость работы. Сформулированы положения, выносимые на защиту, дана общая структура диссертации.

В первой главе кратко изложены особенности нестационарной излучающей плазмы и характер распределения заселеннос-тей частиц по степеням возбуждения в неравновесной плазме. Дан обзор регистрируемых возмущений оптического излучения ночной среднеширотной ионосферы.

Среди вспышечных явлений ночной среднеширотной атмосферы выделяются экспериментально регистрируемые быстрые атмосферные пульсации миллисекундных временных масштабов, данные по которым в настоящее время не дают возможности однозначной их интерпретации. Другую группу вспышечных явлений составляют оптические вспышки, в частности на длинах волн 557,7 и 630,0 нм, первоначально обнаруженные в высоких широтах, характер которых резко отличается от обычных

вариаций свечения полярных сияний. Длительности этих вспышек колеблются от 10 мсек до нескольких секунд. К моменту выполнения настоящей работы, несмотря на относительно большую информацию по оптическим вспышкам, ряд принципиальных вопросов оставался не выяснении.

Среди возмущений в линии излучения нейтрального кислорода 01 - 557,7 нм наиболее многочислены вариации обусловленные прохождением акустико-гравитационных волн и распространением турбулентных неоднородностей. с периодами в высокочастотной части спектра до 2-3 минут. В этом же частотном диапазоне (3-10 минут) регистрируются возмущения в собственном излучении ионосферы на длинах волн 557.7 и 630.О нм, указывающие на их возможную связь с процессами сейсмической активности.

В ряде работ, для более высоких широт(Ф^БЁ), обнаружены и описаны быстрые (доли секунд -десятки секунд) колебания яркости фонового свечения ионосферы в отсутствии типичных полярных сияний, в большинстве случаев связанных по мнению авторов, с электронными флуктуирующими потоками. Широтная зависимость этих колебаний и возмущений экспериментально не исследовалась, в связи с чем область регистрации этих возмущений, включая ннзкоширотпую границу, в настоящее время не определена.

Среди естественных источников возмущений собственного оптического излучения среднеширотной ионосферы выделяются геомагнитные возмущения, обусловленные геомагнитными бурями. Особо мощные геомагнитные возмущения проявляются в виде среднеширотных сиянии. Такие явления в средних широтах

чрезвычайно редки и имеют место только в периоды максимумов солнечной активности.

В особую группу возмущений оптического излучения ионосферы можно отнести искусственные возмущения, связанные с модификацией ионосферы при проведении активных экспериментов, запусками космических объектов и другой технологической деятельностью.

Резюмируя обзор короткопериодических возмущений в оптическом излучении среднеширотной ионосферы, можно указать на возможность существования достаточно большого количест-

ва разнообразных искусственных и естественных источников возмущений, степень изученности которых различна и для большинства случаев недостаточна.

В связи с этим, одним из основных поставленных вопросов было экспериментальное исследование короткопериодических возмущений в собственном излучении среднеширотной ионосферы.

Во второй главе приводится описание диагностической аппаратуры и методик измерений оптического излучения слабосветящихся нестационарных лабораторной и ионосферной плазм. Аппаратура для регистрации излучения ионосферной плазмы включает в себя спектрометры, для анализа спектрального состава оптического излучения на базе комплекса спектрального вычислительного универсального (КСВУ-12) и МДР-2; автоматизированный спектрометр с программно-перестраиваемым временным разрешением для регистрации иррегулярных пульсаций оптического излучения и комплекса фотометров с интерференционными фильтрами. Для усиления оптического сигнала в регистрирующей части спектрометров использовались оптически сопряженные электроннооптические преобразователи ООП) и фотоэлектронные усилители (ФЭУ). Программное сбес-печние КСВУ-12, измененное в соответствии с задачами измерений. позволяло управлять работой монохроматора МДР-12, осуществляя автоматическое сканирование спектра заданное число раз в заданном Диапазоне спектра. Математическое обеспечение позволяло осуществлять предварительную обработку получаемых спектров. Регистрация информации в большинстве случаев дублировалась записью на одноканальные самописцы КСП-4. Автоматизированный спектрометр (на базе КСВУ-12) с программно-перестраиваемым временным разрешением осуществлял анализ регистрируемых сигналов, с последующим выбором временного разрешения, что позволяло в патрульном режиме одновременно регистрировать постоянные и медленно меняющиеся процессы, и в случае появления импульсных иррегулярных сигналов, осуществлять регистрацию с предельным для данного состава комплекса временным разрешением (~0,16 сек).

Комлекс фотометров с интерференционными фильтрами вклю-

чал в себя 3-х азимутальный фотометр с фильтрами на длины волн излучения нейтрального кислорода 630,0 нм (или 557.7 нм) для регистрации горизонтальных перемещений светящихся неоднородростей и 2-х канальный фотометр с интерференционными качающимися фильтрами на длины волн 557.7 и 630,0 нм для регистрации вертикальных перемещений. Комплекс фотометров эксплуатировался в составе радиооптического комплекса для исследования динамики верхней атмосферы с единой системой регистрации и обработки информации. Радиофизическая часть комплекса реализовь.'вала допплеровский метод для наклонных радиотрасс. Регистрация радио и оптических сигналов проводилась с временной дискретизацией 0, 05 сек на магнитный носитель МИНИЭВМ. Запись оптических сигналов дублировась на самописцы, что позволяло использовать оптическую аппаратуру автономно.

Аппаратура для измерения оптического излучения лабораторной плазмы состояла из электроннооптических фоторегистраторов для изучения пространственно-временных и спектральных характеристик импульсного излучения плазм и установки дня измерения населенностей возбужденных состояний атомов и ионов в плазме импульсного разряда. Основу фото-регистраторои составляли времяакализирующие и усилительные электроннооптические преобразователи ООП), работающие в кадровом и хронографическом режимах в сочетании с оптической и спектральной аппаратурой.

В третьей__главе изложены результаты экспериментальных

исследований по регистрации оптических вспышек и проанализировано импульсное заселение спектральных уровней [01] ^ и при микровсплесках электронных потоков (МКВ), как одной из возможных причин появления оптических вспышек.

Экспериментально регистрируемые оптические вспышки представляют собой всплеск излучения с длительностью менее или порядка секунд!,I, регистрируемых по одному или одновременно по двум спектральным оптически разнесенным каналам регистрации, п ряде случаев имеющих рекурентность в несколько минут. Наблюдался случай одновременной регистрации оптической вспышки п 2-х пунктах наблюдения разнесеннных на расстоянии 130 км. Первоначально оптические вспышки ре-

гистрировались в области длин волн излучения атомарного кислорода 557.7 И 630,0 нк. Специально проведенные спектральные измерения оптических вспышек позволили установить их существование, с несколько меньшими вероятностями регистрации, и на других длинах волн в частности, на длинах волн 556,5 и 720 нм. Так соотношение среднего числа вспышек зарегистрированных за один и тот же временой интервал на длинах волн 557,7 и 556,5 нм составило соответсвенно величину 1,22:1,0. Средняя вероятность регистрации оптических вспышек на длине волны 720,0 нм составила величину 0,1 1/час. против 0,25 1/час на длине волны 557,7 нм. При этом, наблюдается крайне неравномерное распределение вероятности появления вспышек в пределах нескольких последовательных дней регистрации. Е суточном распределении числа вспышек существует тенденция их появления в первую половину »очи с небольшими максимумами около 23 и 02 LT. Выделяется и сезонная зависимость частоты появления оптически» вспышек, имеющая максимумы в периоды равноденствия.

Средни4, поток энергии оптических вспышек на длине волны 557,7 нм оценивается 2*104 эрг/см2. Зарегистрированные временные структуры отдельных оптических вспышек дают основание считать, что в ряде случаев они имеют вид затухающий колебаний. Зарегистрирован случай одновременной регистрации оптической вспышки на длине волны 630.0 нм и возмущения в радиосигнале допплеровского смещения частоты при совместных оптических и радиофизических наблюдениях.

Проводится сопоставительный анализ характеристик регистрируемых вспышек со вспышками, регистрируемых ранее в высоких широтах. Б целом по результатам экспериментальных наблюдений представляется возможным предположить, что вспышки излучения В высоких широтах и вспышки зарегистрированные в процессе выполнения настоящей работы являются проявлением одного и того же геофизического явления, область существования которого может простираться в более низкие широты.

Во второй части третьей главы рассматривается заселение спектральных уровней нейтрального кислорода tOI] и'о при

микровсплесках электронных потоков (МКВ). МКВ рассматриваются как возможный источник образования оптических вспышек. Рассмотрение вопроса о возможном оптическом проявлении МКВ, и в частности, в запрещенных линиях [01] может представлять самостоятельный интерес, независимо от того являются ли регистрируемые оптические вспышки следствием МКВ или нет.

МКВ представляют собой потоки высыпающих электронов с длительностью 0.005-0 8 сек. с энергией электронов единицы - десятки кэв. Последние результаты спутниковых исследований показывают, что узкие { < 1сек) всплески электронов имеют глобальную распространенность, встречаясь практически во всех долготах и широтах и являются результатом взаимодействия электронов с нестационарными ОНЧ-волнами.

Заселение спектральных уровней'Б и[01] рассматривается на основе решения уравнения баланса для уровнейи'о с учетом естественных среднеширотных механизмов заселения и опустошения этих уровней, с добавлением в уравнение баланса члена, связанного со столкновениями электронов МКВ с нейтральными атомами 01 в основном состоянии 01(-■?). В этом случае уравнение баланса для уровня 'б с учетом электронного высыпания принимает вид:

= Кг"°+ "е(и<с!>е (К3(02] + „,„.► Л3)-Н5

где Н,,. И0 соответственно концентрации атомов нейтрального кислорода (заселенности) в состоянии и в основном состоянии 3Р. К;- константа процесса 0(3Р) + 0С*Р) + 0(°Р) --_ о*ь 0('з), - концентрация электронов при высыпании МКВ, - сечение взаимодействия электронов с атомами 01 < 5Р), - скорость (энергия) электронов МКВ, 1£3 н К^ константы опустошения уровня ^ соответсвенно в реакциях 0( ^Б) + 0^-— 0 и 0 + 0 —— 0 + 0, Л$- вероятность спонтанного перехода 01 из состояния ^ в основное состояние.

Из соответствующих уравнений баланса были определены времена релаксации тг5 и уровней 'Б и к квазиста ционарным состояниям и оценены минимально возможные длите-

лыюсти вспышек излучении 557,7 и 630.0 нн при МКВ.

Расчет высотных зависимостей времен релаксации и уровней^ и '[> [01] в миллисекундном интервале значений с учетом естественных механизмов опустошения этих уровней позволил связать возможные интервалы длительностей оптических вспышек с соответствующим уровнем высот.Так Т5=0,01-0,5 сек соответствует высотам 60-120 км, в то время как для Та =

0.01-0,5 сек - высотам 110-150 км. Эти высоты соответствуют высотам наиболее эффективного взаимодействия электронов с энергиями единицы - десятки кэв, которые и наблюдаются в МКВ, с атмосферными составляющими.

На примере уровняв количественно оценена требуемая величина электронного потока МКВ приводящего к оптической вспышке, достаточного для оптического проявления при наземных наблюдениях. Полученная оценка величины электронного потока МКВ (1,4-Ю5- 5,3-10 см^сек1) соответствует диапазону значений электронных потоков, измеряемых при спутниковых наблюдниях МКВ ( > 106см2секЬ.

При интерпретации оптических вспышек учитывалось:

1.Длительности МКВ 0,005-0,8 сек сопоставимы с длительностями регистрируемых оптических вспышек 0,01 - 1 сек, т.е. можно выделить источник возбуждения атмосферных составляющих на ионосферных высотах с характерным временным масштабом. 2.Существует диапазон высот, в пределах которых времена релаксации Т^СОИ оказывются существенно меньше их радиационных времен жизни, достигая, в частности, минимальных значений длительностей регистрируемых оптических вспышек. 3. В этом диапазоне высот осуществляется наиболее эффективное взаимодействие электронов с энергией 2-40 кэв с атмосферными составляющий. 4. Количественная оценка заселения уровня '5 [01] при МКВ позволяет допустить возможность импульсного заселения этого уровня, достаточного для оптического проявления при наземных оптических наблюдениях. Таким образом, совместное рассмотрение отдельных характеристик МКВ, особенностей и условий импульсного заселения и релаксации спектральных уровней 'Б и'б [01] не исключает возможности интерпретировать регистрируемые вспышки излучения как оптическое проявление МКВ.

В четвертой главе приводится анализ проведенных экспериментальных исследований вариаций, в основном короткопе-рнодических, с периодами 10 -300 сек излучения [01] в линиях 557,7 и 630,0 нм и возмущений ионосферного излучения, обусловленных геомагнитными бурями.

При анализе ксроткопериодических вариаций излучения в линии 557,7 нм проведено выделение возмущений, обусловленных изменением оптических характеристик приземных слоев атмосферы. Показано, что влияние флуктуации прозрачности атмосферы и ее оптических характеристик на соотношение проходящего через атмосферную толщу ионосферного излучения и рассеянного этой толщей фонового излучения может носить качественно различный характер, обусловленный, по-видимому, различными механизмами рассеяния и условиями прохождения излучения через атмосферу. Проведена систематизация возможных возмущений ионосферного излучения, обусловленных изменением оптических характеристик приземных слоев атмосферы при различных метео и геофизических условиях.

Исключение и учет в регистрируемом излучении возмущений, обусловленных изменением прозрачности атмосферы, позволило выделить интервалы наблюдений, в которых вариации и возмущения в оптическом излучении можно интерпретировать как собственно ионосферные. Условно, основываясь на амплитудно-частотных (временных) характеристиках, выделено несколько видов регистрируемых возмущений. В частности, возмущения. связанные с прохождением через излучающий слой акустико-гравитационных волн. Амплитуда таких возмущений в большинстве случаев ограничена величиной 10-30 %, а сами возмущения имеют форму явно выраженных периодических колебаний. Периоды этих колебаний составляют несколько минут -десятки минут. Эти возмущения достаточно надежно идентифицируются и многократно описаны.

Менее решенными с точки зрения интерпретации и установления факта их ионосферной природы являются следующие зарегистрированные возмущения: 1. Кратковременные увеличения интенсивности излучения [01] в линии 557,7 нм с достаточно большой (до 50 амплитудой возмущения. Возмущения подоб-

ного вида являются довольно редким событием и. по-видимому. могут быть связаны с пролетами в верхиих слоях атмосферы со сверхзвуковой скоростью крупных космических объектов. 2.Квазирегулярные возмущения выделяемые при спектра льно-временном анализе регистрируемого излучения. Для этих возмущений характерны существенно различные амплитудно-частотные спектры колебаний излучения в линии 557,7 нм и фонового излучения вблизи этой линии на одних и тех же временных интервалах наблюдений. В настоящее время такого рода колебания выделены на периодах близких к 12 -17. 40 -70, 90 - 130 сек. Амплитуда таких колебаний в большинстве случаев не превышает 10%, а длительности, когда эти возмущения можно интерпретировать как ионосферные, единицы минут. реже десятки минут. В соответсвии с принятой классификацией атмосферных волн их можно отнести к акустическим волнам с периодами колебаний < 300- 350 сек. Источником, порождающие атмосферные волны, как сейчас считается, могут быть совершенно различные естественные и искусственные явления, определенным образом связанные с процессами верхней атмосферы. 3.Релаксационные колебания в линии 557,7 нм, проявляемые в достаточно быстром (20-40сек) и значительном (до 50%) снижении интенсивности излучения с последующим плавным восстановлением предшествующих уровней. На одновременно регистрируемом излучении в линии 630,0 нм и фоновом излучении вбизи указанных линий подобные вариации не наблюдались. В настоящее время однозначно интерпретировать релаксационные колебания и указать их источник появления не представляется возможным, в силу недостаточной статистики их регистрации и соответсвующих сопутствующих данных по метео и геофизической обстановке.

Средчеширотные сияния (СС). являясь относительно редким геофизическим явлением, имеют место только в периоды максимума солнечной активности. В последней части четвертой главы приводятся результаты экспериментальных набшоденнй возмущений собственного оптического излучения ночном ионосферы, обусловленных геомагнитными бурями, наиболее сильные из которых проявляются в виде ПС и обсуждаются вопросы морфологии СС.

Результаты наблюдений относятся к 1989-1993 гг, отвечающих периоду высокой солнечной активности. Статистика наблюдений за этот период составила 108 ночей. Сопоставление геомагнитно возмущенных дней о днями регистрации ионосферного излучения позволило выделить несколько событий, связанных с геомагнитными бурями о различными значениями Кр н индексами, начиная с Кр»4 и 0а1;"«-40 и до Кр^Э- и 0з1=-29Э. Наиболее сильное возмущение ионосферного излучения наблюдалось 24-26 марта 1991г., проявившаяся в виде СС,

Основной характерной особенностью этого СО явилось значительное, более чем 30 кратное усиление свечения в линии 630.0 нм. Динамика усиления излучения в линии 630,0 нм кроме общей тенденции к возростапига включала в себя возмущения, чередующиеся с интервалами 30-40 минут. Возмущения 557.7 нм возникали на стадиях существенного роста интенсивности 630.0 нм .

В максимальной стадии развития ртого СС с помощью ТВ-монитора было отмочено появление излучения в спектральном диапазоне > 720 нм, которое может быть связано о излучением атмосферных составляющих >м2 .N1,01,Но. Максимальный зарегистрированный уровень интенсивности 630,0 нм 24/25.03.91, приходящийся на последний предрассветный период регистрации , составил величину 2200-2500 рл. Анализ ионограмм, полученных на ионосферной станции п.Зуй вблизи г.Иркутска, в период развития этого СС говорит о появлении особенностей в Г и Е областях. В частности, 24/25.03.91 первое незначительное усиление 630.0 нм совпадает с появлением дополнительной отражающей структуры в Р слое на больших высотах. Последующие усиления 630.0 нм совпадают с появлением Гз - рассеяния и спорадического Ез. Возмущения излучения 557.7 нм приходятся на различные стадии развития Ез слоя - первое совпадает с моментом зарождения Ез, максимальное возмущение соответствует развитому Ез слою типа г, когда Г слой на ионограммах практически отсутствует.

В итоге за период с марта 1989г. по март 1993г. из 108 ночей инструментальных наблюдений за интенсивностью 630.0

нм в течение 8 ночей отмечались возмущения 630.0 им, обусловленных магнитными бурями (4 бури), что дает для указанного периода вероятность регистрации геомагнитно возмущенной ночи (оптическое проявление в 630.0 нм) порядка 7,4% или 27 ночей в году, вероятность регистрации магнитной бури - 3,7% или 13,5 событий в год. Минимальные значения текущих Кр и Dst индексов, начиная с которых можно ожидать на широте г.Иркутска достоверно регистрируемые возмущения в излучении [01] на длине волны 630.0 нм, выражающихся в превышении уровня свечения ночного неба в десятки и более процентов, составили значения для Кр = 5 и для Dst =■ -50-70.

Кроме инструментальных оптических наблюдений возмущений от магнитных бурь, в работе отмечается несколько случаев визуальных наблюдений СС в районе г.Иркутска за анализируемый период.

Анализ зарегистрированных возмущений в излучении 630,0 нм в магнитовозмущенные периоды позволил выделить два типа возмущений, один из которых.по-видимому, обусловлен гидродинамическими движениями излучающего слоя или изменением его термодинамических характеристик, второй - высыпанием частиц. В пользу одного из предполагаемых механизмов возбуждения уровняв[01] во время СС.обусловленного высыпанием частиц, может служить СС 24-25.03.91 во время сильной магнитной бури, сопровождаемое образованием пояса высокоэнергичных протонов и электронов на оболочках L = 2.2-2.6, близких к оболочке места регистрации СС. и появление в ионосфере спорадического слоя Es типа г. Оценка плотности потока энергии высыпающих частиц, проведеннная по величине регистрируемой интенсивности излучения [01] в линии 630,0 нм, для этой бури дает величину более С,01 эрг/см2сек.

Сопоставление СС и возмущений свечения ионосферы, наблюдаемых на широте г.Иркутска (L~2), с возможным положением границы плазмопаузы во время магнитных бурь дает основание для предположения, что для средних магнитных бурь и для отдельных фаз больших бурь наблюдаемые возмущения в свечении ионосферы соответствуют проекции внешней плазмосфсры и расположены в области близкой к экваториальному краю глав-

ного ионосферного провала и лишь для очень больших магнитных бурь в стадии максимальной возмущенности магнитосферы - проекции плазмопаузы и ионосферного провала, В этом случае СС при больших магнитных бурях должны иметь несколько стадий развития, отражающих проекции различных областей магнитосферы и ионосферы и их состояний.

В работе также проведен краткий сопоставительный анализ явлений СС и БАР.-дуг, обладающих как рядом совпадающих морфологических признаков так и некоторыми отличиями. В частности, для обоих явлений оказываются совпадающими области регистрации, сопоставимы широтные динамики в зависимости от степени геомагнитной возмущенности, спектральный состав и интенсивности регистрируемого излучения. Решение вопроса о соотношении СС и БАй-дуг, объяснение совпадения морфологических признаков этих явлений и их различий, представляется возможным в предположении, что БАИ-дуги и СС являются отображением на ионосферу соседних, взаимосвязанных областей магнитосферы, или одной области.но отвечающей различным геофизическим ситуациям или различным состояниям возмущенности при развитии Геомагнитной бури. В этом случае следует ожидать, что области регистрации, широтные динамики, зависимости от геомагнитной активности и некоторые другие параметры БАИ-дуг и СС могут совпадать.

В пятой главе приводится описание особенностей возбуждения и кинетики излучения лабораторных плазм атмосферных газов в двух экспериментах, с целью возможного использования применяемых в этих экспериментах способов получения плазмы при исследовании лабораторными методами процессов верхней атмосферы с участием возбужденных частиц атмосферных газов.

В экспериментах на установке "УН-ФЕНИКС" проводились работы по физике пробоя газа в 0-пинче пониженного давления. В ходе экспериментов было установлено существование импульсного и длительного послесвечения газа в некоторых диапазонах давлений. Импульсное послесвечение газа возникало после 0-пинчевого разряда (Р=2-5-10"Чорр) через время I. = 0-100 сек при наложении квазистационарного магнитного поля или импульса повышенного давления. Предполагается,

что природа импульсного послесвечения газа обусловлена развитием электризационного разряда. Длительное послесвечение газа наблюдалось в диапазоне начальных давлений Р^О1 - 10"торр. Свечение газа возникало после О-пинчевсго разряда во всем объеме разрядкой камеры. Визуально свечение представляло собой желтовато-белесое объемное свечение с длительностью единицы - десятки секунд. Спектры длительного послесвечения газов - аргона, воздуха показывают присутствие как возбужденных атомов (линейчатое излучение), так и возбужденных молекул (системы полосатых спектров). Выявленные особенности пробоя газа в установке "УН-ФЁНИКС" позволяют предложить ее использование для получения возбужденных атомов, молекул атмосферных газов и сложных комплексов, десорбированных с поверхности твердых тел в лаборатрных исследованиях атмосферных процессов.

На установке "ПОТОК" исследовались режимы работы плазменного ускорителя, представляющего собой источник генерирующий поток релаксирующей плазмы, распространяющейся в фоновом газе. Основные характеристики, реализуемые в исследуемых режимах работы ускорителя: остаточное давление рабочего газа - не иолее 6*10\орр., тепловые скорости фонового газа~4Юц см/сек, среднемассовые направленные скорости ионов в потоке £ 106см/сек, электронные температура и плотность соответсвенно - 0,5-1 эв, п/< 10,г1/см5,заселенность ионных уровней - ю3- 1051/см3, атомных 2Ю4-3•1071/см3. Исследовались пространственно-временные характеристики излучения криптоновой и ксеноновой плазмы в интегральном свете, в свете атомных и ионных линиях, пространственные распределения и динамика заселения и релаксации атомник и ионных уровней Хе1 и ХеН. Показано, что для большинства спектральных уровней существует неравновесный характер их заселения. Обнаружен эффект роста заселенности отдельных спектральных уровней ХеП (лежащих ближе к основному состоянию) за срезом ускорителя при снижении засоленностей для других групп уровней ХеП и всех атомных уровней Хе1. Исследуемый ускоритель может быть использован в лабораторных исследованиях по определению констант скоростей реакций, сечений взаимодействия направленных пото-

ков, кинетики заселения и релаксации возбужденных частиц, при рассмотрений вопросов взаимодействия материалов космических аппаратов с потоками ионосферной плазмы. Особенности релаксации движущейся плазмы, в частности, частиц с различными временами релаксации возбужденных уровней, могут привлекаться для интерпретации эффектов, связанных с выносом возбужденных атомов и ионов из области источника возбуждения, что, например, имеет место во флюгер-эффекте ионосфере.

В заключении сформулированы основные выводы:

1.Создан комплекс высокочувствительной оптической спектральной аппаратуры для регистрации нестационарных излучающих процессов в широком интервале временных масштабов, с помощью которого экспериментально обнаружено существование оптических вспышек в излучении ночного неба средних широт.

2. Определены основные характеристики оптических вспышек: энергетика, спектральный состав, вероятности регистрации и др. Сравнение морфологических характеристик регистрируемых вспышек и вспышек регистрируемых в высоких широтах позволило отнести их к проявлению одного и того яе геофизического явления, область существования которого может простираться и в средние широты.

3. Исследование заселения спектральных уровней и [01] при микровсплесках электронных потоков позволило предложить механизм возникновения оптических вспышек, заключающийся в оптическом проявлении микрозсплесков электронных потоков на ионосферных высотах при их взаимодействии с атмосферными составляющими.

4. Экспериментально исследованы короткопериодические ( 10- 300 сек) вариации в ионосферном излучении [01] в линии 557.7 нм., анализ которых позволил выделить несколько типов собственно нЪносферных возмущений, и возчущенний, обусловленных изменением оптических характеристик приземных слоев атмосферы.

5. В результате проведенных экспериментальных исследований для широты г.Иркутска определены минимальные значения Кр , ОэЬ индексов вероятности регистрации ереднеши-ротных сияний и возмущений в свечении ночного неба, обус-

ловленных геомагнитными бурями. Результаты исследований и сопутствующие этим событям ионосферные и магнитосферные данные указывают на участии в формировании и развитии среднешнротных сияний высыпающихся частиц. 6. Предложены апробированные способы получения плазмы на установках "УН-ФЕНИКС" и "ПОТОК" для исследования атмосферных процессов с участием возбужденных атомов и молекул.

Содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Коротеев В.И..Михалев А.В. Электронно-оптические регистраторы быстропротекающих светоизлучающих процессов. Всесоюзная конференция по высокоскоростной регистрации быстропротекающих процессов. Тезисы докладов..М.,1975,13.

2.Борзенко В.П..Коротеев В.И..Михалев А.В. Автоколебательная генерация тока в УЗДП.-"Письма в ЖГФ"..т.6,вып.5. 1980,305-311.

3.Borzenko V.P..Koroteev V.I..Mikhalev А.V..Parshutkiu S.V. Optikal spectral investigations of low-freqiensy plasma oscillation in the SDA duct.- Jn:!5-t.h Jntern.Conf.Phenom.Joniz. Gases: Conrib.pa-pers.,Minsk,1981,P-1506,p.887.

4.Кошелев H. A. .Михалез A. В., Строкин H. A., Шишко A.A. 0 свечении газа, возбуждаемом в безэлектродной системе. Препринт СибИЗМИР СО АН СССР.Иркутск.13-81,1981.

5. Ермилов С.Ю..Коротеев В.И.,Михалев А.В. Быстрые вариации излучения ночного неба. Препринт СибИЗМИР СО АН СССР. 4-88, Иркутск.1988.

G.Ермилов С. 10..Михалев А.В.Быстрые вариации в оптическом излучении ночного неба средних широт.В сб."Исследования по геомагнетизму,аэрономии и физике Солнца". М, "Наука",В.84.1989,119-125.

7.Михалев А.В. Заселение спектральных уровней нейтрального кислорода toi]^S n1D при микровсплесках электронных потоков. Препринт 17-90 СибИЗМИР СО АН СССР. 1990, Иркутск.

8.Плазменные процессы в Солнечно-земной физике:теория и лабораторный эксперимент. Отчет о МИГ, N IP 01870001827.

инв.N 02.9.10002363.,Иркутск,1990,25-28.

9.S.Yu.Ermllov and A V.Mikhalev. Optical manifestation of microbursts of electron fluxes. Journal of Atmospheric and Terrestriale Physics,Vol.53,No

11/12,pp.1157-1160,1991.

Ю.Михалев А.В. Среднеширотные сияния и возмущения свечения ночного неба но наблюдениям вблизи г.Иркутска в период высокой солнечной активности в 1989-1993гг. Препринт N3-94, ИСЗФ СО РАК, 1994.