Ионосферные неоднородности, инициированные интенсивными магнитосферными токами и атмосферными волнами

Шалимов, Сергей Львович

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Ионосферные неоднородности, инициированные интенсивными магнитосферными токами и атмосферными волнами
ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Ионосферные неоднородности, инициированные интенсивными магнитосферными токами и атмосферными волнами"

?Т6

л д РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ДИНАМИКИ ГЕОСФЕР

\\0fl

На правах рукописи УДК 550.348

Шалимов Сергей Львович

ИОНОСФЕРНЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ, ИНИЦИИРОВАННЫЕ ИНТЕНСИВНЫМИ МАГНИТОСФЕРНЫМИ ТОКАМИ И АТМОСФЕРНЫМИ

ВОЛНАМИ

Специальность 04.00.23 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Объединенном институте физики Земли им. О. 10. Шмидта Российской Академии Наук

Гн|,!!цпл.а,ш>к ошншешы:

доктор физико-математических наук Козлов С.И.

локюр (¡'i; Hii;(i-Mi; тематических нам-;.

профессор КуницынВ.Е.

доктор физико-математических наук Левитин А.Е.

Ведущая организация: Институт Космических Исследований РАН

Защита диссертации состоится " / ч' с. ? -i 1998 г

У, (.¿> 'V /

в У ^ часов на заседании диссертационного совета Д 200.39.01 при Институте динамики геосфер Российской Академии Наук (ИДГ РАН)

по адресу: 117334 Москва, Ленинский проспект, 38, корп.б.

ГТЛГР-МТ

11 М ' J

Ученый секргтпрт. диссертационного concia

кандидат физ-мат. наук f -4 Рыбаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ

Актуальность темы. Совершенствование техники геофизических экспериментов (расширение диапазона и пространственно-временного разрешения измерений), и проведение наблюдений с использованием измерительных комплексов (наземных и космических, включающих спутники, ионозонды, интерферометры, радары) позволили установить, что ионосфера, как посредник между магнитосферой и атмосферой, представляет собой открытую физическую систему и характеризуется широким спектром неоднородностей, связанных с различными видами воздействий - солнечными и магнитными бурями (внезапные ионосферные возмущения, поглощение радиоволн в полярной шапке, авроральное поглощение радиоволн, ионосферные бури, перемещающиеся ионосферные возмущения), метеорологической и сейсмической активностью, искусственными воздействиями (нагрев мощными радиоволнами, выбросы химически активных веществ, взрывы и др.). Неоднородности охватывают все слои ионосферы и распространяются на все широты.

Сильная неоднородность ионосферы (особенно полярной), связанная со сложностью и разноообразием протекающих в ней физических процессов, затрудняет прогнозирование параметров радиосвязи, радионавигации, искажает характеристики геомагнитных вариаций, используемых при волновой диагностике околоземной плазмы. Поэтому на протяжении многих лет исследование ионосферных неоднородностей находится в ряду фундаментальных проблем геофизики и по-прежнему актуально в связи с продолжающимся использованием ионосферы как тракта передачи информации и размещением в ней глобальных телекоммуникационных систем.

Считается, что возникновение крупномасштабных ионосферных возмущений связано с непосредственным влиянием электромагнитных и корпускулярных потоков от Солнца, джоулевой диссипацией магни-

тосферных токов и атмосферных волн, столкновительным и химическим взаимодействием заряженных и нейтральных компонент ионо-

; -»пор! Г I/1 ^ [VI ЦДЧ-Г1» 1 И 11 Ср^Л

для формирования структур и неоднородностей более мелких масштабов, связанных с развитием плазменных неустойчивостей. По-

.7". ■ " ■ ¡'. ' '!ч'| " Ц.1. I \ . : .11 1 '41 , I .,: I . :. 1.11' Ч , '■! , И. I . "¡НИ

тухаыт, ю развитие плазменных неустойчивостей и структур можно рассматривать как процесс дополнительной или аномальной диссипации энергии возмущения. При этом связанные с ионосферной турбулентностью аномальные процессы (турбулентный нагрев, аномальные диффузия, теплопроводность,сопротивление) могут стать основными в динамике возмущений.

КЛТНЫР 'Л МПМ Я ТТи иг»(1 ТНГГ'ФЯ ИИ"

->'••:-• р". лхинч.тк . :пГч> ,>к \ ¡»-цюна.ш нпиГнис

!.•• I!'! 'и----.<мер;!\|.> на данн)ю ироодсм) ашшшшс а

и ь щ ^ >е итишюч никч ннчи к юм\ крсмсни ян юния » нолмрнии ионосфере эффективного обратного рассеяния радиоволн КВ и УКВ диапазона. Периоды интенсивных радиоогражений,

как правило, совпадали с появлением видимых форм полярных сияний, и это явление получило название радиосияний. В отличие от Г.Букера, который рассматривал возможные модели рассеяния радиолокационного сигнала отражающими областями, Д.Фарлей и О.Бунеман стали выяснять физический механизм образования неодно-родностей и показали, что достаточно интенсивные возмущения маг-нитосферного электрического поля (в периоды высокой геомагнитной активности) могут приводить к развитию плазменной неустойчивости в области протекания ионосферного поперечного тока (электроджета). Хотя неустойчивость Фарлея-Бунемана хорошо описывала ряд экспериментальных фактов, но по мере их накопления стало ясно, что картина явления сложнее, чем предсказывала теория, и что, в частности, необходим учет турбулентного нагрева в электроджете.

Сами электроджеты - часть аврорального овала, где фокусируется энергия, передаваемая от магнитосферы к ионосфере с помощью аль-веновских волн или продольных токов; это вынуждает ионосферу перестраиваться так, чтобы пропустить большой ток с его последующей диссипацией, вследствие которой происходит нарушение эквипотенциальное™ силовых линий магнитного поля и расслоение вытекающего из ионосферы продольного тока. Оказалось, что указанные явления также принципиально нельзя понять без представлений о развитии ряда плазменных неустойчивостей и связанных с ними эффектов аномального сопротивления, аномальной диффузии и турбулентного нагрева в областях протекания интенсивных продольных токов.

Генерация мелкомасштабных неоднородностей интенсивными крупномасштабными возмущениями ионосферы отмечалась также в исследованиях по воздействию на ионосферу мощными радиоволнами, выбросами бариевых облаков и при прохождении монохроматических внутренних гравитационных волн (явления Е и Б рассеяния), где основополагающие работы принадлежат школам А.В.Гуревича, Б.Н.Гершмана и Л.М.Ерухимова.

Распространение через ионосферную плазму атмосферных волн, вызываемых метеорологической или сейсмической активностью, так-

иашся и неравновесном состоянии для воздействии такого рода. При учете неоднородности параметров атмосферы, ее сжимаемости и на-

1:тгл»!пг.тттг>т.1" л нпппгГтт.гс ->ффггт*т> ггг-г.стстватг. ч'СИь

со случаем взаимодействия монохроматических волн с ионосферной плазмой. Последствия такого взаимодействия могут существенно отличаться от предсказаний традиционно используемой теории ветрового сдвига.

Актуальность проблемы связана и с необходимостью решения ряда практических задач, в частности, созданием дополнительных (к сейсмическим) электромагнитных методов контроля (основанных на мониторинге ионосферы) за проведением подземных ядерных испытаний, обеспечением надежности спутниковой радиосвязи и т.д. Эти методы должны опираться на соответствующую теорию процессов генерации ионосферных неоднородностей неплазменными источниками. Поэтому в настоящее время назрела необходимость построения теории этих явлений.

Целью работы является теоретическая разработка механизмов

ГПЯВИТаМИОННЫХ ЯОПН К ИОНПГфРПНПЙ ПЦЯЧМР ППИ ЧТПМ ИГГПРППЯЯИИа

чепш;\ (и I М( к'ферных) иетчникон ионоефорпм\ но :м\пиний, опредс-1'пие шп ж и иловии 1М!о\ ждення пла!Мепны\ пои лоичивосюи, приводящих к оира ншашпо неоднородное1еи и ионосфере, исследование их механизмов и ларам ерисшк, определение изменений в эволюции возмущений, вносимых ионосферной турбулентностью; исследо-

вание структур в ионосфере, в том числе с применением модельных нелинейных уравнений.

Научная новизна. В работе впервые

— предложены новые механизмы процессов, которые сопровождают диссипацию интенсивных продольных токов в турбулентной плазме полярной верхней ионосферы (расслоение продольного тока, замыкание продольного тока, возникновение электростатических скачков, насыщение плотности турбулентной энергии, установление крупномасштабного градиента электронной температуры);

— рассмотрены новые механизмы диссипации поперечных токов (электроджетов) в полярной нижней ионосфере (радиоотражения 3 и 4 типов), а также условия развития неустойчивостей в спорадических электроджетах ионосферы средних широт (генерация сильных электрических полей) и предсказаны области локализации радиоотражений;

— в рамках электронной магнитной гидродинамики получено и исследовано модельное нелинейное уравнение, описывающие воздействие АГВ на нижнюю ионосферу, и обоснована возможность возбуждения ионосферной турбулентности неплазменными источниками;

— для сжимаемой и неоднородной атмосферы получено нелинейное уравнение, описывающее распространение и воздействие внутренних гравитационных волн (ВГВ) на верхнюю ионосферу;

— исследован эффект фокусировки ВГВ в сжимаемой двумерно-неоднородной атмосфере;

— предложен и исследован механизм создания вертикальной структуры ионосферных возмущений при диссипации ВГВ в неоднородно стратифицированной (по температуре и ветру) атмосфере;

— проанализированы характерные неоднородности, возникающие в ионосфере сейсмически активных регионов при прохождении ВГВ.

Научная и практическая значимость. Выполненные в диссертации исследования направлены на создание теоретической основы меха-

1 111П тш 11*1 1 шли!) И рсл^ири-

ции геомагнитных, метеорологических или сейсмических процессов.

Полученные теоретические результаты позволяют объяснить ве-

• |'.>. .<• и - - |1Ь 1 >П ■ , | )\ I : •> р.,: 11 [н I ¡1 > I |.и м ч ., >! >п< н | >>! [ • '1 и. ■ 11 м:. ■ \ а и

родносгей различных типов, возникающих при протекании поперечных токов в высокоширотной и среднеширотной ионосфере,и предсказать их характерные особенности, рассмотреть трансформацию интенсивного акустического импульса в плазменные возмущения, которые распространяются в магнитосферу, учесть реальные условия взаимодействия внутренних волн с ионосферой, а также могут быть применены для решения практических задач совершенствования электромагнитных методов контроля и дискриминации подземных ядерных взрывов, предупреждения о сейсмической и экологической опасности.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Диссипация интенсивного продольного тока в авроральной области (при развитой электростатической ионно-циклотронной или ионно-звуковой неустойчивостях) сопровождается его расслс лшем (вследствие тепловой неустойчивости), частичным замыканием и фор-

ТПТ.Ч1РМУ ГТТОРУ ГТПМиРМ ГГРЙТТРТТС-ММЙ 11ПЛП01Т1 ->Т1«Г-«Г-Н

ь.и '¡>:и ; опкоч е1р\к 1\роп пжа

I При ьыислнсшш определенных )1.юыш и иирорилтоы -¡.101. иимлеи' ранишк ) 1ек 1 роннои 1ермоднфф\ ¡ичшИ'П ис-д иппшкчш и возникновение сильных разрывов при сверхзвуковом движении за-магниченной плазмы являются основными механизмами формирова-

ния неоднородностей, приводящих к наблюдаемым радиоотражениям; на средних широтах в спорадических электроджетах условием развития Фарлей-Бунемановской и градиентно-дрейфовой неустойчивостей является генерация достаточно сильных поляризационных электрических полей.

3. Нелинейный отклик нижней ионосферы на воздействие интенсивных акустических волн сопровождается сжатием фоновых неоднородностей, перестройкой диссипативной области их спектра, генерацией мощного импульса продольного тока и развитием: ряда низкочастотных плазменных неустойчивостей в магнитосфере.

4. Распространение внутренних гравитационных волн в сжимаемой неоднородной атмосфере характеризуется нелинейной генерацией гармоник, а при определенных условиях - фокусировкой и диссипа-тивными эффектами, которые могут приводить, соответственно, к нелинейному отклику ионосферы и развитию вертикальной структуры крупномасштабных ионосферных неоднородностей.

Личный вклад автора. В монографиях "Физические явления в дневных полярных каспах" (совместно с Пудовкиным М.И., Клейменовой Н.Г., Троицкой В.А.) и "Ионосферные предвестники землетрясений" (совместно с Липеровским В. А., Похотеловым O.A.) автором написаны по две главы в каждой из монографий. В работах с соавторами вклад автора паритетный.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 6-ом (Звенигород, 1983) и 7-ом (Якутск, 1985) Всесоюзных школах-семинарах по ОНЧ излучениям, на 2-ом и 3-ем международных семинарах КАПГ по метеорологическим эффектам в ионосфере (София, 1983,1988), на 1-ом и 2-ом (Троицк, 1987; 1989) Всесоюзных совещаниях по ионосферным эффектам землетрясений, на 19 Генеральной Ассамблее IAGG (Ванкувер, 1987, Канада), на 21 Генеральной Ассамблее IAGG (Вена, 1991, Австрия), на 7 Ассамблее IAGA (Буйное Айрес, 1993, Аргентина), на 24 Генеральной Ассамблее URSI (Киото, 1993,

Япония), на международной рабочем совещании "Электромагнитные

я к пения гиганиме г цпспс^атиирч -грмпртпягоний" Î4nrhv 1Q04 Япп-

ной Е области" (Линдау, 1995, Германия), на Европейском совещании "Исследования атмосферы оптическими методами" (Хельсинки, 1995,

электромагнетизм" (Чофу, 1997, Япония), а также на семинарах в ИФЗ РАН, СПбГУ, МГУ, ИКИ РАН, ИФА РАН.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Содержит 220 страниц основного текста, страниц с рисунками. Список литературы включает

320 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность проведенных исследований, кратко излагается содержание работы и определяются основные цели и задачи исследования.

В первой главе рассмотрены вопросы аномальной диссипации ин-

—g------—г---------------г —

продольных и замыкающих их поперечных токов, локализованных в

ir.ppjvt п.нои кик'. iMipo'ie'tMioiiiiiv np< ni« с ом !жгнкч.<| i;u:i« u<'[v-гтр'~'1гтт" ^глтпсфгрттоГу гттгимм ПП^РОТ^ТГТ Г^Г гтргг^т'тт''^

¡пои .»ж. ipefncMi.u'i внешними челониями С'.ч wem« и и.юрлшяч на высотах ~ Re (Mozer F.S. et al. Space Sei. Rev. 1980. V.27. p. 155), плотность продольного тока настолько интенсивна, что возбуждается ряд

неустойчивостей, и прежде всего неустойчивость с наименьшим порогом - электростатическая ионно-циклотронная (EIC). Эффективный нагрев EIC-волнами ионов (в основном поперек геомагнитного поля) позволяет ввести ионные температуры, соответствующие продольной и поперечной степеням свободы. Поскольку неустойчивость развивается только если токовая скорость и > исг, а критическая скорость ucr пропорциональна поперечной температуре ионов Тц , то с ростом поперечной температуры имеем ucr -> и, и неустойчивость должна была бы выключаться, что противоречит наблюдениям. По оценкам, эффективный диффузионный отвод нагретых ионов из области турбулентности, обеспечивающий квазистационарность, был бы возможен лишь при наличии тонких токовых слоев с масштабом < 1 км, поэтому должен существовать соответствующий механизм расслоения крупномасштабного тока в турбулентной плазме.

Такой механизм рассмотрен в разделе 1.1. При учете релаксации энергии нагретых ионов за счет ионо-ионных столкновений показано, что развивается апериодическая тепловая неустойчивость, в результате которой выше максимума F слоя возникает характерный масштаб токовых слоев порядка "длины остывания" горячих ионов ~ ^[DAJт¡, где Dli - коэффициент поперечной диффузии ионов в турбулентной плазме, ti - характерное время обмена энергией за счет ион-ионных соударений. Ниже максимума F слоя масштаб продольных токов порядка VZ7, где L = yjD±r, - "диффузионная длина", / = -jDar/n, - "длина остывания", Dl - коэффициент амбиполярной диффузии в турбулентной плазме, тг, Tin - характерные времена рекомбинации ионов и обмена энергией с нейтралами. Оценки этих масштабов хорошо согласуются с экспериментом.

В разделе 1.2 рассмотрена задача о частичном замыкании про-

ЛОЛЬНОГО ТО К'Я НЯ НРППППППТОЧУ ГПЯНИПЯУ Trwr.Ot.IV ГЧ1/-.ОП т> о

мыкания и показано, что в верхней ионосфере на неоднородных границах мелкомасштабных токовых слоев при развитой Е1С турбулент-

дольные. Поперечный ток связан с передачей среднего, направленного вдоль неоднородной границы, импульса волн резонансным ионам и электронам. При этом в однородной плазме, когда спектр турбулентности изотропен, замыкание продольного тока поперечным отсутствует. С учетом искажения спектра волн в слабонеоднородной плазме найдена величина тока ^ > 3 10 9 А/м2, согласующаяся с измерениями спутниковых пар (БЗ-2 и БЗ-З, БЕ-1 и АКЕВОИО).

В разделе 1.3 проанализировано следствие частичного замыкания тока на магнитосферных высотах - формирование электростатических скачков на неоднородных границах токовых слоев.

В предположении, что при замыкании продольных токов на неоднородных границах мелкомасштабных токовых слоев в турбулентной плазме поляризационное разделение зарядов идет быстрее, чем рас-плывание неоднородности, для электрического поля получено модель-

1 .^^ки! ^ НШ1Л О ччспкс, иннеоизчемым лим _ураш-1снисм, и

вклад электростатических гкячков в пропет тамыкяни? продольного

■ ога '.'раниичи . [нам;м ни I нмм и пли регион,, к им I оклм и.

П р,| 1X1, Т ' р,К V ' Г;Ч':! |«>|||>. ч Г' цр1 1С 11.1111Ц е.- НГШ'К !'.ИМ 1!Г

1П: ни !,\>>ч:к н■ 1нон > |см|нч шипами'] 1)ри>ле1шк.ч.ш ц облапил протекания интенсивного продольного тока.

В условиях верхней ионосферы на уровень турбулентности могут оказать влияние не только нелинейные процессы, но и турбулентный нагрев, а также процессы расслоения продольных токов. Если обратиться к результатам экспериментальных исследований на высоких широтах, то как наземные измерения (Барсуков В.М., Пудовкин М.И. Геомагнетизм и аэрономия. 1970. Т.10. С.663.), так и измерения со спутников (спутник 33-3) позволяют считать, что существует некоторый предел для плотности энергии электростатической турбулентности, достигаемый при протекании в верхней ионосфере токов порядка ^«0.5-10-6А/м2.

Это явление удовлетворительно объясняется, если на авроральных силовых линиях возбуждены электростатические ионно-циклотронная и ионно-звуковая неустойчивости. Для случая, когда Е1С неустойчивость стабилизирована уширением ионных резонансов,.получено соотношение, учитывающее нелинейную зависимость уровня турбулент-

ности

Sri!п = /«fj от значения относительной токовой скоро-

сти u/Ve в режиме e>/k//vc < u/ve< 1,такое, что

5п х _ и

ий(1 + х2)2' X~v,'

и дающее ограничение плотности турбулентной энергии при возрастании токовой скорости. При этом максимальная величина относительной спектральной плотности турбулентной энергии составляет ~ 102 Гц-"2 на частоте f и 128 Гц при j// и 0.7-10 6 А/м2, что соответствует эксперименту.

Большие продольные скорости с u/ve > 1 возбуждают бунеманов-скую и далее ионно-звуковую неустойчивость в режиме Сагдеева. Показано, что образующаяся в результате турбулентность нестационарна, ее уровень убывает со временем по закону 5n/nMl/3(co¡t),/4 и не зависит от величины продольного тока. Исследованы различные механиз-

мы срыва турбулентности, из которых наиболее эффективным оказался уход волн через поперечные границы мелкомасштабного токояого

';' ч

Т » / ».Л2 Пттгт / . «... - тт " '

....................м- 'V,, „V, • —

энергии ионно-звуковых волн порядка 2-10_3Гц"1/2 (на частоте f=co1/2^), то есть не больше той, что дает EIC турбулентность.

штабного градиента электронной гемпературы в областях протекания продольного тока.

В дневном каспе выше максимума F слоя по результатам серии пролетов спутника DE-2 был обнаружен (Curtis S.A. et al. J. Geophys. Res. 1985. V.90. P.4415.) продольный квазистационарный градиент температуры электронов порядка 10 К/км (температура растет с высотой) при наличии нисходящего потока электронов переходной области. Согласно оценкам, электрон-электронные столкновения не могут обеспечить установление наблюдаемого градиента температуры. В предположении, что рассеяние частиц происходит на турбулентных пульсациях (внешняя турбулизация), рассмотрен механизм передачи энергии высыпающихся электронов (после инжекции плазмы переходной области в касп) окружающим частицам. Показано, что разлет горячих электронов, сопровождаемый встречным потоком холодных (в

____и upuvjjrijlfli JJ1CJMроннии

.чн движение ионосферных электронов происходит через области не. 1.шио1К1|>1!ои (и t ta wtua mrm 'iqv» цмнины и>м>ны \ s кчч»» iuuiho турб,глгнтнггти

Вторая глава посвящена вопросам формирования неоднородно-стей в нижней ионосфере в областях протекания интенсивного поперечного тока.

В предыдущей главе было показано, что эффект частичного замыкания продольного тока имеет место уже в верхней полярной ионосфере (магнитосфере); основное замыкание происходит в нижней ионосфере, где вследствие этого процесса формируются мощные элек-троджеты - струи поперечного холловского тока. Многолетние исследования аврорального электроджета с помощью радаров привели к выделению 4-х типов радиоотражений от движущихся неоднородно-стей. Типы 1 и 2 соответствуют развитию известных плазменных неус-тойчивостей Фарлея-Бунемана (ФБ) и градиентно-дрейфовой (ГД). Природа радиоотражений 3 и 4 типов многие годы оставалась неясной, несмотря на попытки интерпретации в терминах ФБ и ГД неус-тойчивостей. И только выход за рамки устоявшихся представлений о механизмах возникновения неустойчивостей в электроджете позволил нам удовлетворительно объяснить эти явления.

В разделе 2.1 рассмотрено возникновение сильных разрывов при сверхзвуковом движении плазмы полярной ионосферы и связанная с этим явлением проблема радиоотражений 4 типа.

Из эксперимента известно (Haldoupis С., Sofko G.J. Planet. Space Sei. 1979. V.27. P.233.), что в полярном электроджете иногда регистрируют радиоотражения, которые соответствуют перемещению ионосферных неоднородностей со скоростью, заметно превышающей скорость звука в плазме Cs. Доплеровские спектры этих короткоживущих (время жизни от нескольких секунд до нескольких минут) и появляющихся при высокой геомагнитной активности радиоотражений, названных радиоотражениями 4 типа, (обычно, но не обязательно) сопровождаются доминирующей широкой компонентой той же допле-ровской полярности. Широкая компонента соответствует неоднород-ностям, движущимся с фазовой скоростью, близкой к Cs (считается,

что эти неоднородности обусловлены ФБ неустойчивостью), тогда как

УЧК'ЯЯ клиппнрнтя папил-^уо Л "Т-игго ППЧППЯРТГО IГ'Л\Г пр-тнпп ТТ1 гКот/^

звуковому потоку, становятся неустойчивыми с того момента, когда в результате торможения из-за столкновений скорость дрейфа ионов от-

вится меньше 2Сь- При этом формируется ударная волна, что и вызывает появление радиоотражений 4 типа. Предсказана область локализации этих радиоотражений в электроджете - на высотах, где ионы становятся замагниченными.

В разделе 2.2 рассмотрен механизм образования неоднородностей, приводящий к радиоотражениям 3 типа в полярном электроджете.

Радиоотражения 3 типа характеризуются очень узким пиком в до-плеровском спектре, расположенным на дозвуковых скоростях, обычно в области 200 м/с (то есть вблизи Сэ/2). Сигнал достаточно интенсивен, что, в сочетании с узостью спектра, означает отражение от неоднородностей большой амплитуды. Радиоэхо, как правило, появляется в периоды высокой геомагнитной активности при протекании сильных токов электроджета.

В предложенном механизме наряду с традиционными для ФБ не-

UCIJ1UI1VU iV^UJla. 1 алии пидлид прсдианлнекси

»maRHJio. имеют низкие пороги возбуждения, и 7) это согласуется г тем.

шор,-,:!', ч-м: ; iiiiui формнрчнтк но время ич»м:н чшнмч («н-

¡¡пГ. . fPi .>,4i.|. МЬЛ ll|«4i'KilllMfM i ¡1 H.IH.IV in- Hi! !l M:>! I'CIMM

i o\:i,i мат-л hOia

С помощью аналитических и численных расчетов показано, что в областях электроджета, где выполнено условие Те ГП >3 (возможное при высокой геомагнитной активности), порог возбуждаемой электронной термодиффузионной (ЭТД) неустойчивости заметно ниже Cs и варьируется от 0.3Cs до 0.6Cs (для неоднородностей масштаба ~ 3 м), а ее инкремент на порядок превышает инкремент ФБ неустойчивости. Другими словами, ЭТД и ФБ неустойчивости должны развиваться в разных местах электроджета. По данным радара EISCAT построены модельные доплеровские спектры, которые подтвердили, что возникновение радиоотражений 3 типа можно связать с развитием ЭТД неустойчивости.

В разделе 2.3 рассмотрен вопрос о сильных электрических полях в среднеширотной ионосфере и связанных с ними радиоотражениях.

Несмотря на отсутствие электроджетов на средних широтах, здесь, с использованием 50 МГц радара SESCAT, были обнаружены (Schlegel К., Haldoupis С. J. Geophys. Res. 1994. V.99. Р.6219.) радиоотражения 1 и 2 типов, для возникновения которых необходимы достаточно сильные электрические поля, характерные для высокоширотной и экваториальной ионосфер. Так как среднеширотные радиоотражения коррелируют с наличием спорадических слоев Е, то естественно было связать сильные электрические поля, необходимые для развития неустойчивостей, с поляризационными полями слоев Es и, тем самым, интерпретировать их как спорадические электроджеты. Однако было замечено, что. присутствие слоев не гарантирует наличия радиоотражений. Это указывало на действие некоторых факторов, уменьшающих сильные поляризационные поля.

Аналитически и численно исследовано влияние продольных токов и геометрических параметров спорадического слоя Е на сильные поляризационные поля. Показано, что токи деполяризации могут вызвать существенное уменьшение величины поля в ночной ионосфере

для протяженных слоев. Установлено, что генерация неоднородно-сгей. обуславливающих пяпипптпяжрния на г.пепних шипотях коч-

В разделе 2.4 рассмотрен механизм образования квазипериодических радиоотражений в ионосфере средних широт.

ную чувствительность, часто отмеч:.~гся квазипериодическая модуляция сигнала с периодами как несколько больше, так и несколько меньше частоты Брента-Вяйсяля (~ 5 мин). Следует отметить, что их появление не связано с геомагнитной активностью; доплеровские спектры радиоотражений, как правило, очень узкие и симметричные относительно среднего сдвига; они имеют низкие фазовые скорости (< 80 м/с, что значительно ниже Сб).

Возникновение радиоотражений этого типа связывается с развитием тепловой неустойчивости ионосферной плазмы при модуляции порога неустойчивости акустико-гравитационными волнами. Однако в отличие от высокоширотной ионосферы, где за счет диссипации тока электроджета нагреваются в основном электроны, для среднеширот-ной ионосферы рассмотрен нагрев ионов в поперечных поляризационных электрических полях, обусловленных горизонтальными движе-

.......----^ • - - — .V V- ....... ~..... « ■ • ~ ^ ~ - ~ . . .. . ~ . . ...„^

ниже, если учесть, что возникновение радиоотражении ассоциируется

• Кч'мирмнанн.'м еиорл шчсскич % теп I-. лчю'шшч и ; ¡'.г;\-п>\ м,-

В третьей главе рассмотрены механизмы формирования неодно-родностей, возникающих при интенсивном акустическом воздействии на ионосферу. ,

В последние годы интерес к исследованию влияния интенсивных акустических волн на ионосферу повысился в связи с проведением серии активных экспериментов с промышленными и подземными ядерными взрывами. Однако в рамках линейных моделей не удавалось интерпретировать ряд экспериментальных результатов. В частности, в эксперименте МАССА, когда пролет спутника был приурочен к промышленному взрыву, со спутника, вблизи силовой трубки взрыва, бортовым магнитометром был зафиксирован кратковременный всплеск электромагнитного поля с амплитудой магнитного поля порядка 100 нТ (Гальперин Ю.И. и др. Изв. АН СССР. Физика Земли. 1985. N II. С.88.). Далее, при распространении через ионосферную плазму акустического импульса от мощного наземного взрыва, методом частичных отражений была зарегистрирована (Blänc Е., Rickel D. Radio Sei. 1989. V.24. Р.279.) модификация фоновых ионосферных не-однородностей, когда пространственные масштабы неоднородностей уменьшались от 10 км до ~ 2 км. Такое положение указывало на существование ранее не известного нелинейного и чрезвычайно эффективного механизма трансформации акустических сигналов в электромагнитные.

Механизм нелинейного отклика ионосферы на импульсное акустическое воздействие рассмотрен в разделе 3.1, где решена задача о параметрическом усилении магнитного сигнала в неоднородной сла-боионизованной плазме при акустической накачке.

В приближении электронной магнитной гидродинамики для у -компоненты (x,y,z составляют левую тройку) магнитного поля получено уравнение

сЬ ¿Ь ^ дгЬ ,, , „, , , V

/Г + а -Ь-уг- О • + /СМ), ¿(2,0) = 4(2)

понента скорости нейтральных частиц.

С помощью этого уравнения рассмотрен эффект усиления мелко-

..и ! 1 i . .^чюгпгтл-кл" фопппогг- мпптитттого -ТТТ-ТТПТП Г 'Т?ОТ

действии с крупномасштабным импульсом накачки, возбуждаемым акустическим источником. Усиление сигнала имеет место лишь на нелинейной стадии, когда можно не учитывать диссипативные процессы. Получено выражение для коэффициента усиления, который в Е слое ионосферы оказался порядка 30 для "слабого" сигнала (~3 нТ).

В разделе 3.2 рассмотрен эффект сжатия ионосферных неодно-родностей под действием акустического импульса.

С помощью нелинейного уравнения, полученного в приближении электронной магнитной гидродинамики (раздел 3.1), показано, что мелкомасштабные фоновые неоднородности плотности ионосферы при прохождении крупномасштабного акустического импульса изменяют свои амплитудные, пространственные и временные характеристики. При этом эволюция амплитуд периодического и шумового сигналов различна (из-за слияния разрывов в последнем случае). Оценки

пмпгтиирск-иу нрпггнпрпггнпгтей показывают что они могут уменьшать-

фек'!. коырый можно раача I рина 1 ь 1сак оГкн гренпе ! радтдп ол т;оп-ценграцпи нео, (.нориджк ! ои ; нмс;-; моею на нёчшп-нноп палии кч>1 ¡а не \ чи 1 ыиаю ия , иксииа I ивные про 111.41. ы.

Изучение воздейс1Вия шумовою акусшческо! о источника на ионосферу (раздел 3.3) в рамках используемого нами подхода может

быть сведено к задаче о коротковолновой асимптотике турбулентности Бюргерса, возбуждаемой случайной внешней силой. Речь идет именно об особенностях мелкомасштабного спектра, поскольку он попадает в метровый диапазон, хорошо изученный с помощью радаров. Найдено аналитическое выражение для спектра, которое содержит параметр, учитывающий нелинейную перекачку энергии по спектру. Это отличает найденное решение как от асимптотики спектра Колмогорова-Обухова, так и от асимптотики нестационарной турбулентности Бюргерса. Указанное отличие может служить диагностическим признаком для дискриминации воздействия акустического шума на ионосферу.

В разделе 3.4 рассмотрена структура магнитного импульса на начальном участке распространения в неоднородной верхней ионосфере. Этот процесс может быть описан уравнением Клейна-Гордона. Импульс имеет характерную форму с крутым передним фронтом, сопровождаемым осциллирующим следом. Оценки масштаба фронта импульса и периода осцилляций согласуются с экспериментальными величинами, зарегистрированными во время проведения эксперимента МАССА со спутника Ореол-3.

В разделе 3.5 обсуждены механизмы генерации неоднородностей УНЧ-КНЧ-ОНЧ диапазона ("турбулентные пятна") в верхней ионосфере при распространении мощного импульса продольного тока.

Показано, что при достаточно большой амплитуде магнитного импульса возможна генерация электростатической ионно-циклотронной неустойчивости и, далее, тепловой неустойчивости, обусловленной анизоторопным турбулентным нагревом ионов плазмы. В результате, после прохождения импульса, силовая трубка взрыва заполняется неоднородностями УНЧ-КНЧ диапазонов. Согласно оценкам, время диффузионного расплывания неоднородностей УНЧ диапазона, определяемое как уменьшение концентрации в е раз, может варьироваться (в зависимости от высоты спутника) от часа до десятка

часов; аналогичное время релаксации неоднородностей КНЧ диапазона сравнительно невелико - от нескольких десятков секунд до десятка

С ТГ1 ,™„»f,o„,,n г,^on ..Л, ™ .. пр.,

чего время жизни неоднородностей увеличивается более чем на порядок. Рассчитанные характеристики неоднородностей, связанных с рас; | ,i. \ н I , t i ■. ,, , V 1 I и И I Ii. il i II V, , I . I I , ,1 . . и Uli i i'. > i ' . '.Ill IK

дениями.

Крупномасштабные неоднородности КНЧ-УНЧ диапазона служат источником свободной энергии для ОНЧ колебаний. Такие колебания после взрывов регистрировались в волновых экспериментах со спутников "Ореол-3" и "Интеркосмос-19". Оценки длины волны, интенсивности излучения и порога возбуждения позволяют отнести его к нижнегибридным дрейфовым волнам.

В четвертой главе рассмотрены ионосферные неоднородности, возникающие при прохождении внутренних гравитационных волн (ВГВ) через ионосферу.

В разделе 4.1 проанализированы нелинейные возмущения в ионосфере при прохождении ВГВ.

Данные об ионосферных возмущениях при воздействии В^З, полученные с помощью современных радаров (Natorf L. et al. Radio Sei.

jit.ii^.tiiui^' uuijuüiiiiui^ 1.рили/|\д^1|щу1Н 1J1 u iiy^icj .

« ».жим и • iah;t\ npomvi.'ob •№ mcic!i > енфания нмпних i армоник исходной гинугоипаньной волны Лпя "»того случая подучено ofiniee iK'.iiii'eüiio.' \ рашк-ш.е е vmi-iom f.i имасмоеш и иеотнорочнопи ::ivo сферы, пригодное для волн конечной амплитуды. Для волн малой амплитуды, когда применим метод последовательных приближений,

найдена вторая гармоника возмущенной скорости для синусоидальной основной волны. Показана необходимость учета в этом случае нели-нейностей (кроме конвективных), связанных с возмущениями плотности и давления, которыми пренебрегали в прежних исследованиях.

Найден нелинейный отклик Р области ионосферы на прохождение ВГВ. Показано, что отклик резко возрастает при выполнении резонансного условия, когда ВГВ возбуждает собственные ионосферные моды. Получены оценки амплитуд резонансного отклика.

В разделе 4.2 проанализирован эффект фокусировки ВГВ в сжимаемой двумерно-неоднородной атмосфере.

Сильное воздействие ВГВ на верхнюю атмосферу при распространении волны вверх обычно связывают с экспоненциальным ростом амплитуды колебательной скорости из-за быстрого падения плотности атмосферы с высотой. Между тем, при наличии в верхней атмосфере двумерной неоднородности температуры или скорости ветра (как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях), может реализоваться другой механизм сильного роста волнового поля - фокусировка. Благодаря двумерной неоднородности возникает сужающийся горизонтальный волновод, в котором пакет ВГВ, смещаясь к точке вырождения волновода, сжимается, замедляется и амплитуда волнового поля растет (в рамках гидродинамики идеального газа возникает сингулярность (Бадулин С.И. и др. Докл. АН СССР. 1983. Т.273. С.459; Ерохин Н.С., Сагдеев Р.З. Морск. гидрофиз. ж. 1985. N2. С. 15; N4. СЗ). Следовательно, во-первых, меняется характер распространения ВГВ - появляется эффективный механизм перекачки энергии в область малых масштабов, и ВГВ без существенного изменения высоты попадают в режим нелинейной динамики. Во-вторых, изменяются условия генерации ионосферных неоднородностей по сравнению со случаем взаимодействия квазисинусоидальных волн с ионосферной плазмой - в области фокусировки усиливается взаимодействие термосферы с ионосферой. Последнее может проявляться, например, как

пятнистая структура возмущений параметров верхней атмосферы ("горячие" пятна) или изрезанность вертикальной структуры полей.

возмущений внутри ветра (со > гов, Л,_, < эи км) и последующей фокусировки ВГВ. Вычислены предельные коэффициенты усиления коллап-

>и »н)|ця\ Г<ГВ. ;.ojupi.H- 'чм ia ¡ж ' нормги 1~> 1ЛЛ при » ыГ>я ;и ;ли.н.

дит к конечному поглощению энергии ВГВ на уровне Q = сов (где Q —со - kxU, U - скорость ветра, сов - частота Брента). Соответствующий нагрев нейтрального газа может инициировать формирование спорадических слоев, что согласуется с наблюдениями.

В разделе 4.3 обсуждена вертикальная структура ионосферных возмущений, вызванных диссипацией внутренней гравитационной волны при ее прохождении через атмосферу.

Для расчета реальной картины распространения атмосферной гравитационной волны в диссипативной, неоднородно стратифицированной (по температуре и ветру) атмосфере применена численная модель AGWWND (Погорельцев А.И., Перцев H.H. Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1995. Т.31. С.755.). Рассчитывалось распространение ВГВ от источника массы с характерными горизонтальными

ЭПГ\ ъ-*« и пер1ЛГ»гтг>\* погтг^тгя 1 Ч ЦПЯ ПГ»ИЗРМНОЙ Я МП TT ИТ V П141

•им гея условия г1я трансформации ВГВ в пм щснные копи женим, развитие которых, согласно оценкам, можес приводи сь к ионосферным аномалиям, включающим фаиммле аномалии на трассах распространения радиоволн, вариации плотности ионосферных слоев, ва-

риации интенсивности свечения, аномалии УНЧ-КНЧ-ОНЧ шумов в верхней ионосфере. Рассмотренная схема воздействия длиннопериод-ных ВГВ на ионосферу снизу в достаточной степени универсальна, т.е. не зависит от природы источника волн.

В разделе 4.4 проанализированы экспериментальные результаты подтверждающие модельные представления об отклике ионосферы на прохождение ВГВ, развитые в предыдущих разделах.

В частности, были проанализированы и систематизированы наиболее надежные современные экспериментальные результаты, полученные разными научными коллективами при исследовании ионосферы над сейсмически активными регионами Кавказа, Средней Азии и Камчатки. Выявлены характерные временные и пространственные масштабы экстремального проявления крупномасштабных ионосферных возмущений, возникающих в периоды сейсмической активности. На основе анализа физических процессов, обуславливающих эти возмущения, сделан вывод об определяющей роли нейтральной компоненты ионосферы в создании возмущений (внутренние гравитационные волны). Рассмотрены возможные механизмы генерации ВГВ в сейсмически активных регионах, связанные с 1) собственными длин-нопериодными колебаниями Земли; 2) нестационарным выходом ли-тосферных парниковых газов; 3) нестационарным притоком массы литосферных газов, и даны соответствующие оценки плотности вертикальных потоков волновой энергии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показано, что диссипация интенсивных продольных токов в полярной верхней ионосфере сопровождается расслоением однородной плазмы при ее турбулентном нагреве электростатическими ионно-циклотронными волнами. При этом наличие тонкой структуры продольного тока обеспечивает квазистационарность областей турбу-

леитпости, приводит к частичному замыканию его поперечным током .. ^т&.притипм ппячио ирг^и^й мпнпггЬепы и (при учете зямыкания-) к

' ' ■ ' ! ........' 1 • ' ' < ' I ' С" >4 И. 41 1 <'\1 I !'Ч . ■ ! ■. ' 4.1

2. Аналитически и численно показано, что в областях протекания интенсивных поперечных токов (авроральных электроджетах) в ре: 1 " ' ' , ; ; . •! ' ' 1 'ф;]'1 Ч" Ч 1 ' 11 '! 1 >■•••, ' ' 111 " I ! I'■ ' ' ! • ■

сильно разогретой плазме нижней ионосферы возникают радиоотражения 3 типа; предсказано, что радиоотражения 1 и 3 типов должны наблюдаться в разных областях полярного электроджета.

3. Определены условия возникновения сильных разрывов при сверхзвуковом движении плазмы полярной нижней ионосферы; предсказана область их локализации в верхней части электроджета и связь с радиоотражениями 4 типа.

4. Показано, что на средних широтах в спорадических электроджетах (областях формирования спорадических слоев Е) при определенных плотностях плазмы и соотношениях масштабов слоя генерируются сильные поляризационные электрические поля, которые сопровождаются развитием мелкомасштабных градиентно-дрейфовой и Фарлей-Бунемановской неустойчивостей и, соответственно, пг 'влени-ем среднеширотных радиоотражений.

ч>иг.,ги».и.„ —•.....-.....;--------- •• «'

(' помощью нелинейного уравнения, полученного в ириолижс-

.ии! нокфоннои '-.кн чшной г и.фо;цшамики

р.'чУМОГрЛ! Эффект '.'СПТГНТТЯ ГЛГМОЛНЧССТСРГО магнитного н.иа к ис.)Д!Н'{Н).»к>й сл.юоионн ¡пшниюй и киче при парамо'рмче-ском взаимодействии с импульсом накачки, возбуждаемым акустическим источником; получено выражение для коэффициента усиления,

который для параметров плазмы Е слоя оказался порядка ~ 30 для сигнала ~ 3 нТ;

б) показано, что воздействие крупномасштабного акустического импульса на мелкомасштабные ионосферные неоднородности приводит к их сжатию;

в) получено асимптотическое выражение для стационарного спектра энергии в диссипативной области турбулентности Бюргерса, возбуждаемой случайной внешней силой; показано, что, в отличие от случая нестационарной турбулентности, спектр содержит параметр, характеризующий перекачку энергии в мелкомасштабную область; указанное отличие спектров может быть использовано как диагностический признак.

6. Определен механизм образования и дана оценка времени жизни областей электростатических неоднородностей УНЧ-КНЧ-ОНЧ диапазона, регистрируемых в верхней ионосфере после прохождения мощного магнитного сигнала.

7. Рассмотрено влияние гармоник внутренних гравитационных волн (ВГВ) на формирование квазипериодических возмущений в Р области ионосферы; проанализированы условия резонансного ионосферного отклика на прохождение ВГВ; показано, что для нахождения гармоник плоской волны необходимо учитывать нелинейности, связанные с возмущением плотности и давления.

8. Аналитически и численно исследован эффект фокусировки ВГВ в атмосфере с вертикальной и горизонтальной неоднородностями плотности и фонового ветра; изучены условия запирания ВГВ внутри неоднородного течения и последующей компрессии пакета в сужающемся волноводе; получены асимптотические формулы для параметров ВГВ вблизи точки коллапса и вычислены их предельные величины на стадии стабилизации коллапса вязкостью; оценено соответствующее поглощение энергии.

9. Численно и аналитически исследован механизм формирования вертикальной структуры ионосферных возмущений при диссипации

~ /ггъ IT ИРТГ>\Л ЯТМ Г»Г ftlP.T) V

результаты, полученные в исследованиях отклика ионосферы на прохождение атмосферных ВГВ (с учетом их диссипации и трансформации ' iri.t •М.Ч1Н..1-- К, .;•.!•. пичшм) ¡;,> • i.'p.t UtMllHI" :> !>.>!•,III.!" I ! ■. ' 1I 11

чсские выводы данной раооты. » часшшли, дли нипи^фс^т uuM ^^»iv мически активными регионами Кавказа, Средней Азии и Камчатки определены характерные временные и пространственные масштабы экстремального проявления специфических крупномасштабных ионосферных возмущений в периоды сейсмической активности. На основе анализа физических процессов, обуславливающих эти возмущения, сделан вывод о ведущей роли ВГВ в создании возмущений.

По теме диссертации опубликовано более 50 статей и две монографии. Основное содержание отражено в следующих работах (порядок хронологический):

1. Shalimov S.L. Auroral ion acceleration // Preprint N 783. Space Research Institute. Moscow. 1983. 27 pp.

~ - „гттг 4 г> Г--.,----------- Ы M r^vñonz, A,1 к Пипр-

1 KlbtivJC 1 biv) // i \.vjmui uwitu.ri <1 ; У ~ _ . !.

> .'/ши/лыкнй fi 1 //1 Оопкип M.H , Сажич ('('., И/ттп»: ( ,1 О поперечных токах n авроральной магнитосфере // Космические иселе-(овлния 19Xf> Т 24 N\ С '74>'741> 4. Гохберг М.Б., Кустов A.B., Липеровский В.А., Липеровская Р.Х., Ха-рии Е.П., Шалимов С.Л. О возмущениях F области ионосферы перед

сильными землетрясениями II Изв; АН СССР. Физика Земли. 1988. N4. С. 12-20.. •

5. Шалимов СЛ., Липеровский В.А. О насыщении плотности турбулентной энергии в продольных токах // Космические исследования. 1988. Т. 25. N2. С.247-254.

6. Троицкая В.А., Пудовкин М.И., Клейменова Н.Г., Шалимов С.Л. Физические явления в дневных полярных каспах. М.: Наука. 1988.

7. Липеровский В.А., Алимов O.A., Шалимов С.Л., Гохберг М.Б., Липе-ровская Р.Х., Саидшоев А. Исследование F области ионосферы перед землетрясениями // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1990. N12. С.77-86.

8. Липеровский В.А., Мейстер КВ., Шалимов С.Л. О переносе энергии в

дневном каспе II Космические исследования. 1990. Т.28. N6. С.879-885.

9. Липеровский В.А., Гладышев В.А., Шалимов С.Л. Литосферно-ионосферные связи перед землетрясениями // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1991. N3. С.26-35.

10. Шалимов С.Л. О влиянии длиннопериодных колебаний Земли на верхнюю атмосферу // Изв. РАН. Физика Земли. 1992. N7. С.89-95.

11. Shalimov S.L. Lithosphere-ionosphere relationship: A new way to predict earthquakes ? // Intern. Geosci. Newsmag. Episodes. 1992. Vol.15. N4. P.252-254.

12. Колоколов Л.E., Липеровская Е.В., Липеровский В.А., Похотелов O.A., Мараховский A.B., Шалимов С.Л. Резкие расплывания спорадических слоев Е среднеширотной ионосферы в периоды подготовки землетрясений // Изв. РАН. Физика Земли. 1992. N7. С.101-109.

13. Липеровский В.А., Похотелов O.A., Шалимов С.Л. Ионосферные предвестники землетрясений. М.: Наука. 1992.

14. Шалимов С.Л. О тонкой структуре дневного каспа // Космические исследования. 1993. Т.31. N4. С.65-72.

15. Некрасов Л.К., Шалимов С.Л. Нелинейные возмущения в F области ионосферы под действием внутренних гравитационных воли // Гео-

1 \j. j^yi/лип iitt\[jULUts /1.Л., илилилшо л. ivujuiaii^ tm^ 1 рспппл

магнетизм и аэрономия. 1994. Т.34. N 6. С. 150-160.

17. Gokhberg М.В., Nekrasov А.К., Shalimov S.L. A new approach to the

. М--,- •Г>!» - til! ,..|>1 .•!,• >..!.<>V,>Ii . :|||Ч!'!' КТом' ¡Jh i'.U ihiiiNih

M.Hayakawa and Y.Fujinawa. Terra Sci. Publ.Co., Tokyo, 1994. P.619-625.

18. Шалимов С.Л. Об источнике квазипериодических радиоотражений от Е области ионосферы средних широт II Космические исследования. 1995. Т.ЗЗ. N3. С.326-328.

19. Shalimov S., Haldoupis С. An electron thermal diffusion instability and type-3 echoes in the auroral E-region plasma // Ann. Geophys. 1995. V.13.N1. P.45-55.

20. Nekrasov A.K., Shalimov S.L., Shukla P.K., St en/Jo L. Nonlinear disturbances in the ionosphere due to acoustic gravity waves // J. Atm. Terr. Phys. 1995. Vol.57. N7. P.737-741.

21. Shalimov S., Haldoupis C. An electron thermal diffusion instabiP v as a potential mechanism for the generation of type 3 irregularities in the auroral E region II Proceedings of a Workshop "Plasma instabilities in

n 1 1 1 11/1

ь молярной ионосферы // Koev.ii'iei кяе iiu.ic.ioi.ainiM.

wo. ¡.л-;. ;\з.l.2oU-2,s.

23. Перцев H.H., Шалимов C.JI. Генерация атмосферных гравитационных волн в сейсмически активном регионе и их влияние на ионосферу// Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т.36. N2. С.1И-118.

24. Акмамедов X., Перцев H.H., Романова H.H., Семенов А.И., Чефра-нов С.Г., Шалимов СЛ.,Шефов H.H. Возможный механизм увеличения температуры F2 области ионосферы в период Иранского землетрясения 20 июня 1990 года // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т.36. N2. С.119-123.

25. Гохберг М.Б., Некрасов А.К., Шалимов C.JI. О влиянии нестабильного выхода парниковых газов в сейсмически активном регионе на ионосферу // Физика Земли. 1996. N8. С.52-55.

26. Шалимов C.JI. Замыкание продольных токов поперечными токами и сильные электростатические скачки в полярной верхней ионосфере// Космические исследования. 1997. Т.35. N2. С.139-143.

27. Шалимов C.JI. Сильные электрические поля в среднеширотной ионосфере и связанные с ними радиоотражения // Космические исследования. 1997. Т.35. N5. С.460-464.

28. Шалимов C.JI. О параметрическом усилении магнитного поля в неоднородной слабоионизованной плазме // Физика плазмы. 1997. Т.23. N7. С.670-671.

29. Шалимов C.JI. О структуре электромагнитного импульса и неодно-родностях, связанных с его распространением в верхней ионосфере над областью наземного взрыва // Космические исследования. 1998. Т.36. N4.

30. Шалимов C.JI. Коротковолновая асимптотика спектра турбулентности Бюргерса // Письма в ЖЭТФ. 1998. Т.67. N6. С.383-386.

31. Шалимов C.JI. О нелинейном взаимодействие мелкомасштабных ионосферных неод^ородностей с крупномасштабным акустическим импульсом наземного взрыва // Космические исследования. 1998. Т.36. N5.

32. Shalinwv S., Gokhhcrg M. Lithosphere-ionosphere coupling mechanism and its annliration for earthciuake in Iran on June 20. 1990.

associated with midlatitude sporadic E //J. Geophys. Res.. 1998. V.103. N A6. P.l 1617-11625.

импульсное акустическое воздействие // Докл. РАН, 1998 (принято для публикации).

35. Haldoupis С., Schlegel К., Koehler J.A., Farley D.T., Shalimov S.L. Farley-Buneman waves in the midlatitude E region ionosphere // EOS Trans. Am. Geophys. Union (Suppl.), 1998. V.79. N24. W92.

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора физико-математических наук, Шалимов, Сергей Львович, Москва

л// I . / /о -Л N

М' ' < / ^

/ О

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ДИНАМИКИ ГЕОСФЕР

ИОНОСФЕРНЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ, ИНИЦИИРОВАННЫЕ ИНТЕНСИВНЫМИ МАГНИТОСФЕРНЫМИ ТОКАМИ И АТМОСФЕРНЫМИ

ВОЛНАМИ

Специальность 04.00.23 - физика атмосферы и гидросферы

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................4

ГЛАВА 1. Аномальная диссипация интенсивного продольного тока и формирование неоднородностей в полярной верхней ионосфере...............................................................................24

1.1. Мелкомасштабная структура продольных токов............25

1.2. Замыкание продольных токов поперечными токами в магнитосфере..........................................................................33

1.3. Формирование сильных электростатических скачков на границах токовых слоев..........................................................40

1.4. Предельность энергии турбулентности при протекании интенсивных мелкомасштабных продольных токов.............46

1.5. Крупномасштабный градиент электронной температуры в верхней ионосфере дневного каспа.....................................56

ГЛАВА 2. Аномальная диссипация интенсивного поперечного тока и формирование неоднородностей в нижней ионосфере.......64

2.1. Сильные разрывы в сверхзвуковом потоке плазмы полярной ионосферы и проблема радиоотражений 4 типа.................66

2.2. Радиоотражения 3 типа в полярной ионосфере............71

2.3. Сильные электрические поля в среднеширотной ионосфере и связанные с ними радиоотражения.................78

2.4.Квазипериодические радиоотражения в ионосфере средних широт.........................................................................88

ГЛАВА 3.Формирование неоднородностей при акустическом воздействии на ионосферу...................................................................................93

3.1.Параметрическое усиление магнитного сигнала в неоднородной слабоионизованной плазме при акустической накачке......................................................................................94

3.2. Сжатие ионосферных неоднородностей под действием акустического импульса...........................................................100

3.3. Коротковолновая асимптотика спектра турбулентности Бюргерса и проблема дискриминации шумового

источника..................................................................................104

3.4.0 структуре мощного магнитного импульса в верхней

ионосфере................................................................................109

3.5.Генерация неоднородностей УНЧ - КНЧ - ОНЧ диапазона

мощным магнитным импульсом в верхней ионосфере.........113

ГЛАВА 4. Ионосферные неоднородности, возникающие при прохождении внутренних гравитационных волн............................................123

4.1.Нелинейные возмущения в ионосфере при прохождении внутренних гравитационных волн............................................124

4.2. Коллапс внутренних гравитационных волн в двумерно -неоднородной атмосфере.......................................................131

4.3. Вертикальная структура ионосферных возмущений, инициированная диссипацией ВГВ при ее распространении через ионосферу.................................................................................143

4.4. Анализ экспериментальных результатов.........................151

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................195

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................198

Введение

химическим взаимодействием заряженных и нейтральных компонент ионосферной плазмы.

Следует, однако, учесть, что не вся энергия возмущений переходит в тепло. Часть ее, перехватываемая ионосферой, служит источником для формирования структур и неоднородностей более мелких масштабов, связанных с развитием плазменных неустойчивостей. Поскольку ионосферные неоднородности возбуждаются за счет источников свободной энергии (крупномасштабных возмущений), а затем затухают, то развитие плазменных неустойчивостей и структур можно рассматривать как процесс дополнительной или аномальной диссипации энергии возмущения. При этом связанные с ионосферной турбулентностью аномальные процессы (турбулентный нагрев, аномальные диффузия и сопротивление) могут стать основными в динамике возмущений.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению проблемы взаимодействия с ионосферой (посредством механизмов аномальной диссипации) крупномасштабных возмущений, связанных с протеканием интенсивных магнитосферных токов и прохождением атмосферных волн. Круг явлений, подлежащих теоретическому анализу, здесь достаточно широк, поскольку к рассматриваемым воздействиям на ионосферу приводят различные виды геофизической активности (геомагнитная, метеорологическая, сейсмическая), а также ряд техногенных процессов. Вместе с тем, на период начала исследования адекватные механизмы аномальной диссипации крупномасштабных токов и атмосферных волн в ионосферной плазме были еще либо недостаточно разработаны, либо отсутствовали вообще.

По-видимому, впервые на данную проблему обратили внимание в 1963 году в связи с исследованием известного к тому времени явления в полярной ионосфере - эффективного обратного рассеяния радиоволн КВ и УКВ диапазона. Периоды интенсивных радиоотражений, как правило, совпадали с появлением видимых форм полярных сияний, и это явление получило название радиосияний. В отличие от Г.Букера, который рассматривал возможные модели рассеяния

радиолокационного сигнала отражающими областями, Д.Фарлей и О.Бунеман стали выяснять физический механизм образования неоднородностей и показали, что достаточно интенсивные возмущения магнитосферного электрического поля (в периоды высокой геомагнитной активности) могут приводить к развитию плазменной неустойчивости в области протекания ионосферного поперечного тока (электроджета). Хотя неустойчивость Фарлея-Бунемана хорошо описывала ряд экспериментальных фактов, но по мере их накопления стало ясно, что картина явления сложнее, чем предсказывала теория, и что, в частности, необходим учет турбулентного нагрева в электроджете.

Сами электроджеты - часть аврорального овала, где фокусируется энергия, передаваемая от магнитосферы к ионосфере с помощью альвеновских волн или продольных токов; это вынуждает ионосферу перестраиваться так, чтобы пропустить большой ток с его последующей диссипацией, вследствие которой происходит нарушение эквипотенциальности силовых линий магнитного поля и расслоение вытекающего из ионосферы продольного тока. Оказалось, что указанные явления также принципиально нельзя понять без представлений о развитии ряда плазменных неустойчивостей и связанных с ними эффектов аномального сопротивления, аномальной диффузии и турбулентного нагрева в областях протекания интенсивных продольных токов.

Генерация мелкомасштабных неоднородностей интенсивными крупномасштабными возмущениями ионосферы отмечалась также в исследованиях по воздействию на ионосферу мощными радиоволнами, выбросами бариевых облаков и при прохождении монохроматических внутренних гравитационных волн (явления Е и Е рассеяния), где основополагающие работы принадлежат школам А.В.Гуревича, Б.Н.Гершмана и Л.М.Ерухимова.

Распространение через ионосферную плазму атмосферных волн, вызываемых метеорологической или сейсмической активностью, также принадлежит к рассматриваемому кругу вопросов. Здесь энергия, передаваемая от атмосферы к ионосфере с помощью акустико-

гравитационных волн, может усиливаться, так как ионосфера оказывается в неравновесном состоянии для воздействий такого рода. При учете неоднородности параметров атмосферы, ее сжимаемости и наличии диссипативных и нелинейных эффектов, соответственно меняются условия генерации ионосферных неоднородностей по сравнению со случаем взаимодействия монохроматических волн с ионосферной плазмой. Последствия такого взаимодействия могут существенно отличаться от предсказаний традиционно используемой теории ветрового сдвига.

Целью работы является теоретическая разработка механизмов аномальной диссипации интенсивных токов и акустико-гравитационных волн в ионосферной плазме. При этом исследования направлены на выделение условий формирования плазменных (магнитосферных) и неплазменных (атмосферных) источников ионосферных возмущений; определение типов плазменных неустойчивостей, приводящих к образованию неоднородностей в ионосфере, исследование их механизмов и характеристик; определение изменений в эволюции возмущений, вносимых ионосферной турбулентностью; исследование структур в ионосфере, в том числе с применением модельных нелинейных уравнений.

Научная новизна. В работе впервые

предложены новые механизмы процессов, которые сопровождают диссипацию интенсивных продольных токов в турбулентной плазме полярной верхней ионосферы (расслоение

продольного тока, замыкание продольного тока, возникновение электростатических скачков, насыщение плотности турбулентной энергии, установление крупномасштабного градиента электронной температуры);

- рассмотрены новые механизмы диссипации поперечных токов (электроджетов) в полярной нижней ионосфере (радиоотражения 3 и 4 типов), а также условия развития неустойчивостей в спорадических электроджетах ионосферы средних широт (генерация сильных электрических полей) и предсказаны области локализации радиоотражений;

- в рамках электронной магнитной гидродинамики получено и исследовано модельное нелинейное уравнение, описывающие воздействие АГВ на нижнюю ионосферу и обоснована возможность возбуждения ионосферной турбулентности неплазменными источниками;

- для сжимаемой и неоднородной атмосферы получено нелинейное уравнение, описывающее распространение и воздействие внутренних гравитационных волн (ВГВ) на верхнюю ионосферу;

- исследован эффект фокусировки ВГВ в сжимаемой двумерно-неоднородной атмосфере;

- предложен и исследован механизм создания вертикальной структуры ионосферных возмущений при диссипации ВГВ в неоднородно стратифицированной (по температуре и ветру) атмосфере;

- проанализированы характерные неоднородности, возникающие в ионосфере сейсмически активных регионов при прохождении ВГВ.

Научная и практическая значимость. Выполненные в диссертации исследования направлены на создание теоретической основы механизмов формирования мелкомасштабных ионосферных неоднородностей, возникающих при протекании магнитосферных токов и распространении атмосферных волн через плазму ионосферы при активизации геомагнитных, метеорологических или сейсмических процессов.

Полученные теоретические результаты позволяют объяснить ведущую роль тонкой структуры продольных токов в ряде основных авроральных процессов, выяснить механизмы формирования неоднородностей различных типов, возникающих при протекании поперечных токов в высокоширотной и среднеширотной ионосфере и предсказать их характерные особенности, рассмотреть трансформацию интенсивного акустического импульса в плазменные возмущения, распространяющиеся в магнитосферу, учесть реальные условия взаимодействия внутренних волн с ионосферой, а также могут быть применены для решения практических задач совершенствования электромагнитных методов контроля и дискриминации подземных ядерных взрывов, предупреждения о сейсмической и экологической опасности.

Личный вклад автора. В монографиях "Физические явления в дневных полярных каспах" (совместно с Пудовкиным М.И., Клейменовой Н.Г., Троицкой В.А.) и "Ионосферные предвестники землетрясений" (совместно с Липеровским В.А., Похотеловым O.A.) автором написаны по две главы в каждой из монографий. В работах с соавторами вклад автора паритетный.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Диссипация интенсивного продольного тока в авроральной области (при развитой электростатической ионно-цикпотронной или ионно-звуковой неустойчивостях) сопровождается его расслоением (вследствие тепловой неустойчивости), частичным замыканием и формированием электростатических скачков на неоднородных границах токовых слоев, причем предельный уровень турбулентной энергии и продольный градиент электронной температуры в магнитосфере определяются тонкой структурой тока.

2. При выполнении определенных условий в авроральном электроджете развитие электронной термодиффузионной неустойчивости и возникновение сильных разрывов при сверхзвуковом движении замагниченной плазмы являются основными механизмами формирования неоднородностей, приводящих к наблюдаемым

радиоотражениям; на средних широтах в спорадических электроджетах условием развития Фарлей-Бунемановской и градиентно-дрейфовой неустойчивостей является генерация достаточно сильных поляризационных электрических полей.

3. Нелинейный отклик нижней ионосферы на воздействие интенсивных акустических волн сопровождается сжатием фоновых неоднородностей, перестройкой диссипативной области их спектра, генерацией мощного импульса продольного тока и развитием ряда низкочастотных плазменных неустойчивостей в магнитосфере.

4. Распространение внутренних гравитационных волн в сжимаемой неоднородной атмосфере характеризуется нелинейной генерацией гармоник, а при определенных условиях - фокусировкой и диссипативными эффектами, которые могут приводить, соответственно, к нелинейному отклику ионосферы и развитию вертикальной структуры крупномасштабных ионосферных неоднородностей.

Краткое содержание диссертации

В первой главе рассмотрены вопросы аномальной диссипации интенсивного продольного тока и формирование неоднородностей в полярной верхней ионосфере.

При передаче энергии от магнитосферы к ионосфере посредством продольных и замыкающих их поперечных токов, локализованных в авроральной зоне, определяющим процессом является такая перестройка ионосферной плазмы, которая позволяет ей проводить большой ток, требуемый внешними условиями. Согласно измерениям на высотах ~Re (Mozer et al., 1980), плотность продольного тока настолько интенсивна, что возбуждается ряд неустойчивостей, и прежде всего неустойчивость с наименьшим порогом - электростатическая ионно-циклотронная (ЕЮ). Эффективный нагрев ЕЮ-волнами ионов (в основном поперек геомагнитного поля) позволяет ввести ионные температуры, соответствующие продольной и поперечной степеням свободы. Поскольку неустойчивость развивается только если токовая

скорость u>ucr, а критическая скорость ucr пропорциональна поперечной температуре ионов Ту. , то с ростом поперечной температуры имеем ucr-» и, и неустойчивость

Информация о работе

Шалимов, Сергей Львович
доктора физико-математических наук
Москва, 1998
ВАК 04.00.23

Диссертация

Ионосферные неоднородности, инициированные интенсивными магнитосферными токами и атмосферными волнами - тема диссертации по геологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы