Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Плазменные возмущения при изменении энергичных частиц в ионосфере

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Плазменные возмущения при изменении энергичных частиц в ионосфере"

,0 4 9 I

РОССИЙСКАЯ ЛКАДЕ'<7Л ИЛУТ! ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО ИАГШТУЕМА, ИОНОС0ЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

На правах рукопкс:: УДК 550.388

РУЖИ Юруй Яковлевич

I№3?.EHIÍb¡E E03ÍOT¡EHy'Jí ПРИ ШГ£ЩЛИ ЭНЕРГ/ЧНКХ ЧАСТИЦ В КОНОСОЕРЕ

04.СО.22 - геофтезкка

Автореферат диссертации на соксканкй ученой степени доктора фтагасо-узтематкческгсс наук

Мостсч.з IЯРл

Работа выполнила в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской Академии Наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Г.О.ИВАНОВ-ХОЛОДНЫЙ

доктор физико-математических наук профессор Н.П.КОЦАРЕНКО

чхен-корреепондент РАН профессор К.Н.ШАМШЕВ

Ведущая организация: Институт космических исследований Российской Академии наук

Защига состоится "<28 " апреля ТЯ92 г. в /4"_час.

на ¡заседании Специализированного совета Д. 002 уы. 01 при Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН

Адрес: 142092, г. Ттакцк, Московской обл., ИЗМИРАН Приезд: метро ст. Тегашй Стан, автобус № 531, остановка ЮМИРАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КЯЧИРАН Автореферат разослан "¿У" МО/Ь/ггд г.

Ученый секретарь Специализированного совета пш ИЗМИРАН

кандидат физико-математических наук

о.п.коломгашЕв

: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

■ /, Диссертация посвящена экспериментальному исследованию плазменных возмущений, возникающих при искусственной инюкции энергичных частиц в ионосферу, которые позволяют иммиткровать и инициировать природные явления в околоземной среде, например, в периода магнитосферных суббурь.

Актуальность проблемы. Эксперименты с использованием инжекции в ионосферную и магнктосфорную плазму искусственных пупсов и плазменных образований открывают больше* возможности в диагностике околоземной плазмы. Так, искусственные плазменные образования являются своеобразным зондом при трассировании магнитных и электрических полей, ветров и дрейфов в ионосфере и магнитосфера.

Не менее важными и актуальными являются иммитация и инициирование возмущений п ионосфере и магнитосфере дгя решения ряда ключевых проблем физики околоземного пространства, таких, например, как механизмы магнитосферных суййурь.

В ходе решения этих проблем возникает чисто практическая задача создания средств активного воздействия (ишокторов) и "управляемости", т.е. определения и измерения всех основных параметров среды, целенаправленного изучения характеристик самих пучков инжектируемых частиц, гарантирующих чистоту экспериментов.

Кроме того, некоторые теоретические 'аспекты требовали экспериментального подтверждения и проверю!. Так, результаты первых экспериментов с кумулятивной инжекцкей в ионосфере по измерению электрических полей по движению облаков бариевой плазмы, образугсщихся после торможения кумулятивной струи, показа.™, что существующий критерий применимости бариевых облаков (малость возмущения) ^ля измерения электрических полей является веточным и для его коррекции необходимо учитывать механизм "короткого замыкания" при расттлыванкм нооднороднос.те$| в ионосфера. Этот же механик оказался существенны» при инжекции квазинейтральиых плазменных пучков в слабоионизоранкой ионосферной шазке: деполяризация пучков касту пает практически мгновенно благодаря токам замыкания по фоновой плазме.

В экспериментах с шшекцией пучков энергичных электронов возникла необходимость детального изучения процессов в околпракетной области. Были обнаружены излучоккя в оптическом и р.-;;г/п;уапазпил'Х частот, воюккящнв в палас™ окало ракета н жя/шггы яжвяскк» и сушрсг.впнныо нозмущглг/я среды пошрек теомлпг/тногп поля там,

заведомо инжектируемый пучок не попадал.

Стало очевидным, что в околоракатной области происходят процессы, которые ранее йз были привиты во внимание, а условия проведения эксперимента оказались далекими от предполагавшихся ранее. Т.е. понятие "управляемое воздействие" теряло смысл, если не были известны конечные характеристики пучка, покинувшего область инжекции, например, такие, как направление инжекции, величина потока, анергия частиц, а возмоиность разрядных механизмов в области инжекции также способствовала неопределенности в конечных характеристиках пучка и мфужаицвй среда. Оказалось, что только после целенаправленного изучения плазманных процессов, происходящих в области инжекщит-. имеется возможность корректного исследования процессов, происходящих на значите.шшх расстояниях от области воздействия.

Проведенные автором исследования посвящены именно этому актуальному кругу проблэм: экспериментальному исследованию плазменных возмущений, возникающих в магнитосфере и ионосфере при искусственных инжекциях пучков различного тала, как в области воздействия, так и на значительных расстояниях о-1- него.

Цель работы заключается:

1. В комплексном экспериментальном исследовании эффектов кумулятивной инжекции бария в нижней ионосфере, исследовании эволюции генерируемых плазменных возмущений и возможности стимулирования высыпания электронов внутреннего радиационного пояса, а также в разработка и создании инструмента аффективных кумулятивных инжекторов бария.

2. В исследовании процессов, сопровождающих инжекцию плазменных пучков, в построении качественной модели электродинамической структуры возмуиэнкя в ионосферной плазма, включая механизм "короткого замыкания*' и остывания исходного пучка.

3. В исследовании высокочастотного радиоизлучения и вазмувдэния плазмы вблизи ракеты, вызываемых инжекциай электронного пучка в ионосферу, и создании на основе этого модели взаимодействия пучка с ионосферной плазмой в околоракетной области.

Научная новизна работы. Получено экспериментальное подтверждение современной теории эволюции плазменных неоднородиостей и •количественные характеристики явления "короткого замыкания", возникавшего как при генерации плотных плазменных сгустков <при помощи кумулятивной инжекции паров бария), так и при распространении пучков кзазшгийтральног плазмы поперек геомагнитного поля. Создана методика

корректной диагностики параметров ионосферной плазмы методом искусственно« инжекцш плазменных образований.

Впервые дано объяснение значительных искажений токами по слабой фоновой плазме поляризационных полей, возникающих при искусственной инжекции плазменных пучков. На основе анализа экспериментальных данных определено распределение токов и электрических полей. Построена теоретическая модель распределения токов и полей, учитываю1цая влияние механизма "короткого замыкания" токов. Обнаружено и объяснено интенсивное адиабатическое остывание инжектируемого пучка вблизи инжектора.

Впервые рассмотрена задача о генерации МГД-возмущения при кумулятивной инжекции в динамо-области ионосферы и получено объяснение обнаруженных автором квазипериодических высыпаний энергичных частиц радиационного пояса, стимулированных кумулятивным взрывом в ионосфере.

Доказана возможность локального ослабления потоков субрелятивистских электронов при инжекции плазменных пучков в ионосфере и дано объяснение смещением их точек магнитного отражения полями, генерируемыми при инжекции.

Впервые детально исследованы спектр и динамические характеркста-ки высокочастотного радиоизлучения, возникающего при инжекции электронного пучка в ионосферу, что позволило выяснить основные физические процессы, ответственные за это радиоизлучение. Получена зависимость спектра излучения от высоты, питч-угла и фазы кнжекции. Показано, 'что источник радиоизлучения локализован в околоракетной области. Определена эффективность трансформации энергии пучка в радиоизлучение.

На основе анализа результатов четв1рех ракетных экспериментов с инжекцией пучка электронов в ионосферу изучено возмущение плазмы в околоранетной области, вызываемое инжекцией, по комплексу данных наблюдений высокочастотного радиоизлучения, свечения околоракетной области, отражения радиоволн от околоракетной области и радиопросвечивания о помощью бортового телеметрического передатчика.

Впервые показано, чте в рамках столкковителъного взаимодействия электронов пучка с нейтральной компонентной ионосферы нельзя объяснить основные свойства возмущения плазмы. Построена модель пучково-пллзионного разряда в околоракот ной области для широкого диапазона высот и питч-углов игтекттии. Определены параметры сазрядг ч зависимости от параметров пучка и коип.ентрап;;/ неятральгого гя:',й.

Показано, что основные экспериментальные закономерности комплекса явлений вблизи ракеты находят объяснение в рамках модели пучково-плазменного разряда в околоракетной области, что является существенным в1иадом в дальнейшее развитие теории взаимодействий потоков высыпающихся электронов с авроральной ионосферой во время магнитосферных возмущений.

Степень достоверности. Достоверность полученных результатов определяется тем, что на основе комплексного анализа экспериментальных данных разнородных измерений (оптических, радкофиаичеяких, зоядовых) созданы моде.ли различных типов плазменных возмущений, и подкрепляется детальным сопоставлением с теоретическими представлениями. Так например, в рамках предложенной модели пучково-плазменного разряда удается свести в единую картину практически веч; совокупность экспериментальных данных е полученных в нескольких ракетных оксперимонтах типа "Заршца" и "Араке" для различных гелиогеофизических условия. Ряд результатов был впоследствии подтвержден в работах других авторов. Некоторые прикладные аспекты диссертации защищены в в.цр изобретений, большинство из которых успешно внедрены в ИБМИРАН и других организациях.

¡la защиту выносятся следующие основные положит« :

1. На основе разработанных устройств для искусственной яшкясции развита методика исследований плазменных возмущений и разработан способ диагностики параметров ионосферы с помощью экспериментов с кумулятивной иннокцивй„

2. Обнаруженные в экспериментах с кумулятивной штекцкзй в ионосфера периодический усиления высыпания энергичных частиц радиадшнногт. пояса вызваны альфвеновакой волной, рлзбунщаемой икюкциоь и распространяющейся из • области генерации Одогяа-оЗласхя ионосферы) ¡5 силовую трубку кагиктосфорл.

3. На основе экснйрккентог. с инизкцкей бариевых струй ?<; плазменных пучков показала ключевая роль в динамшю искусствзвныл пяааконвш. образований эффекта "короткого замыкания" п(шршщ:онш.:.ч пеша токами фоновой гаазли

4. Обнаруженные в йкспзрже.птах есрии "КОШТ <с квазипродашюй «юогошвй пл.7ткы~: плаиг.схтя щчков): гаггонсивяьк! шжнзгкбрхщны:; каяобшшя агазш в ионосфера; потоки «шгаггеюювмх элвгсгронш; г, гх>~> пучка к вне; <зно1Шкк радиоэхо гаклктсруекых пучков виавш* профссаш: в нот tojcob "короткого замыкания"» гевпраруег&л.

инжекцией.

5. Обнаруженное а экспериментах с инжекцией плазменных пучков локальное ослабление потоков субрелятивистских электронов объясняется смещением их точек магнитного отражения к экваториальной плоскости силовой трубки полями, генерируемыми при инжекции.

в. Параметры возмутрния ионосферы в области вблизи инжектора энергичных электронов, определенные с помощью' наземного широкополосного приема радиоизлучения, радиопросвечивания с помощью йорггового передатчика, огггических и радиолокационных установок в экспериментах "Араке" и "Зарница" не могут быть объяснены в рамках столкновительного взаимодействия инжектируемых электронов с верхней атмосферой.

7. Комплекс данных бортовых и наземных измерений в экспериментах с инжекциэй электронных пучков в ионосфере находит объяснение в рамках построенной модели пучково-плазменного разряда в пколоракетной области.

Научная и практическая значимость работы. В работе представлены результаты решения взккой научной задачи: исследование околоземного космического пространства -методом активного эксперимента с инжекцией энергичных частиц. Показана приоритетная, раль слабой фоновой плазмы в эволюции сильных ионосферных неодаородностей (плазменный сгусток при кумулятивной инжекции и квазинейтральная плазменная струя). Полеченное экспериментальное подтверждение ключевой роли механизма "короткого замыкания" имеет принципиально важное значение как для процессов расплывания ионосферных неодаородностей, так и для корректного определения измеряемых электрических полой, взгров и их вариаций. Уточнен критерий применимости бариевых облаков для измерений в ионосфере, что дзет возможность повысить точность пиаптостшш основных параметров ионосферы.

На основе обнаруженного и исследованного явления стимуляции кумулятивной инжекцией квазипзриодичсских высыпаний энергичных частиц яз радиационного пояса создана модель генерации МГД-Еозмущений кумулятивной инжекцией в динамо-области ионосферы, что имеет важное .тримененке для исследования источников естественных пульсаций в тотоке высыпающихся электронов на средних широтах.

Автором выполнено обобщение комплекса эксперимоетал1>ных данных, зввдетсльствую'щгтх о сильном коллективном взаимодействии иижектару;ж;х электронных пучков с конизоватюй компонентой плазмы, результатов 1йго стало сиздяняз теории пучково-шгзкеншюгп рлзляда в

околоракетной области (0Р0). Изучение процессов в ОРО„ ответственных за возмущение ионосферной плазмы во время инжекцш, дало возможность выявления подобных процессов в природных условиях (в авроральной зоне). Результаты имеют достаточно общий характер, что следует из успешного сопоставления данных многих экспериментов с моделью, и они могут найти приложеше душ широкого круга задач физики плазменной оболочки Земли и физики лабораторной плазмы,

Реализация результатов. Работа представляет собой комплексное исследование физических процессов, сопровождающих инжекциш искусственных пучков энергичных частшд в слабоионизованную ионосферную плазму. Задача дальнейших исследований с искусственными инжзкцинми состоит в первую очередь в проведении более детальных ощювремешгых измерений на борггу нескольких космических аппаратов в различных гелиогеофизичаских условиях, что позволит провести поиск резонансных условий, дая эффективного пучково-плазменного взаимодействия, как это запланировано в рамках проекта "А1ТЭКС".

Созданная серия кумулятивных ускорителей и модель генерации (при их помощи) импуяьсных Мгд-цозмущений позволяет реа.шзовать ряд экспершегггев по убавлению некотором глобальными ионосферно-магни-тосферкыми процессами (высыпанипм захваченных частиц, магнитосферноа суббурей), а при соответствующем развитии средств инжекции и диагностики - для глубинного зондирования Земли.

Следующий важный шаг состоит в оценке антропогенного фастора слабого воздействия на глобальные ионосфврно-магшггосфзрные процессы аналогов активных эксперт лентоз с искусственной инжикцией, например„ плазменных и других дпига гелей космических объектов.

Разработанные средства икжйкции и диагностики, развитая методика проведения акешриызнтов с искусственной инжкщей найдут применение б будущих акташшх экспериментах, и частности, б рамках спутникового проекта М13КС, реализуемого по программа Совета "Ишеркосмос".

Полученные рэзультаты могут быть использованы в научных учреждениях РАН, где проводятся фундаментальные исследования плазконно-пучковых взаккодийствий в космической и лабораторной плазме. Кроме того, результаты диссертагдиодшой работы могут найте прииаионио в учреждениях Госкомщцромета и в отраслевых институтах, занимащихся физиков конос^рпо-йзпш-осфэрапдс процессов, воирорами радиосвязи и диагностики ионосферы.

Личный вклад автора. Все результаты, излошнвие в дассоргацдл, подучены ¿втором либо самостоятельно, либо при его непосредственном

участии. Из работ, в которых он участвовал в качестве соавтора, з диссертацию вошли только те результаты, в получении которых автор принимал непосредственное творческое участие на всех этапах работы.

Фактически большая часть работ по исследованию возмущений в ионосфере при кумулятивной инжекции бария выполнялась в рамках поставленной автором задачи: комплексное экспериментальное исследование эффектов применения высокоскоростной струи пэров бария п нижней ионосфере и возможности стимулирования высыпания электронов внутреннего радиационного пояса.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международных симпозиумах по активным экспериментам (Тулуза, 1878; Боулдер, 1978), советстко-фратщузских семинарах по эксперименту "ЛРАКС" (Троицк, 1975; Ленинград, 197й; Москва, 1877; Таллин, 1970), симпозиуме КАПГ по солнечно-земной физике (Ашхабад, 1979), 8-ом Европейском симпозиуме по явлениям в ионизованных газах (Минск, 198Т)0 5-ом Международном симпозиуме по физике ионосферы и магнитосферы (Львов, 1283), Международном симпозиуме "Активные эксперименты в космосе" • (Альпйах, 1983), Международном симпозиума "Модификация ионосфэры мощным радиоизлучением" (Суздаль, 1986), Всесоюзной конференции по физике авроральной ионосферы (Мурманск, 1979), 1в-ом Международном симпозиуме по ударным трубам и волнам (Аахсн, 1987)в Международном симпозиуме по пиротехнике и взрывам (Пекин, 1907), 16-й Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Харьков, I29Q), 23, 23 , 27 и 28 пленарных заседаниях КОСПАР (Будапешт, 1980; Тулуза, 1988; Хельсинки, 1983; Гаага, 1990), а также на научных конференциях и семинарах ИЗМИРАН, ИКИ, ИАЭ им. Курчатова, КГУ, ЛГУ, ИПГ Госкомгидрокета.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, тести глав и заключения. Она содержит 386 страниц машинописного текста, включая рисунков и список литературы из наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика научного направления, сформулированы црли работы, приводятся сведения о структуре диссертации, ее краткое содержание, показаны актуальность, научная новизна и практическая иэкиость работы, перечислены основные положения, выносимые. на защиту.

- И) -

В первой глава определены научные задачи экспериментов с кумулятивной инжекцией бария в пикшей (динамо-области) ионосфере, рассмотрены особенности создания технических средств и методики диагностики для искусственной инжекции высокоскоростных струй и возмущений, сопровождающих инжекцию.

В первом параграфе проведен анализ научных задач, технических и методических особенностей экспериментов с инжекцией паров бария в верхних слоях атмосферы. Один лз этапов развития экспериментов связан о использования ионизованных облаков в качестве зонда для

изучения ионосферных и мапштосфорных электрических полей к геомагнитного поля. Наиболее подходящим химическим эле^нтом для сойдания ионизованных облаков является барий. Он легко испаряется уже при температуре ~ 2000* к, время фотоионизации солнечной радиацией ~ 20 с, нэиЗо.лсе яркие линии (для резонансного рассеяния солнечного излучении ) нейтрального (х = озза Â) и ионизованного (х£ - 4534 А. \3 «- 4934 Ъ бария лежат в видимой облает. ешктра.

В последнее время для испарения бария используют кумулятивные заряда. Под действием ударной волны, генерируемой зарядом взрывчатого воинства, металлический барий частично испаряется и ускоряется до больших скоростей (более 10 км/с). Кумулятивные заряда обладают высокой эффективностью преобразования энергии взрыва б кинетическую энергию струи. Выпуск бариааыг струй со скоростями, превышающими горную космически, iwogt ряд преимуществ перед термически инжектированными облаками. На примере эксперимента "Поркупайн" показано, что бариевая струя, выпущенная параллельно геомагнитной линии выше В00 км, где торможением на остаточной атмосфере можно пренебречь, фотоионизуется и может, двигаясь вдоль силсооя линии, уйти далеко в магнитосферу, высвочипан на всем цуга топологию "чгнитных и электрических полей..

Измерение электрических полей и нейтральных ветров являлось основной задачей экспериментов с инжекцией бария в ионосфера. В методе измерений, основанном на анализе движения ионизованных бариевых облаков, электрическое поло È , перпендикулярное вектору магнитного поля S обычно определится выражением:

« с 1/с5С§ х Û э el.ID

Наблюдая движонш облаков Ьл и, следовательно, зная величину

• поперечной скорости ионизованного облака можно подучит]! величину

"-й . Критерием применимости (1.1) д?1я определения й япляется 1 ^ . +

; требование малости возмушрния проводимости, создаваемого ооляком ва в ионосфере, у, обычно выражается соотношением для прогатетрированшх вдоль силовой линии Педврсеновских прпводкмостей силовой трубки, занятой облаком, и окружаюшрй ионосферы:

2°бл < гиои а.гэ

р р

Инжекция бария может использоваться для создания контролируемого возмущения среды. В этом плане получено мало экспериментальных результатов, но имеется большое количество теоретических по возбуждению электромагнитных колебаний в магнитосфере с шмош.ыл плазменных струй и стимулированному высыпанию частиц из радиационных поясов.

Проведенный в этом параграфе ана.яиз результатов экспериментов « инжекцией показал, что эти эксперименты является эффективным средством исследования различных процессов в околоземном космическом пространстве. Наблюдения 'за искусственными ионизованными облаками в ионосфере позволяют изучать электрические поля и нейтральные ветры. Использование кумулятивных зарядов позволяет проводить исследования топологии силовых линий геомаглипюго поля, продольных электрических полей. Инжекция бария может использоваться для создания активного воздействия на среду с целые стимулирования геофизических явлений (высыпание энергичных частиц).

Вместе с тем, несмотря на широкое использование бариевых облаков для измерения электрических полей в ионосфере, остается неясности н обосновании этого метода. Как показали теоретические исследования, диффузия плазмы в магнитном поле не всегда является анбшоляркой. Вихревые токи частиц существенно усложняет картину явлений и оказываются одним из основных процессов, определяющих скорость эволюции бариевых облаков: Т.е. существует более быстрый механизм "короткого замыкания" по фоноьод ялззуо, когда инжектированные а плазму электроны даффупдируют «дал, ¡.'.лгк'.ггнот о поли, иоям ■ иотрех ноля, а квазишйтпалыюсть обеспечивается за счет ппо покатая гчкоъ и образования облжпей обеднения .|0!?гтг>й гдазул. Пшмлг,;.' у,.лц ппстрпспл! ппслсдетягслыгог: тспрлж .г/фпу;-. :и и кви^.к"«» у.егчз-»»«».-»»'.'«

п -,;онпа;>оре ;югч*;хпджг) дл.;,ьне*\!!ео пгю,чц"и плотыя г.бла;а:п. С п'у-

кумулятивной иниюкции бария является более эффективным по сравнению с термической инжкцисй.

В итоге, на основе проведенного анализа показано, что с одной стороны, существовали неясности в корректном определении параметров ионосферной плазмы 'при измерении нейтральных ветров и электрических полей, а, с другой стороны, кумулятивная шшекцил в а" использовались только длн трассирования электрических и магнитных полей на больших высотах (больше 500 км). Кроме того, возмущения в ионосфере, вызванные инжекцивй, в осног.^о;.:, исслвдовались при помощи термитных генераторов (инжекторов бария). Эти генераторы не могли обеспечить столкновителъную ионизации, так как скорости иниазкгируемых частиц были значительно пике критических.

Таким образом, обосновано, что применяя кумулятивную инжегадаю в нижних слоях ионос4>еры (динамо-области), мокшо создазать плазменные неоднородности с другими физическим свойствами, в частности, высокой плотности, значительно превышающей фоновую, и вытянутые вдоль напрапл-шия иняякции, при атом с различными градиентами концентрации вдоль и поперек созданное плазменной неоднородности. Кроме того, показано, что применение кумулятивных инжекторов, благодаря высокой направлглпюа энергии инжектируемого материала, дает возможность генерировать возмущение нового типа - волнового.

Созданные таким образом плазменный неоднородности с необычными параметрами давали преимущество для проверки корректности применяемых критериев для определения характерных стадий релаксации неоднородностей ь плазма при измерении электрических полой и дрейфов н ионосфере.

В иго]о, научныо задачи экспериментов серии "Сполох" (с кумулятивной инлокцией в нижъеь иокоа'ярэ) сформированы следующим образом:

1. Комплексное изучение процесса paзJieтй и динамики торможения кумулятивны* струй при взаимодействии с остаточной атмосферой. Определений параметров куму личинных струй и инжекторов.

2. Исследование геофизических явлений, вызнанных кумулятивной иншкцией бария в нижней ионосфере.

3. Корректное измерение электрических полей и ветров в ионосфере. Изучение диффузии ионизованной и нейтральной компонент плазменного образования.

Во втором параграфа этой главы, исходя из целей экспериментов по исследовании околоземного космического пространства, сформулированы

основные требования к инжекторам. Определены основные параметры кумулятивных зарядов, от которых зависят эффективность испарения, эффективность преобразования энергии взрыва в кинетическую энергию струи, скорость струи. На этой основе была разработана конструкция кумулятивного инжектора конической геометрии с г« = зоЪ. Приведены основные параметры кумулятивной струи, создаваемой таким инжектором. Отмечены недостатки конической конструкции.

Проанализированы результаты исследований по кумуляции в зарядах с цилиндрическими выемками. Показана принципиальная возможность создания эффективных кумулятивных инжекторов для выброса струй с большой массой на основе ячеистой конструкции. В результате разработана и рзализована ячеистая конструкция кумулятивного штектора, обладающая лучшими параметрами по сравнению с конической конструкцией: более высокой фронтальной скоростью струи до 17 км/с, высокой эффективностью испарения (8-12 %), более высоким коэффициентом превращения энергии взрыва в кинетическую энергию струи (до 40 %), малым градиентом скорости вдоль струи. Рассмотрена конструкция концентрического инжектора, позволяющего существенно повысить пффеютдвность использования энергии взрыва ВВ для испарения и ускорен™ материала вкладапзй.

Приведе1Ш основные характеристики разработанного бортового измерительного комплекса для натурных измерений параметров кумулятивной струи и вызванных ею возмущений в ионосфере. Определена методика проведения измерений, в соответствии с. которой разработана конструкция отделяемого контейнера с кумулятивным инжектором и автономной системой управления. Разработана система отстрела и стабилизации, обеспечивающая отделение контейнера в определенном направлении. Определены задачи наземных оптических и радиолокатронных наблюдений з экспериментах и необходимость организагии сети наземных оптических средств для наблюдения явлений, вызванных кумулятивной инжекцкей барин в ионосфере. Обоснованы требования к оптической и радиофизической аппаратуре; использованной в экспериментах "Сполох".

Во второй главе исследованы плазменные возмущения, вызываемые торможением кумулятивных струй ч ионосфере.

Изучение явлений в ионосфере на стадии торможения кумулятивной струи необходимо было для построения модели дмжпкн струи з иоипсЗйрв, отглпеи параметров куму.лкгив,?ых ижнгшч'р.'В, з таска укяялг.кия г»рстакг/з использования катода кумулятивно? "/нч^кц/.п р. актитг'-.-'х зкетг.рлмкггяж. В частности, йг.лътй жир.:"

изучение возбуждения магнотогидроданамических колебаний с помощью кумулятивной инжекции с целью стимулирования геофизических явлений (высыпания энергичных частиц, например).

В первом параграфе по радиолокационным и оптическим измерениям проведен анализ явлелгй, происходящих в первые секунды после инжекции (начальная стада). В эксперименте "Сполох-1" в течение первых двух секунд отраженный сигнал ?ЛС на частоте 33 МГц соответствовал линейным размерам области отражения в несколько километров. Получены оценки эффективной отражающей поверхности о для различных моментов регистрации. Так на 20-й секунде = 1.20-ю0 м2, а электронная плотность пе в области отражения 1.4-ю' см"" > п& > о.З'Ю0 ск_3.

Показано, что наблюдавшееся увеличение дальности до цели связано с перемещающейся ионизованной областью, которая совпадает с головной частью куиу.яятивной струи. Сопоставление данных РЛС с результатами фотометрических измерений на спектральной линии ионизованного бария С*. = 4334 к> подтверждает выводы о том, чго в первые секунды после инжекции за счет интенсивной столкновктельной ионизации бария при торможении кумулятивной струи образуется сгусток плотной плазмы с концентрацией » 1.4-ю7 см-3.

По результатам оптических измерений высокочувствительными телевизионными установками с хорошим временным разрешением (200 мс) установлено, что сферическое облако бария в течешь 2+3 секунд достигло максимальных размеров (диаметр < 10 км). На его фоне . зарегистрирован быстро раширяющийся ореол. Показано, что скорость его расширения сверхзвуковая, ширина светящегося кольца - 1+3 км, объемная светимость на 5-й секунде достигала э-ю4 с.м"3. Наибольший зарегистрированный (на 10 с) диаметр ореола превышал 50 км. Обнаружено, чго минима.льная скорость расширения ореола близка по величине к альфвеновскоа, вычисляемой по формуле: уд ^ во-С4прэ"1/е, где р - плотность нейтральной компоненты атмосферы на высоте инжекции.

Структура самой кумулятивной струи подробно исследована в ракетном эксперименте "Сполох-2". Методически эксшримвнт организован таким образом, что до апогея проаодались измерения параметров невозмущенной ионосферы всеми прибора»! борггового диагностического комплекса. Ускоритель был удален от ракеты на расстояние > I км и кумулятивный взрыв произведен в апогее в направлении диагностического комплекса. В этом эксперименте впервые правздены прямые измерения параметров кумулятивной струи, и вызванных инспекцией возмущений в

ионосфере.

До инжекции зарегистрирован обычный ход нейтрального и ионного состава ионосферы. Анализ структурных особенностей распределения суммарной ся^э концентрации ионов и нейтральных состакляющих струи и ионосферы в области возмущения показал хорошее соответствие результатам наземных измерений и лабораторных исследований. Taie моменту прохождения ударной волны на фронте кумулятивной струи соответствует узкая область (длительность < 50 тс) с концентрацией ионов zn » ю' см-3. За ударной волной зарегистрирована разрежештая область с сильной нестационарностыо, которая переходит в зону плазмы повышенной концентрации ~ i.z-ю7 см-3. Высокое значений плотности плазмы на фронте возмущения регистрировалось на протяжении 1,2-1,5 с.

Анализ вольтамперных характеристик зонда Ленгмюра, полученных в

это же время, показал, что распределение электронов по энергиям можно

в первом приближении считать максвелловским с температурой тр > вооо"

к. Абсолютная концентрация ионов бария во фронтальной области

+ s —ч д -ч

возмущения лева э » ю см а в тыловой части: ю -ю см .

Зарегистрированный на спектре масс-пик ионов Ва+ сдвинут п сторону

легких масс. Подобный ' сдвиг, согласно теории мзсс-анализатора,

означает, что ионы Ва+ имеют скорость 1-3 км/с.

Обнаружено, что конный состав возмущенной области в ионосфере имеет весьма сложный характер. Значительное увеличение en^ , наблюдаемое в эксперименте, обусловлено преимущественно иоиами струи и, в меньшей степени, ионами молекул азота м*, образующимися в результате отолкновительной ионизации. Концентрация основных атмосферных ионов в области возмушрния, наоборот, уменьшается и составляет ю~4-ю~3 от суммарной концентрации ионов.

Наблюдаемое приращение давления нейтральных составляющих в области возмущения обусловлено столкковительной ионизацией атомов Вл при торможении струи в ионосфере. При предположении, что на фронте возмущения nCBa+j - xn^ , степень столчнови*. ильной ионизации Ва достигает 0,1, что согласуется с данными спектрографа в наземных наблюдениях.

Лдя анализа торможения кумулятивной струи в ионосфера нами применена известная модель "снежного п.луга", которая предполагает, что при разлете продуктов взрыва в рязргакотгай среде масса окружаете» атмосферы захватываемся возмущенной облао гью.

Анализ автомодельного ркюшш Стюарга зад;-:-и: о разле.тг. г^гаукгоа взрыва для случая сферической си-тегрии прпплжн с. учетом рг.г«ль".1т

параметров экспериментов "Сполох" (энергия взрыва Е = е.а-ю Дж, параметр, характеризующий распределение массы газа в расширяющемся

р о

облаке о =■ 1, р - плотность атмосферы о - е.а-ю кГ/м ). Получены выражения зависимости радиуса облака (струи) и скорости разлета от времени, согласно которым ¿труя, достигая ракеты, уже затормозится до 5+8 км/с, а через I с после взрыва скорость струи должна уменьшаться до 1-1,6 км/с, что и наблюдалось прямыми бортовыми измерениями. В согласии с моделью находится наблюдаемый в эксперименте "Сполох-2" эффект "сгребания" ионосферное плазмы при распространении струи в ионосфере, приводящий к образованию тонкого слоя плазмы повышенной концентрации на фронте возмущения. Недавно, в аналогичном эксперимента "КОМБИ-БАРИЙ" (1Я88 г.), эти результаты были поДгверндйны.

Кумулятивный взрга был произведен на расстоянии всего 50 ы от .диагностического комплекса, который сразу же оказался в центре полости, откуда плазма бы.ла выметена практически полностью. В соответствии с программой эксперимента ракета с диагностикой затем прошла оболочку плазмы. Измеренная толщина оболочки составляла 1-2 тем, а концентрация плазмы в ней на порядок превышала фоновую ионосферную. Результаты подучены независимо при помогай зонда Лангмюра бортового комплекса и рассеяния УКВ сигнала на оболочке по наземным измерениям (проверялась модель рассеяния СВЧ сигналов геостационарных спутников на плазменных пузырях экваториальной ионосферы);

Во втором параграфа проведены исследования явления стимулированного высыпания захваченных электронов внутреннего радиационного пояса. Измерения потоков высыпающихся частиц с энергиями е > 40 кэВ производились с помощью счетчика Гейгера с 80 с до 315 с полета ракеты (эксперимент "Сполох-2"). При анализе данных измерений обнаружено резкое увеличение потока электронов ~ 30 2 в течение 5 с после взрыва кумулятивного заряда и последующие слабые квазитвриодические высыпания. Исходная запись характеризуется взрыла высоким уровнем шума, поэтому в основу дальнейшего анализа положено предварительное сглаживание временного ряда с последующим расчетом выборочных спектров мощности сглаженных значений, что эквивалентно фильтрации данных по низкой частота.

Сравнение результатов до подрыва (временной ряд, полученный на восходящей вятвд траектории до апогея) и посла выявило (после взрыва) наличие пульсаций высыпающихся потоков с частотой ^ 0,1 Гц (дяите.яь-ность высыпаний - 100 с). Прлаапенго отработанной методики к данным

эксперимента "Фейерверк" (1973 г.), где также после апогея производилась искусственная инжекция, но более слабым источником (электрический разряд мощностью - ТОО Вт), а наблюдения высыпаний проведены наземными высокочувствительными фотометрами, дало тот же результат: до апогея (до искусственной инжекции) спектр гладкий, после включения генератора плазмы появляется пик в районе ~ 0,Т Гц.

На основе этого, и учитывал конкретные условия • экспериментов (средние широты, параметр Мак-Илвайна и ~ г), проанализирована возможная причина стимулированного квазипериодического высыпания захваченных электронов - возбуждение альфвеновстсих колебаний взрывом. Период пульсаций потока высыпающихся частиц определяется, в зтом случае, временем распространения альфвеновстсих колебаний между магнитно-сопряженными точками ионосферы южного и северного полушарий.

Косвенное подтверждение связи пульсаций потоков электронов к альфвеновскими колебаниями, захваченными в силовой трубке, было получопо при анализе естественных флуктуацкй потоков энергичных частиц по результатам 10 ракетных экспериментов, провиденных на тех ¡¡:е широтах (измерения проводились с помощью счетчиков Гейгера). Обнаружено, что в невозмущэнных условиях в природа т;а средни широтах существуют заметно выраженные пульсирующие потоки высыпающихся электронов с характерной частотой ~ 0,1 Гц и се гармониками. При этой у,:одуля1тии потоков электронов с питч-пучками 0-4.0° в невозму^нных условиях достигает 50 Ж.

В конце параграфа раскотреиы возможные механизму взаимодействия эле тронов, захваченных в магнитной силовой трубка, с альфвеновской волной и обоснована модель генерации МГД-полг.й в ионосфере расширпиадемся облаком плазмы. Получена связанная система уравнений, описывающая МГД-возмущения в неоднородной по высота ионосфере. Источник возмущешя выбран з виде токов, генерируемых в сферической оболочке, расширяющейся в магнитном поле Земли ('при этом максимально использопаны результаты, полученные в экспериментах "Сполох"):

J = т „о УУО ¡-Г сг.п

Р* г р.НС о а J J

С

где к со - ^ исъ'эт.' - радкус. облгкз; а - толщина копигюаштого

о

алия; угол о отслт.'п.тается ст папр-ниония яггнитного ла?я а ; с," _ -жп:срк%ш«ое значение годгфс:еис>вскоя (хо.п.\опс:кол) пропп;ч"'.-'.;:тн в области источника; зигкк + относятся сггатЕЕТствокио к кг.чл-нп-п ч»

и ^ .

Для конкретной модели источника найдены аналитические выражения для пространственного распределения возмущения МГД-полей в ионосфере. По.лученнь;е результаты показывают, что амплитуда генерируемой волны растет с ушличенуйм спорости расширения исо и проводимости ионизованного облака Кроме того, возникает определенная селекция по частотам в излучаемой золнв. При птом сечение -области генерации ал!ф1еновской волны радиальным током соответствует размерам облака, а для случая генерации азимут.' '.ь:-им током максимум поля достигается на расстояниях г ^ д^/Уй, пр:-т ".том альфвеновская полна генерируется весьма широкой областью г ~ а?. са~.'. - расстояние по высоте от источника до центра хо.лловского слоя). Ал1>фвеновекая волна в последнем случае является результатом линейной прансформацга на хохювсксм слое изотропно излучаемой при взрыве кагаитозвуковой волны.

Проведаны оценки для условий экспериментов "Сполох" амплитуды альфвеновской волны в области засветки холловского слоя в виде кольца, имеющего ношречны.; разкер относительно геомагнитного поля в несколько десятков километров. Это значительно прзвьшет рааипр исходного облака искусственной плазмы, полученной из оптгческп':; измерений. В заключении проведаю сопоставление модели генерации МГД-возмущений в ионосфера при кумулятивной ипк'.ешг.'п с результатам/ экспериментов "Сполох" и показано, что за светящийся сверхзвуковой ореол отвечает квазиизотропнал мяпг.ггозиуковая волна, тогда как пульсирующие высыпания - результат возбуждение соотпптстауюг^.т'о альфвеновского возмущения магнитной силовой трубки, у основания которой произведя кумулятипний взрыв.

В трать'; ¡: глав.; у.саг.идуатся :н»а:;пцин йаркзшх облако; из стадх* деф&зкк. Исходя ки особенности кукулягивнпй ршжцкм, и рвкультаи*. которой в попос^о.ро создается оолако ловок фоп;,:и {за счет процесса столкн о витольн о й ион-лзацаи) в торауа очередь выясняв гея параметр;.: «сходных шкшетш оеразонпнил. 'Гак кат; аналогов на едествонал), то ьеойходжо было, пользуясь вссл: ким^апксом шяиркийптаяьпых данных, подученных п аксперюкагоп "Сполох", ийкккмялыю точно восстановит..-разкеры кскусстненЕы:: каодаордяо<пой, кошулпрацка плазмы в них л прэечрайстгшйш • хлр&кшркегша: (оруг-лггш&тн, раополокеп;« одного относительно другого). 1$ пера;.»-, параграфа ирочедочл оценки олидаеки:' размеров плотного гиазкешюге «густы, полученного в резулы ате торможения досокоско] юста о й нумулятавной струи атомов бария на

остаточной атмосфере. Для условий экспериментов "Сполох" кинетическая энергия атомов в системе центра масс должна превышать порог ионизации бария: естолкн = § мУ2 > э.21 эВ. Это условие выполнялось при скоростях атомов бария больших - 7 км/с. При этом время ионизации будет практически определяться временем столкновения: т « тстш)кн = Стё'У'о Взяв о = З'Ю-19 см2 (сечение столкновения с

3 с ¿1

атомами и молекулами остаточной атмосферы, в основном с двухатомными партнерами), получим характерное время ионизации для скорости атомов бария 12 км/с: тион < 0,1 с. Спектральные измерения, а также данные радиолокации подтверждают сделанные предположения.

Для фотоиокизации ожидаемые поперечные размеры плотного сгустка плазмы - (5-8) км, а для ударной ионизации - 300 м. По результатам эксперимента "Сполох" размеры основного сгустка плазмы составили несколько сотен метров. На основе этого сделан вывод об ударном механизме ионизации основного ионного сгустка. Сферическое же облако пара бария состояло в основном из нейтральных атомов бария и оставалось сферически симметричным до конца наблюдений, т.е. пролрсс фотоионизации был слабым. Это достигнуто выбором момента инжекции в области терминатора: угол погружения Солнца был ~ -12". При этом поток ультрафиоле- тового излучения для фотоионизации был заметно ослаблен экранирующим слоем озона.

Подробно исследованы параметры основного сгустка и сферического облака. Получены оценки коэффициента диффузии для облака нейтрального бария для эксперимента "Сполох-1", которые дакгг значение значение оо * 8-ю0 см2/с. Подобные расчеты для коэффициента диффузии в эксперименте "Сполох-2" приводят к величине оо « б-ю8 смг/с.

Для анализа эволюции плотного сгустка плазмы проведена специальная фотометрическая обработка телевизионных изображений и получены изофоты для двух наземных пунктов. Показано, что число ионов в основном сгустке практически не меняется :о впеменем, а число ионов вытекающих в стратифицированный хвост, растет. То есть, все время, пока возможна фотометрическая обработка 250 с), основной ионный сгусток остается оптически плотным. Найдена .линейная скорость вытекания, равная ~ 2-10го ионов/с. Считая г.е постоянной в течение 200 с, подучена нижняя опенка для общего количества ионов Ва+ -1-ю'"'*. Определены размеры исходного пи гиндрического сгустка: дмна 18 км, диаметр и - о, В км.

Найдена стх:днля концентрация плазменного сгустка ~ ю' а~ ^ (эта ПГ> падипдакаПлОПНЬ'М НПГ«Я(1ПЙ;Н'КЧ* СГ.С.Ч .Чг.ЛЯЛй 3 .4 -1С' с><).

Аналогичные рассуждения для концентрации в вытекающем хвосте приводят к значениям ~ е-юэ см-3, что соответствует по порядку, концентрации фоновой ионосферной плазмы.

Во втором параграфе исследуется эволюция плотного плазменного сгустка на стадии диффузии, когда эволюция сгустка определяется изотермической диффузией и влиянием ионосферного электрического поля и ветра. Проведен общий анализ явлений, происходящих при расшшвзнии бариевых облаков в ионос^.ря в соответствии с современными представлениями. Показано, что в случае, когда концентрация инжектированной плазмы больше фоновой, существенно влияние на движение ионов возмущённого электрического поля, Пно гоиводит к тому, что дрейф ионов отсутствует и имеет место анизотропная амбиполярная диффузия в движушэйся с ветром системе координат (облако ионов движется также: как и облако нейтральных частиц). Па краю сгустка фоновое злкстрическоа пола скомпенсировано но полностью, так что часть ионов и злектронов имеет возможность дрейфовать в асрещенных полях и растекаться поперек и вдоль магнитного поля, образуя "рукава". Инжектированные гоны ва+ вытекают в ионный "рукав", образуя хвост, конец которого движется в невозмущешшм элеюрическом поле. Показано, что определение электрического поля по движению плотного ионного сгустка может привести к существенным ошибкам, особенно на начальной стадии эволюции плазменного образования.

Как указано в I главе, сущаствувли/.й критерий малости возмущенного электрического шля (1.2) основан лишь на требовании сохранения ионного тока. Тот факт, что должен сохраняться баланс токов как душ ионов, так и для электронов, накладывает более жесткое ограничение и соответствующий критерий для ионосферы и кошт быть определен следующим образом.

Движение инжектированных ионов определяется приходом электронов вдоль силовых линий из нмшей ионосферы. При отсутствии дополнительных источников ионизации в ионосфере это движение становится невозможным, если полное число ионов бария /псва*:^* превосходит число электронов в плазменном столба, ориентированном

7.

О

вдаль магнитного поля под бариевым облаком / п ¿г (г - высота

о

искусственного облака). Ранен использовавшийся критерий, предложенный "Лрзнделом, может иметь место лишь в случае бесконечно быстрой регенерации фоновой плазмы. Е отсутствие ее поляризационное поле определяется критерием (1,2) лкдь в начальный момент < 10 с, для

условий эксперимента "Сполох-!"), так как после формирования областей обеднения в фоновой плазме ее проводимость сильно уменьшается. Если

*"о

/rsCBa+3dz » / n dz, то области обеднения достаточно глубоки и поло б

о

поляризации в системе координат, движущейся с нейтральным ветром, почти полностью компенсирует фоновое электрическое поле. Поэтому л начальной стадии дрейф в скрещенных полях отсутствует и облако бария движется вместе с нейтральным ветром. На краю облака фоновое электрическое поле скомпенсировано не полностью, поэтому часть ионов и электронов имеет возможность дрейфовать в скрещенных полях и растекаться соответственно в Педерсеновском направлении и вдоль магнитного поля.

В нашем случае, как показано в предыдущем параграфе, основной ионный сгусток млеет концентрацию, на 1-2 порядка превышающую концентрацию фоновой плазмы, и эволюция его в экспериментах "Сполох" дажна удовлетворять описанным качественным представлениям.

В этом параграфе проведено подробное исследование как относительного движения.ионизованных и нейтральных компонент, так и 1« профилей концентрации. Триангуляционные расчета пространственного положения образований по двум пунктам наблюдений в эксперименте "Сполох-Т" показывают, что нейтральное сферическое облако и основной ионный сгусток до ~ 130 с после инжекцки движутся параллельно с сохранением первоначального разделения как в горизонтальной плоскости, так и по вертикали (обусловлено кумулятивным характером инжекции, составляло - 13 км в направлении магнитного поля). Совместное движение облака и сгусттса происходило в юго-восточном направлении со средней скоростью - 120 м/с под действием горизонтального нейтрального ветра.

Аналогично проведен анализ движения части ионов Ва+, вытекающих в хвост, определяемой по центру последней различимой страты. Направление вытекания вниз относительно центра основного ионного сгусттса соответствует дрейфу в невпзмугарнном электрическом поле (соответствует горизонтальной проекции электрического поля, направленной на юго-запад). По движению конца хвоста определена величина электрического поля - 2,Л.мВ/м.

Движение плазменных образований по результатам триачгуляципшшх расчетов а экспсримеше "Спо.лох-2" аналогично. Здесь т акже i!:;:;..-;;;;::.;:ric:]i совместное движение сферического нейтрального и основного */ом»т.. cs угле.«. ¡!.''Ч£Ло.Ч00 сос:Тл?.7_лс:' я это:/ с.лучас - Я кх,

причем, поскольку инжекция осуществлялась вниз, основной ионный сгусток находился ниже облака. Горизонтальный ветер, определенный по движению сферического облака, направлен на юго-запад и имеет скорость ~ 100 м/с. Диффузия основного ионного сгустка в эксперимента "Сполох-2" также имела амбишлярний характер.

На примере результатов экспериментов "Сполох" показано, что

критерий (1.2) достигается для условий "Сполох-1" при концентрации

Ва+ ~ 1.э-10° см"3 и плазма с такой концентрацией могла бы вытекать в

э —з

хвосте. Измеренная концентрация в хвосте составила ~ з-ю см , что почти на порядок ниже. Тагам образом, впервые получено экспериментальное подтверждение современной теории эволюции плазменных неодаородностей в ионосфере. Результаты экспериментов показали, что общепринятая трактовка движения ионного сгустка, как дрейфа в скрещенных 2о х полях, может привести к существенным ошибкам в определении ионосферного электрического поля, особенно на начальной стадии диффузии.

В заключении параграфа приведены оснслные пространственно-временные соотношения для эволю11йи плазменных неоднородаостей в ионосфере,

г

о

вытекающие из критерия малости возмущения /псва+зй2 ; ; и которые

о

позволяют проводить корректную диагностику ионосферы при помощи кумулятивной инжекции бария.

В четвертой главе проведены исследования динамики инжектируемых плазменных пучков и возмущенна в ионосферной плазме, вызываемых иг распространением. До сих пор многие вопросы динамики плазменной струи оставались невыясненными из-за трудностей измерений, связашшх с ■ограниченностью лабораторных установок. Эксперименты в космосе свободны от этого недостатка и поэтому сравнительно недавно предложено использовать для изучения динамики плазменного потока управляемый космический эксперимент.

Впервые такой эксперимент был проведен в 1979 г., в кооперации с рядсм зарубежных лабораторий и институтов. В эксперименте "Поркупайн" были выполнены прямые диагпосгичоскиа измерения параметров скомпенсированного потока ионов ксенона сх«+э при его движенж поперек геомагнитного поля в ионогфаре, проведены волновые измерения, что позволило изучить динамику возникающих плазменных колебаний I возмущений ионосферной плазмы.

Исследована динамика квазинейтралыюго ионного цучка г разрешимой намагниченной плазме, и обнаружены существенные отличи)

от результатов лабораторных экспериментов, что связано, прежде всего, с наличием фоновой (ионосферной) плазмы. Показано, что плазменная струя при движении поперек магнитного поля проходит три стадии движения {эволюции): диамагнитную или стадию свободного разлета, когда динамическое давление струи превышает магнитное, или ц * - 8ппЛ^ < 1 <здесь п . - концентрация и энергия ионов пучка); "поляризационную", когда движение поперек геомагнитного поля связано с возникновением в ограниченной струе поперечного электрического поля поляризации, и стада одночастичного движения ионов (режим пробных частиц), когда продольный и ток ионосферных электронов полностью компенсирует пространственный заряд плазменной струи Хе*.

Установлено, что электрическое поле внутри ионного пу-пса состоит из четырех частей: поля поляризации 2р; электрического поля, направленного на инжектор (поле пространственного заряда); больцмановского поля, возникающего из-за неоднородности среды §ь; электрического поля направленного вдоль геомагнитного поля.

Эти электрические поля приводят к формированию сложной системы токов как внутри юткектируемого ионного пучка, так и в окружагакрй пучок ионосферной плазме.

Во-первых, в зоне инжектора электроны пучка, шэтеткрованвгэ вместе с ионами, уходят (симметрично точке шкеюдга) вдоль сшгспые линий магнитного поля в ионосферную плазму и создает зозмуцвнкз плазмы вдоль геомагнитного поля. В этой зоне фоновая плазма вовлекается в конвективное движение I х 3 /с силой, создавае?гой

± о

ионным фоновым током,, который замыкает продольный электронный ток.

Во-втор;«, на больших расстояниях (вдоль направления инжеяции) от источника на фронте пучка поток фоновых электронов, направленный на пучок (вдоль геомагнитного) поля„ обеспечивает нейтрализация заряда, переносимого ионами пучка.

Обосновано существование второй системы токов,, связанной с полз?* поляризации» которое является ортогональным направлению ■ инжвкцш и геомагнитному полю $о и направлено поперек пучка (сконцентрировано внутри пучка). На участке движения пучка-, где поляризация имеет место, у пучка появляются "стенка" положительного заряда я "стенка" -отрицательного. От последней электроны фона устремляются, вдоль силовых линий 3 , а к положительной натекает (токе вдоль 3 ). Отт-та

О О

и являются индикацией проникновения электрических полей (причиной котор« является полз поляризации) вдоль магнитных силовых линий на значительные расстояния.

'Показано, что процесс компенсации поляризационных зарядов токами фоновой (ионосферной) плазмы - "короткое замыкание" - начинает играть определяющую роль в динамике струи уже при nfa > ю2hq. При этом поперечный размер зоны возмущении в ионосферной плазме, как и при инжекции электронов, значительно больше размера струи.

Полагая, что продольные токи определяются электронами, а • поперечные - поляризационным дрейфом ионов, и учитывая аномальность продольной проводимости вследствие возбуждения токовых не-устойчивостей, из условия замыкания токов, получено: г. = ¿о)Сх/х )3

Ч 3 1/"3 Соз

и Е , = Е Сх ХхЗ где х я: СЗ-ЗЗ Cv ,/10 Г M; С. г= 150 М;

pol ооо 30 II

- эффективная частота соударений ионосферных электронов, ^ и х -размеры вдоль bq и оси пучка соответственно. Эта модель хорошо согласуется с данными экспериментов "Поркупайн". Аналогичные результаты были получены и в последующа экспериментах Кауфмана и др. ' (США).

Данные измерений электронной концентрации искусственного плазменного пучка, инжектированного в ионосферу, обнаруживают хорошо заметный эффект обтекания тела ракеты (так называемый эффект тени). Используя теорию эффекта тени, определена максимальная температура квазинейтрального ксенонового пучка на средних дистанциях от источника пучка ионов (область, где он уже покинул диамагнитную полость, но еще значительно плотнее фоновой плазмы).

Обнаружено, что найденная тагам образом температура ионов, по крайней мере, в четыре раза меньше, чем температура в области мнжекции. Показано, что эти измерения хорошо объясняется адиабатическим остыванием пучка в течение начальной диамагнитной стадии и фазы построения токовой системы на расстояниях < II м. Вне этой области пучка устанавливается постоянная температура. Наблюдения подтверждают, что искусственный плазменный пучок на стадии свободного разлета (вблизи плазмогенератора) расширяется адиабатически (как газ). Частичное остывание также имеет место вне диамагнитной области, где устанавливается токовая система. Наблюдения хором вписываются в развитую модель токов замыкания квазинейпрального ионного пучка.

Во втором параграфе приведены некоторые результаты экспериментов се.р-.тн КСМКИ, которые существенно дополняют картину взаимодействия инжектируемых пучков с ионосферной плазмой. Исходя из содержания предыдущего параграфа, проблематика инжекции плазменного пучка п ионосферной плазме связана, в первую очередь, со сложной элекгоедгпйуу.чеекпй системой "кнжект-ипуедай пучок - кмк.сйс:. in.\;:

плазма". Отличительной особенностью цикла проведенных экспериментов по программе КОМБИ является низкая мощность использованных источников плазмы (< 100 Вт). Приведенные здесь результата акцептируют внимание на процессах, которые реализуются при инжекции, несмотря на низкую энергетику. Фактически это отражение фаота успешного использования условий инжекции и параметров используемого инжектора для оптимальной реализации эксперимента.

Из результатов экспериментов "Поркупайн" следует, что интенсивные продольные токи замыкания вызывают ряд плазменных неустойчивостей. В свою очередь инжектированные ионы пучка при своем движении относительно электронов являются источником возбуждения ншшегибридных сью колебаний. При достаточной амплитуде ш колебаний фоновые электроны должны греться до энергией, превышающих энергии ионизации фоновых нейтралов. Такой эффект наблюдался при инжекции плазменных пучков в экспериментах КОМБИ. При анализе амплитуда возбуждаемых пучком 0114 волн в диапазона 0,5+П кГц, обнаружены два преобладающее частоты, несколько превышающие резонансные нижнегибридныа волны иншектировашшх ионов цезия сс^Ъ и фоновых конов кислорода со+э. ©акт раскачки ьн волн во время инжякцга; пучка на расстояниях от инжектора, когда плотность пучка была порядки и да:-"з меныпо фоновой,, говортгг о том» 'что плазменная частота фонов«! ионосферной гогззмы в окрестности пучка дсшша превышать злектро1шо-циклотронную частоту. Последнее говор*.гг о дополнительнее источнике ионизации вне области пучка. В пользу атого говорит и факт появления сверхтепловых СЕе > о.з кэВ> электронов б течение каждой первой секунды импульсной инжекции.Одновременное наличие двух ьн волн в многокомпонентной плазме объясняется раскачкой' одной частоты 3 области самого пучка, а другой - в области протекания токов замыкания с последующим проникновением их в область пучка. Спо?стралъный анализ СНЧ- волн в диапазоне ьн волн фоновой плазмы показал тага® наличие а?шлитудной модуляции этих воле подуцзльии и цздаки гармониками ионно-1тиклотронных волн фоновых нонов, что важно для зщяггафикзщи механизмов генерации.

С целт/ю изучения динамики искусственных плазменных образований <И1Ю) г а также получения' их некоторых характеристик как объастов, рассеивающих радиоволны, в эксперименте КОМБИ проводились радколока-ционные наблюдения ИП0Г образованных при итке1сцин пучков плазмы в ионосферу. Сравнение экспериментальных -и теоретичзских данных (в рамках модели) показывает их существенное расхождение. Длч получения

таких отраженных от ИПО сигналов, которые были зглегистрированы в эксперименте КОМБИ, размеры ИПО должны быть на порядок больше, чем это дает теория.

Показано, что кроме непосредственной инжекции плазмы в образовании ИПО, должны участвовать дополнительные весьма эффективные механизмы, приводящие к образованию свободшх зарядов. Речь идет о коллективных процессах в ионосферной плазме, инициируемых пучком, которые приводят'к появлению электронов с высокими энергиями. Такие электроны были зарегистрированы комплексом боргговой аппаратуры в эксперименте КОМБИ. Установлено, что максимум потока электронов с энергиями Е^ < о.з кэВ, с наибольшей вероятностью способных к ионизации нейтралов атмосферы, приходится на интервал, когда обнаружен максимум сигнала РЛС. Отметим, что и минимум в амплитудах сигналов, наступивший после 250-й секунды, совпадает с минимумом потока частиц с Ее < о.з кэВ. ' Таким образом, обнаруженное несоответствие по радиолокации свидетельствует о дополнительных источниках ионизации и, соответственно, областях сложного взаимодействия пучка с ионосферной плазмой. В пользу этого говорит и спектр обнаруженных в пучке колебаний с максимумом в области нижнегибридных колебаний фоновой плазмы.

Представлены результаты синхронизированного ракетно-спутникового активного эксперимента серии КОМБИ-П. Целью эксперимента являлось комплексное исследование плазменных и волновых возмущэний, стимулированных инжекцией пучка искусственной плазмы в ионосфере. Основная идея заключалась в инжекции плазмы в магнитной силовой трубке, пересекавшей орбиту спутника K0CM0C-I808. Запуск метеорологических ракет с отделяемым инжектором плазмы производился с научно-гсследовательского судна "Профессор Зубов" в августе 1987 г. в районе Бразшьской магнитной аномалия.

Показано, что обнаруженное усиление ОНЧ излучения на высоте спутника и его модуляция с периодом работы плазменного инжектора указывает на то, что ОНЧ-излучение было стимулировано инжекцией плазмы. Это ОНЧ-излучение было идентифицировано как ионно-циклотрогные волны. Синхронизированный ракетно-спутниковый эксперимент позволил провести трассирование геомагнитной трубки. Впервые удалось синхронизировать инжекцию с ракеты с пролетом диагностического спутника, причем точность магнитного сопряжения объектов была лучше 100 км. Было обнаружено заметное расхождение магнитной сопряженности,' определенной по модели магнитного .юля

igrf-73. Проведен анализ cnsicrpoB ОПЧ-колебанкй и предложен механизм генерации.

Важным результатом экспериментов серж КОМБИ, проведенных в области магнитной аномалии, является обнаружение глубокой модуляции < "исчезновение") высыпающихся частиц (высота < 200 тем) при искусственной инжекции плазменного пучка в ионосферу. В области головной часта ракеты с приборным отсеком при удалении инжектора на значительное растояние ~ IOOrlSO и геомагнитное поле под воздействием сложной системы токов, сопровождающих инжекцкп пучка, претерпевало искажение, приводящее к "вешъггао'0 зеркальной точки отражения высокознергачной компоненты захваченной радиации. При этом естественный шток энергичных олетронов уменьшался в несколько десятков раз, падая пра'стическн до нуля.

Показано, что энергия электронов, подверженных amarara такой кнжекгрк, составляот г 2 ?.;аВ. Учитывал, что место провздония квезигог находится восточнее ядра «ипштней -аномалии и, таази образом, ,Hpsr:'i)yjf!£',ra на восток &.:шрэзы рядгштанпгаго пояса, г.ералп:ео везго» "логгбли" на оападого.! грагаяга ансаалгл, покато объяснить jnmcrit уровень сигнала (< БП аГ^" сГ~)„ Причем, уо второе ;1г.тл;ом зкспзр.г.онтй, иройздртпю:! иг; слелуй',-, i п то }"í fг • : vctt:c"!

вр:.?я в'""итэ, уровень сигнала отлпалгя ::ззппч:ло../-:;.",. го-'ог-'н-о том, что зарс'птстгарованныэ потоки ззоргзшк члета* з это-: - достаточно .устойчивое яплонта и кетуг й;.ггь пр'.пьтг-' к сездшек тппт коделкрпвяики ионосферных процессов п лракггчзечп:- тах.

Пятая глава поевгспзиа комплексному изу^еЕгэ явлзшй, связашшх с сильным возмущенно?; ионосферы з околоракептой области г: п-ссштп^знт"; с та:'.екцкой пучков эдоспечшх олпкгроппп в ионосферу.

Лором? плрпгрг:ф главы ггосзуиГ'.-зт' осно{8"рт'- знояядэшзп'* результатам, получзтшч в rai'^o- совотскс:; зтетиыю:: отег^р^'ап"!^ "Зарница-Г' (ма:- W/3 г.) с олз:сгрсш!ого пупса с бо;.:тл

ррюгш. СЕ2чпт:о околораютлоч ойдгегпч р^дтягалг«®**® :xs ^пптот'; ■1.1,5 :'лц, аначЕггельно прет^нта-::?* характерна частот!.: норае'пр:,, шгнянки шямацм лучка агектрояоп за сягтг бопгсгаго телс-^о'ф^чоского перолтпгтал енндзтодъетвуэт о сукрствотзяпип сильного возмугг-нки ионопф'ортгой пляк'-и з окрестпосп; р^згхзты г а йоптя прспхюодится Onrrcainj усxz ля проведет-гая гнссгор/гз-ггп,

основные характеристик?; нг?ег.;ного У1п:ор*~плъ"сго гойммиквзго зарегистрировать эффекты ин>-е!сции как в спп!«зскси. таг-:

- га -

и'в. радиодиапазона. Подробно исследовано влияние инжекции мощного пучка электронов на сигнал бортового телеметрического передатчика, проведены оценки размеров околоракетного возмущения по вращению плоскости поляризации радиоволны передатчика. Сделан расчет концентрации плазмы в окрестности ракеты, создаваемой столкновителыюй ионизацией электронами пучка нейтральной компоненты ионосферы. Показано, что этот процесс не обеспечивает необходимой концентрации плазмы в окрестности ракеты к для объяснения экспериментальных результатов необходимо привлекать механизмы коллективного взаимодействия электронного пучка с ионизованной компонентой.

Во второй параграфе приведена краткая характеристика наблюдавшегося искусственного сияния, моделирование которого в экспериментах "Зарница" является основной задачей. Установлено, что инжекция плазмы (дяя улучшения провеса нейтрализации) привела к некоторому повышений среднего значения высоты нижнего края искусственного сияния, а не к снижению его, как о:ккдалось. Это противоречие свидетельствует о незначительном потенциале ракеты, а отмеченный эффект может быть вызван увеличением рассеяния электронов пучка на искусственном облаке плазмы. Из сравнения экспериментальных и расчетных высот нижнего края получено, что средние потери энергии электронов пучка не превышают 20 % начальной. Эти результаты описывают усредненную картину взаимодействия инжектированного пучка с ионосферой.'

Исследована динамика свечения околоракотной области во время инжекцки. Высокая скорость регистрации (5 кадр/с) использованных в "Заршще-2" ТВ установок позволила исследовать тонкие временные характеристики околоракетного свечения (ОРС) на различных высотах кнжекции. Как правило, ОРС появляется раньше луча сияния или одновременно с ним. На некоторых снимках, соответствующих переднему фронту импульса инжекции, присутствует только ОРС, которое наблюдается только при небольших питч-углах инжекции. Определены размеры ОРС по оптическим наблюдениям. Сопоставление та с радиолокационными данники показало, что в апогейней части область ОРС имеет вид вытянутого эллипсоида с поперечником не более 50 м и большой осью не более 400-500 м.

С уменьшением высот;,1 продольный размер уменьшается к для 130 км сзстаагпат 200 к. Получено, что поток излучения ОРС максимален айлдаи экстремальных .значений питч-углов о , а минимум соответствует

диапазону углов 50-60°. При уменьшении питч-углов от oq -- зо.. .90* до оо = 49...73* модуляция потока уменьшается, а во время работы плазмогенератора исчезает. Показано, что появление и динамику свечения наблюдаемой интенсивности вблизи ракеты на высотах более 150 км нельзя объяснить в рамках столктювктельного механизма взаимодействия электронов пучка с естественной атмосферой.

В третьем параграфе детально исследованы спектр и динамические характеристики высокочастотного радиоизлучения, возникающего при хшжекции электронного пучка в ионосферу, что позволило выяснить основные физические процессы, ответственные за это радиоизлучение.

Установлено, что в эксперименте "Араке" плотность потока радиоизлучения (РИ) превышает Ю-21 Вт/м2 Гц (порог обнаружения на

-РО ^

частоте 50 МГц), достигая г-ю Br/tf Гц. Выявлено, что всплески РИ появляются с задзрккой 5-7 мо относительно начала ипжекции и с уменьшением высоты задержка стремится к нулю.'

Обнаррвпа зависимость задержки появления более высокой частоты от питч-угла гашекции. При 0Q ч so. ..53* задзртса достигает максимума. Для кмпульсной гашекщк найдена зависимость спектра кзлучештя .от питч-угла иняюкции и скорости выноса пучка. При минимальном вьшосе "центр тякести" спектра излучения смс-щается з сторону высоких частот. Общим для непрерывного и импульсного режимов кнкюкцпи является начальный питч-угол ео = го' , при котором появляется РИ и ослабление интенсивности излучения в интервала питч-углоз üo...53*. Показано, что амплитуда РИ не частоте 50 МГц максимальна на высотах I05-II0 км.

Общие свойства спектра РИ детально исследованы по результатам эксперимента "Зарница-2". Установлено, что параметры спзетра (высоко-и низкочастотные границы и интенсивность) испытывают как регулярные изменения, связанные с изменением высоты и питч-угла кткекции, так и рззгате изменения в связи со стеной режимов инжекцяи и работой плазмогенератора. Максимальная частота гтах РИ составляет 51 МГц для высоты 120 км и уменьшается с ростом высоты игокекции. При переходе на второй режим инжекции увеличивается примерно з 1,4 раза.

Показано, что наблюдаемое .увеличение связано с изменением параметров пучка и с точностью около 5 % выполняется

шах max J_ 2 2 1 1 J . .где i.. с - соответственно ток и энергия пучка в j-om режиме. Из

сравнения с моделью атмосферы обнаружено, что в диапазоне высот 120-130 км г ~ я1'4, а при 133 км < н < 153 км г ~ я1'"2 (я -

тах 1 шах

концентрация нейтральной компоненты). Установлена асимметрття гтгх

относительно апогея, которая связана с различием скорости движения

ракеты поперек геомагнитного поля. В этой области высот верхнюю

Подробно исследована структура спектра РИ, связанная с вращением ракеты. Ширина излучаемого спектра 5-10 МГц, дрейфовая компонента представляет собой полосу шириной - 10 МГц. Скорость дрейфа достигает нескольких мегагерц за секунду. Новым свойством спеюра РИ, установленным з эксперименте "Зарница-2", является присутствие эквидистантных максимумов интенсивности РИ во время существования дрейфовой компоненты. Расстояние между центрами меняется с высотой пропорционально изменению геомагнитного поля, а центры соответствует голупрлым гармоникам гирочастоты электронов гз = Сз + 1/23 гс на высоте инжекции. Проведены оценки КПД трансформации мощности пучка в РИ. Максимальная эффективность не превышает I %.

В пятом параграфе приведены результаты радиопросвечивания околоракетной области сигналами от бортовых ТМ-передатчшсов на частотах 252 МГц ("Араке") и 75 МГц ("Зарница-2") и данные радиолокационного зондирования по искусственной радаоавроре.

Сильное затухание ТМ сигнала во время инжекции наблюдается в течение всего полета ракеты, хотя эффективность поглощения уменьшается с ростом высоты. Затухание ТМ сигнала наступает с 'задержкой относительно начала инжекции. Сделан вывод о том, что источник радиоизлучения локализован в околоракетной области, возмущение плазмы в которой приводит к эффективному поглощению радиосигнала ТМ передатчика.

Среди результатов радиолокационных наблюдений на двухчастотной установке отмечено, что интенсивность и фаза сигнала отражения от околоракетной области также модулированы с периодом вращения ракеты. Праведен анализ азимутальной аномалии искусственной радаоавроры. Установлено, что з момент появления интенсивного радиоизлучения на частотах радиолокационных станций сигнал отражения от околоракетной области резко уменьшается. Анализ данных о влиянии инжекции пучка на ехтпал ТМ передатчика показывает, что с увеличением высоты инжекции Бремя нжзкк области возмущенной плазмы в паузе между импульсами «пякзкцки увеличивается, тто согласуется с данными радио локационного зондирования. Эффективность поглощения зависит от .питч-угла,' ф-.^м г:

границу спектра можно аппроксимировать как: г.

шах

const

высота инжеиции.

Сопоставление всего комплекса радиофизических изкерзний подтверждает вывод о том, что источник радиоизлучения совпадает с областью возмущения ионосферной плазмы вблизи ракеты. Продольный размер этой области несколько сотен метров, поперечный - несколько десятков метров; плотность плазмы достигает 5-10° + 10a см-3, изменяясь с высотой, питч-углом и фазой инжекции.

В шестом параграфе описаны некоторые результаты бортовых измерений потоков электронов в активных экспериментах, которые дополняет приведенные выше данные о механизма взаимодействия инжектируемого пучка с ионосферой. Уже при анализа первых американских экспериментов "Эхо" отмечено, что рассеяние электронов пучка не описывается в рамках столкнозительного взаимодействия. в этом параграфа на основе результатов советских и зарубежных экспериментов с инжекцией показано, что рассеяние на один-два порядка эффектиЕ^е столкновительного. Существенно, что на высотах н > iso км величина рассеянного потока практически не изменяется с. высотой, а разброс по питч-углам первоначально узкого сд$о < з°э пучка составляет .де = зз-40° менее чем за период ларморовского вращения (Норвежский эксперимент "Полар-5"). Приведены спектры надгешговыг электронов. Для описания характеристик надгеплсвых электронов (важно для определения механизмов пучково-плазмешого взаимодействия) проведен анализ и установлены некоторые' качественные закономерности (тенденции), общие для большей части проанализированных данных. Так температура электронов растет с увеличением высоты инжекции вплоть до н ~ 150 км и затем на изменяется: т const a¡ ioo-iso эВ.

Таким образом показано, что весь комплекс данных описывает одно и то же явление - образование вблизи ракеты области плазмы повышенной температуры и концентрации, а для описания наблюдаемых явлений необходимо привлекать механизмы сильного пучково-плазменного взаимодействия - дучково-плазменнкй разряд, обнаруженный ранее в лабораторных экспериментах.

В шестой главе построена модель пучково-плазменного разряда в околоракетной области, описывающая динамику разряда в зависимости от высоты, питч-угла и фазы инжекции электронного пучка -для широкого диапазона высот и питч-углов инжекции. Согласно модели в ионосферной плазме пучком генерируются плазменные колебания, амплитуда которых достигает таких значений, что ионосферные электроны, нл.теваясь в

полях колебаний, могут ионизовать нейтральную компоненту ионосферы, так что плотность плазмы лавинообразно возрастает. Как показывает анализ, в области малых питч-углов инжекции главную роль в генерации колебаний играет пучковая (потоковая) неустойчивость-, при больших питч-углах наиболее эффективна неустойчивость из-за неравновесяости распределения дучка по поперечным скоростям. В результате для плотности плазмы в стационарном разряде на высотах ь > 1зо км, где определяющую роль, в процессе релаксации пучка играет модуляционная неустойчивость, получена зависимость

п" - 10й

ь Ьогч!

ы

[до11] к.

51 ПО

вт% ¡| - о|

се. о

С.З СОЭ2©; вр < в < 70+80*

где пь. с - плотность и энергия пучка / <е1оп = 13 эВ, N - концентрация нейтрального газа, V - скорость выноса пучка поперек геомагнитного поля, в - питч-угол инжекции. Продольный размер разряда при этом порядка 100+300 м, поперечный - несколько ларморовских радиусов пучка ( > 10 м). На меньших высотах релаксация пучка описывается квазилинейной теорией, модифицированной с учетом столкновительного затухания колебаний. Плотность плазмы в разряде при этом:

• I»1

.2/3 у-4/5 X

е > ег

се. вэ

в < в,

к '

ер - питч-угол инжекции, при превышении которого время потерь электродов из области разряда определяется выносом дучка поперек Зо (при о < ок доминирует диффузия).

Показано, что на малых высотах съ < юо км) из-за сильного столкновительного затухания колебаний возможно развитие только гидродинамической пучковой неустойчивости, если плотность плазмы превышает пороговую:

П > П « 4-10

С. „31 г г

10 N

п. . «13

. ь . .10

см

СО. 35

Опродзлзка граничная высота инжекции сь = эи кю, ниже которой разряд ид .■?.?:-•>:(естся. Оценены 'потоки радио- и оптического калу«пния. из рг.зрягл. Показано, что конвепсия -Р.тазуокных . кагг/!.тг-/е • и,-!

ионно-звуковых флуктуация* плотности обеспечивает величину потока радиоизлучения, наблюдаемую в экспериментах. Проведаное сравнение экспериментальных данных с моделью показало, что основные закономерности динамики возмушеппой плазмы вблизи ракеты находят объяснение в рамках построенной модели пучково-плззкехшого разряда в околоракетной области.

В заключении излагаются основные результаты работы, которые можно сформулировать следующим образом:

I. Исходя из целей экспериментов с кумулятивной шшзкцией в околоземной плазме, сформулированы основные требования к инжекторам и определены параметры кумулятивных зарядов, от которых зависят эффективность испарения, эффективность преобразования энергии взрыва в кинетическую энергию струи, скорость струи. Проанализирована результаты исследований по кумуляции в зарядах с цилиндрическими выемками и показана принципиальная возможность создания на их основе эффективных кумулятивных инжекторов для выброса струй , с большой массой на основе ячеистой конструкции. Разработана к реализована ячеистая конструкция кумулятивного ктзитора, обладающая лучшста параметрами по сравнению с конической.

?.. По радиолокационным, оптическим и зондошм азгорзнюи проведан анализ явлений в ионосфере на стадии торможения кумулятивной струи, происходящих в первые секунды после ннжзкцкл. Получены оцгжа эффектачной отражающей поверхности для различных моментов времени. Показано, что за счет интенсивной столкновителькой ионизации бария при торможении кумулятивной струи образуется сгусток плотной плазмы с концентрацией, на 2 порядка превышающей фоновую. Подробно исследована структура самой кумулятивной струи на основа прямых измерений параметров струи и вызванных инлхзкцизй возмущений з коносферэ.

3. Обнаружены и исследованы квазиперкодкческиз выешашп энергичных элехстронов, вызванные кумулятивным взрывом в динамо-области ионосферы. Проанализирована возможная причина стккулирова'иого квазипериодаческого высыпания захваченных элехстронов - возбужден® алъфвеновских колебаний взрывом. На основе анализа естественных флуэтуацга потоков энергичных частиц показано, что на средних широтах в ионосфере существуют заметно зырэжятыэ зшазипзриодичесхсиа потоки • высыпающихся эле1сгронов с характерной частотой 0,1 Гц и ез гармониками.

• 4. Рассмотрены возможные механизмы взаимодействия электронов.

захваченных в магнитной силовой трубке, с альфвеновской волной и обоснована модель генерации МГД-полей в ионосфере расширяющимся облаком плазмы. Для конкретной модели источника (выбранной по результатам экспериментов с кумулятивной инжекцивй) найдены аналитические выражения для пространственного распределения МГД-полей в ионосфере. Для условий проведенных экспериментов проведаны оценки амплитуды генерируемого взрывом возмущения, которые подтверждают механизм стимулированных высыпаний энергичных частиц.

5. Проведен общий анализ явлений, происходящих при диффузионном расшивании плотных бариевых сгустков в ионосфере в соответствии с современными представлениями с учетом "короткого замыкания" электрических полей токами фоновой плазмы, на стадии диффузии подробно исследованы исходные . параметры основного сгустка плазмы и сферического облака, образованных в ионосфере при кумулятивной инжекции. Проведены оценки коэффициента диффузии для нейтральной компоненты. Получены основные пространственно-временные соотношения, вытекающие из критерия малости возмушрния, которые позволяют проводить корректную диагностику ионосферы при помощи кумулятивной инжекции бария.

6. Исследована динамика квазинеятралького плазменного пучка и возмущений в ионосферной плазме, вызванных их распространением. Показано, что электрическое поле внутри пучка имеет сложную структуру, что приводит к формированию системы токов как внутри инжектируемого пучка, так и в окружающей ионосферной плазме. Обнаружено, что процесс компенсации поляризационных зарядов токами фоновой (ионосферной) плазмы - "короткое замыкание" - начинает играть определяющую роль в динамике струи уже при пь < ю2-по. При этом поперечный разкйр зоны возмущений в ионосферной плазме значительно превышает размер струи. Показано, что результаты наблюдений хорошо согласуются с развитой моделью токов замыкания.

7. Используя теорию плазменной тени,экспериментально определена температура ксенонового пучка на средних дистанциях от плазмогенера-торя. Обнаружено, что найденная таким образом температура ионов, по крайней мера, в четыре раза меньше, чем температура в зоне инжекции. Показано, что этот неожиданный результат объясняется адиабатическим остъзаниам токовой системы. Определен критический радиус. < II м и показано, что вне этой области в пучке устанавливается постоянная температура.

н. По комплексу наземных и бортовых измерений покакаю, что

инжекция плотного пучтса квазинейтральной плазмы цезия в ионосфере приводит к интенсивной генерации сверхтепловых частиц в области токов "короткого замыкания". Обнаружено, что в областях сложного взаимодействия пучка с ионосферной плазмой происходит дополнительная ионизация и образуются плазменные возмущения с концентрацией,, значительно превышающей фоновую.

В описанной серии экспериментов впервые удалось синхронизовать инжекцию с ракеты в области магнитной аномалии с пролетом диагностического спутника точностью магнитного сопряжения объектов лучше 100 км. Доказано, что обнаруженное на спутнике усиление низкочастотного излучения, модулированного периодом инжекции, есть результат генерации иснно-циклотрошщх волн токами "короткого замыкания" в области инжекции. Обнаружена и объяснена глубокая модуляция потоков высыпающихся частиц (при инжекции естественный поток энергичных частиц уменьшался в несколько раз, падая практически до нуля). Показано, что энергия электронов, подверженных влиянию инжекции пучков, составляет > 2 МэВ.

9. На основа детального анализа экспериментальных данных трех экспериментов с инжекцкей электронных пучков з ионосфере убедительно показано, что источником обнаруженного высокочастотного радиоизлучения на частотах,, значительно превышающих собстветплэ / частоты ионосферной плазмы, является высококонизованнап область, возникающая из-за сильного возмущения • ионосферной плазмы цучко:! вблизи ракоты. Основные свойства радиоизлучения п сопоставления с дашшми по свечению и радиолокации околоракетной области, по повороту плоскости поляризации и затухал™ сигаала ТМ передатчика не могут быть объяснены в рамках столкновительного взаимодействия пучка с ионосферной плазмой и для интерпретации необходимо привлекать более сильные-коллективные процессы.

■ 10. Сопоставление результатов разнородных измерений с основными свойствами пучково-плазменного взаимодействия пучка электронов со слгбоионизованной ионосферной плазмой в условиях проведенных активны* экспериментов является пучково-плазменный разряд. Подобное явлегакз в космических условиях наблюдалось впервые. В соответствии с обнаруженной зависимостью ряда явлений в околоракетной области от совокупности основных параметров,' определяемых конкретными условиям экспериментов (энергия и ток инжектируемого пучка, плотность нейтральной ионосферы, скорость выноса пучка поперек силовых линий геомагнитного поля, питч-угол инжекции и фаза вращения ракеты).

разработана модель цучково-плазменного разряда в околоракетной области, что является единственным вкладом в дальнейшее развитие теории взаимодействия потоков высыпающихся электронов с авроральной ионосферой.

Перечень работ, в которых опубликованы основные научные результаты

1. Глова И.С., Рунам Ю.П., Швецов Г.А. Эксперименты в космосе с ин-жекцией ионных пучков (кумулятивные струи) // В кн. "Исследования по проблемам еолпочко-земкой физики". М.: Наука, 1975. С.164-172.

2. Ружил ю.Я. Высокочастотное радиоизлучение при искусственной ин-жеквди пучка электронов в космосе (проект "Араке")// В кн. "Динамика космической плазмы". М.: Наука. 1978. С.145-154.

3. Глова И.С., Ружин Ю.Я. Кумулятхтная инжекция бария на высоте 170 км. Эксперимент "Сполох" // В кн. "Динамика космической плазмы". М.: Наука. 1976. С.155-164.

4. Ружин Ю.Я., Скомаровский B.C. Начальная стадия движения бариевой ' струи в эксперименте "Сполох-Г0 // В кн. "Физика ионосферы и магнитосферы". М.„ 1979. С.107-112.

5. Мишин Е.В., Ружин Ю.Я. Высокочастотное радиоизлучение в эксперименте "Араке" и динамика плззмешю-пучкового разряда в околоракетной области. В кн. "Физика ионосферы и магнитосферы". M., IQ7S. С.120-126.

6. Ивченко В.Н., Милкневский Г.II. , Мишин Е.В., Ружин Ю.Я. Динамика свечения околоракетной области в эксперименте "Зарница-2", В кн. "Физика ионосферы и магнитосферы"» М., 1979. С.127-133.

7. Ruzhin Yu.Ya.- Ground-based observations of H. F. radioemission In "Ara^s". Space Science Instrumentation M 2. 1978. P.£03-2e4.

8. Rieger E. . Foeppl H. . -Haerendel <3. . Valenzuela A.. Zhullri I.A.. Gaidansky V.l.. DokuJcin V.S. . Ruzhin Yu. Ya. . Hailinan T.I. The Bari um Ion Jet Experiment of Porcupine 2. Space Research CCOSPAR3. New York. 1979. V. 19. P. 3Q7-372.

0. Адейивили Т.Г., Ляхов С.Б., Майоров А.Д., Манагадзе Г.Г., Ружин Ю.Я. Оотометричоские измерения в ракетном эксперименте "Сполох". Сообщения АН Грузинской ССР. 1979. Т.25, № 3. С.593-598. 10. Кулин И.А., Кученко A.M., Костин В.М., Пименов И.А., Романовский ¡C.A., Ружин Ю.Я., СкйМаровский B.C. Искусственное стимулирование BücLTiaHKfi электронов внутреннего радиационного пояса в экспертам-

нте "Сполох-2" // Геомагнетизм и аэрономия. 1980. C.II25-JI27.

11. Ижовкина Н.И., Ружин Ю.Я. О скорости столкновительной ионизации нейтралов атмосферы инжектируемым электронным пучком вблизи ракеты и о ВЧ радиоизлучении в эксперименте "Араке0": Препринт ИЗ.ЧИРАН №6(272). М.„ 1980. 10 с.

12. Ружин Ю.Я. „ Скомарозисий B.C. О результатах комплексного ракетного эксперимента "Сполох-2" // В кн. "Физические процессы в ионосфере и магнитосфера". М. 1973. С.35-45.

13. Докукин В.О.е Костин В.М., Пименов И.А., Ружин Ю.Я., Скомаровский B.C. Пульсирующее сияние в районе Волгограда (Lse), индуцированное инжекцией плазмы // В кн. "Исследования космической плазмы". М. 1980. С.49-57.

14.. Ружин Ю.Я., Скомаровский B.C., Швецов Г.А. Кумулятивные ускорители для исследования ионосфера и магнитосферы // В кн. "Исследования космической плазмы". М. 1980. С.30-48.

15. Mtshin К. V. » Ruzhin Yu. Ya. The model of beam-plasma discharge In the rocket environment during an electron beam injection in the ionosphere /V Ann. Geophys, 1SOO. T. 30. H 3. P. 4E3-432.

10. Ml shin E. V. » Ruahln Yu. Ya. The dynamics of HF radio emission in the "Araks" experi wants // Ann. Geophys. 1G30. T, 33. N 3. P. 337-302.

:

17. Izhovkina N.I., Ruzhln Yu. Ya. Rate of plasma production by electron pulses in the immediate Vicinity.of the rocket and HF radioemission in "Araks" and "Zarnitsa-" experiments ^v Ann. Grephys. 3 980. Т. ЗИ. N3. P. 41-414.

18. Charles 3. . Dokukln V. S. . Mlshin E. V. . Ruzhin Yu. Ya. „ Zhulin I.'A. Telemetry signal damping during rocket electron bean injections /V Ann. Geophys. 1930. T. 30. H 3. P, 397-400.

19. Гайдуков Б.ю. „ Костин b.m. „ П&йзнов Й.А. „ Романовский ю.а. f руш-и; Ю.Я. „ Скомаровский B.G. Спектр пульсаций штока чгстщ высыпающихся на с^дних широтах // В шт. "Исследования по rcocr,"i-ческой геофизике". М., Наука. 19В?.. С.17-24.

20. Fyxani Ю.Я. Возможности оптического метода в исследовании с кннзк-цгза пупков зворгичных частиц с борга спутника (проект АП2КС). iv Мзх'дупародшлй ехмпозиум го физике ноносфзры. Ль^.ов. 1933. С.82.

21. аулки И.Д.. Маркове Л,К.С Шпин Е.В.» Рушш Ю.Я. Фогэттов В. В. Спзктральнь'е кяйвдэгая высокочастотного радиоизлучения при шз-яцви элз-стронного пучка в ионосферу в эксгарггантг "Зарнтэдз-З" // "Станка плаз?лл". ¡Г31. Т.7. Вып.З. С,575-582„

- _)ü -

22. Докукин B.C., Ружин Ю.Я. Потенциал ракеты в эксперименте с ннжекцией пучка электронов: Препринт ИЗМИРАН № 75(400). М., 1882. 14 с.

23. Ивченко В.Н., Милиневский Г.П., Ружин Ю.Я., Скомаровский B.C. Возможности определения оптических характеристик атмосферы по наблюдениям в активных экспериментах // В кн. "Проблемы.космической электродинамики". М., IS8I. С.83-88.

. 24. Кручиненко В.Г., Ружин Ю.Я., Скомаровский B.C., Тарануха Ю.Г. Определение профилей плотности атомов бария в ионосферном облаке // В кн. "Проблемы космической электродинамики". М., IS8I. С.87-Э5.

25, Ружин Ю.Я. С влиянии пучка электронов на направленность излучения телеметрической антенны // В кн. "Проблемы космической электродинамики". М., IS8I. С.121-126.

26. Mishln E.V.. Ruzhin Yu. Ya. Beam-plasma discharge in near rocket region // Adv. Space Res. COSPAR. 1981. V.l. P. 47-59.

. 27. Dokukln V.S. . Ivchenko V. N. . Markeev A. K. . Milinevsky G. P. . Mishln E.V.. Moisya R.I.. Ruzhin Yu. Ya. . Sagdeev R. 2. . Fomichev V. V. and Zhul 1 n I.A. Results of Zarnitza-2. a rocket experiment on artificial electron beam injection in the ionosphere. Adv. Space Res. COSPAR. 1981. V.l. P. S-1S.

28. Докукин B.C., Нулин И.А., Коломиец А.И., Коломиец Г.И., Мишин E.B., Мойся Р.И., Ружин Ю.Я., Слюсаренко И.И. Двухчастотные радиолокационные наблюдения в эксперименте "Зарница-2" // Геомагнетизм и аэрономия. 1982. Т.22. № I. С.70-74.

22. Dzubenko N.X. , Zhilinsky А. P. . Zhylin I.A.. I vchenko I.S. . Mc/lotai A.A.. Rozhansky V. A. . Ruzhin Yu. Ya. . Skomarovsky V. S. . Tsendln L.D. Dynamic of artificial plasr i clouds in "Spolokh" experiments: movement pattern. Planet. Space Sei. 1S83. V. 31. P." 8-19-653.

30. Andreeva L. A. . Ivchenko V. N. . Milinevsky O.P. , Rozhansky V. A. . Ruzhin Yu. Ya.. Skomarovsky V. S. and Tsendin L.D. Dynamics of artificial plasma clouds in "Spolokh" experiments: cloud deformation. Planet.Space Sei. 1S84. V. 32. No 8. P. 104S-1052.

31. Ружин Ю.Я., Скомаровский B.C., Станюкович А.К,, Титов В.М., Швецов Г. Л. Моделирование метеорных явлений в ионосферных экспериментах // Физические процессы в ионосфере и магнитосфере. К. 1834. С.59-68.

32. Ивченко В.И., Килкневский Г.П., Мишин Е.В., Ружин Ю.Я. Оптические наблюдения околорахетяого свечения в эксперименте "За-

рница-2" // Геомагнетизм и аэрономия. Т.21. if 2. 1931, С.309-314.

33. Жулин И.А., Милиневский Г.П.„ Лоевский А. С., Мойся Р.И., Романовский Ю.А., Ружин Ю.Я.„ Скомароветсий В.О. Экспериментальные исследования возмущения в ионосфере при кумулятивной инжетшии паров бария // Космические исследования. Т.22. Вып.З. 1984. С.408-412»

34. Блаунютейн Н.Ш.„ Ораевский В.'Н. „ Ружин Ю.Я., Оижпп Н.Д. Эволюция искусственных плазменных неоднородностей в ионосфере Земли. Монография, Кишинев. Изд-зо Штишща. IS08. 245 е..

35. Борисов Н.Д., Ораевский В.Н., Ружин Ю.Я. Генерация электромагнитных излучений в экспериментах типа "Сполох": Препринт КЗМИРАН № 1(015). М.„ ISS6. II с.

32. Минин Е.В., Ружин Ю.Я. Радиофизические аспекты активных экспериментов в ионосфере // Тез. докл. симпозиума "Модификация ионосферы мощным радиоизлучением",, ?,!.: Наука. 1288. С. 35.

33. Haulier 3.. Traumann R, А. „ Bauer О. Н. „ Haerendei G. „ Bush R. , Carlson С. V/. . Theile В., Kelley M. С. . Dokuklrs У. S. and Ruzhir. 'iu.'Sa. Observations of >.»& Artificially injected Porcupine Xenon lor! Bear, irt the Ionosphere // i. &?орпуз. Res. 1933, v. 91 , N Ai,

P. 287-303.

31, Sagclusv R. Z. . Oraovsky V. H. . Mi shin E. V. . KapJ tens-- X.Y.%, , Korokainikov V. ii. . Ruzhln *i'u, Ya, Rosbensxy V, Л, . £>исг >. II. . Ha«rwd«3 <3. , Trr?u";mrs R. A. Tho Current Systerr C-.w>erHts»3 by tho Artificial Porcupine Ion Benrr, in th«* BacKoround Ionosoh irlc Pltsnw». Preprint N 49. HPS, Munchen. ICCi. p. \f.. CPrograsup-abst-raCts 20 COSPAR. Toulocuse/TTance. 1980, H i ч, .i. .

35. Сагдзев P.3.„ Сравнений В.Н., 'йш Е.Б., Капитанов В.Я.» Коробейников В.Г. „ Ружин Ю.Я., Гожансниа В,А. Зз^одрлстзкэ плазменного пучка с ионосферной шазтлой // Всесоюзная

конференция "Плазменные ускорителя я кешмз 1лп:.-31сгврГ. Днепропетровск, 1Ш0 г. Тезксы докладов. С.258-2С0.

38. Ругаш Ю.Я,, Скошровскм В.О,, Сгаднкзотю И.А. г Ткгов В.?'.. йводов Г. А, Взтквныз иннокторы шазш в пссгедотчшги окохсреглгетс. KOL:::vrvOincoro пространства // Окзнка горения. Новос-Лфск. IE37, >? 3. 0.112-120.

3?. Ruzhirs Yu.'ia, , Kosk я \»»nk о A.M.. Тгеиг.-ап A. Bauer О. H.

Atiiaba'-icooling of th* artificial PORCUPINE plasms. jel " J Geophy». R-гь. . 1SC7. V. 03. . it X. P. ПОТ-ггЗ

S3. Борисов К.Д.. Оргевскя?:- B.Ii., Р.ужто? Ю.Я. Пзязрапгк ;.ТЛ-лол:;/. а ионосфере расикрн;а:".к'.:ся облако" плазмы // Геомапютг.з:' и гэропо-

- мил, Т.28. № 6. 1888. С.933-939.

39. Ruzhin Yu.Ya.. Moisla R.I. Artificial Field-aligned Irregularities in Sporadic E „ Layer and Azimuthal Aspect Dependence of Radar

S

Echoes. COSPAR XXVII Plenary meeting С Abstracts} 198S. Finland. Helsinki. P. 340CD. 1.1.93.

40. Oraevsky V.N and Ruzhin Yu.Ya. Recent Advances in Beam Injection Experiments. COSPAR XXVII Plenary meeting С Abstracts} 1SS8, Finland. Helsinki. P. 340CD. 1. 2.13,

41. Мишин E.B., "Ружин Ю.Я. „ Телегин В.А. Взаимодействие электронных потоков с ионосферной плазмой. Монография. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 264 с.

42. Ораевский В.К.» Мишин Е.В., Ружин Ю.Я. Искусственная инжекция энергичных частиц в околоземном космическом пространстве // Электромагнитные и плазменные процессы от Солнца до ядра Земли. М., Наука. 1989. С.77-85.

• 43. Ружин Ю.Я.„ Мойся Р.И.« Коробейников В.Г., Скомаровский B.C., Слюсарекко И.И. Чумак Ю.В. Радиолокационные исследования плазменных образований в эксперименте "КОМБИ". Препринт ИЗМИРАН № 42(927), М.: 1990,' IS с.

44. Oraeviiky V. N. . Ruzhin Yu.Ya.. Korobeinikov V. G. „ Skomarovs-ky V. S. „ Sinelnikov V. M. , Nesmeyanov. Pokhunkov A. A. . Baba-ev A. P.. Moisya R.I. and Slyasarenko I.I. Complex plasma-injection experiments for investigation of plasma-beam interactions. Adv. Space Res. 1S90. V.IO. No 7. P.113-118.

45. Ружин Ю.Я., Оуки А.А. Аномалия искусственной радиоаврори в области спорадического слоя ез // 18-я Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Тезисы, Харьков, 1990. С.253.

46. Мойся Р.И., Ружин Ю.Я., Слюсаренко И.И. Дифракционные эффекты при радиолокационных наблюдениях искусственной радкоавроры, Магнитос-фзрные исследования. № 15, М. I9S0. С.69-74.