Диффузия плазмы метеорных следов со сложным ионным составом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I Диффузия метеорной плазмы при различных физических условиях.

§1.1 Физические процессы в метеорной плазме •

§ 1.2 Метеорная плазма в отсутствие магнитного поля

§ 1.3 0 диффузии метеорной плазмы в магнитном поле

§ 1.4 Вывод уравнений распада многокомпонентной метеорной плазмы

§ 1.5 Решение системы уравнений динамики многокомпонентной метеорной плазмы с различными начальными условиями

За последнее время значительно возрос интерес к изучению метеорной плазмы, возникающей при взаимодействии межпланетных пылинок с земной атмосферой. Обусловлено это тем, что наблюдения метеорных следов позволяют получать информацию как о самих метеорных телах, так и о параметрах окружающей ионосферы.

Явление метеора происходит в области высот 80 - 120 км ( М-зона ), которая наименее изучена, но крайне важна для прогнозирования распространения радиоволн KB диапазона, для построения высотной модели атмосферы Земли, а также для многих метеорологических и геофизических задач. К сожалению, в М-зоне мы не можем иметь постоянно действующие искусственные лаборатории, а эпизодические пуски ракет не обеспечивают полную информацию об этой области и являются весьма дорогостоящим мероприятием. Другое дело метеоры. Это явление происходит всегда и легко может быть зафиксировано современными наземными фото и радиолокационными методами. С их помощью уже. получена ценная геофизическая информация о верхней атмосфере. Данные параллельных фото-радиолокационных наблюдений позволяют также сделать оценки скоростей химических реакций, протекающих в плазме метеорных следов и окружающей ионосфере.1

Интерес к исследованиям метеорной плазмы связан и с экспериментами с искусственными плазменными облаками, которые имеют много общих черт с метеорными следами. Но эксперименты с бариевыми облаками, так же, как и ракетные пуски,; носят уникальный характер.

Еще одним важным аспектом метеорной физики является вопрос о возможности определения химического состава метеорных тел на основе радиолокационных данных. Эта проблема представляется очень важной с космогонической точки зрения, поскольку существует генетическая связь метеорных тел и комет.

Основным источником информации^, позволяющим исследовать метеорную плазму при вторжении метеорных частиц в земную атмосферу, являются фотографические и радиолокационные наблюдения плазмы следов. Однако постановка и интерпретация этих наблюдений невозможна без разработки физической теории метеорной плазмы, описывающей взаимодействие с атмосферой метеорных тел различных масс, свечение метеорных следов1, взаимодействие электромагнитных волн с метеорными плазменными следами-.

Разработанная к настоящему времени теория формирования и распада метеорной плазмы в среднем удовлетворительно объясняет радиолокационные наблюдения. Однако в рамках этой модели не представляется возможным объяснить ряд наблюдательных фактов1, полученных в последнее время. К числу этих фактов можно отнести зависимость коэффициента диффузии, определяемого из радиолокационных наблюдений', от времени и от длины волны зондирующего сигнала при многочастотной радиолокации метеоров', негаус-совость радиального распределения электронов в метеорной плазме и так далее®.

Трудности, возникающие при попытках объяснения приведенных явлений, связаны с теШ, что при построении теории распада метеорной плазмы был сделан ряд ограничений, одним из которых является упрощенное представление об ионном составе метеорной плазмы. Принято считать, что из заряженных частиц в метеорной плазме содержатся только электроны и однократно ионизованные положительные ионы одного сорта. Спектральные же наблюдения указывают на присутствие в следах положительных ионов различных сортов, могут быть и отрицательные ионы, В связи с этим представляет интерес выяснить", как дополнительные сорта ионов одинаковой или же различной полярностей сказываются на динамике плазмы и на отражении радиоволн от метеорной плазмы, имеющей сложный ионный состав*;

Кроме того1, как для метеорной физики, так и для физики плазмы представляет интерес влияние магнитного поля Земли на диффузию метеорных следов и ионосферных неоднородностей. В присутствии магнитного поля коэффициенты диффузии плазмы в направлениях параллельном и перпендикулярном магнитному полю становятся различны, то есть диффузия является анизотропной и нарушается цилиндрическая симметрия следа'. С высотой замагничен-ность плазмы растет и, следовательно, эффект влияния геомагнитного поля на метеорную плазму должен расти. Однако здесь в настоящее время существует противоречие между теоретическими предсказаниями и экспериментальными наблюдениями метеоров. Если во всех теоретических работах ожидаемое уменьшение диффузии поперек магнитного поля должно достигать 2 * 50 раз в зависи- . мости от высоты, то экспериментально наблюдаемое уменьшение составляет, в лучшем случае, 20% от значения коэффициента диффузии в отсутствии магнитного поля. Следовательно вопрос о диффузии метеорной плазмы в магнитном поле Земли и об отражении радиоволн от такой плазмы является актуальным.

Цели и задачи настоящей работы заключаются в следующем:

I1. Разработать теорию расплывания метеорной плазмы недо-уплотненного типа с учетом присутствия в ней дополнительного сорта ионов одинаковой или различной полярности.

21. На основе этой теории найти выражение для амплитуды отраженного от следа радиосигнала.

3. Объяснить некоторые особенности радиолокационных измерений параметров метеорной плазмы, не укладывающиеся в рамки общепринятой модели распада метеорной плазмы^.

4. Выработать рекомендации по методике определения возможного ионного состава плазмы следов на основе радионаблюдений метеоров.

Объяснить противоречие между теоретическими предсказаниями и экспериментальными наблюдениями влияния геомагнитного поля на диффузию метеорной плазмы^.

6. Выработать рекомендации по методике экспериментального оцределения поперечного и продольного коэффициентов диффузии в замагниченной метеорной плазме5;

Защищаются следующие основные положения диссертации:

Г. Метод и результаты расчета распределений электронов и ионов в поперечном сечении метеорного следа для близких к реальным вариантов химического состава метеорной плазмы, включающих ионы разной природы и разных знаков заряда.

2. Согласующаяся с наблюдениями аппроксимация найденных распределений обобщенным гауссовским законом с дополнительным параметром, зависящим от химического состава плазмы и меняющимся в широких пределах;

3. Трактовка коэффициента амбиполярной диффузии, определяемого по спаду амплитуды метеорного радиоэха, как некоторого эффективного коэффициента Я^эср, а не истинного коэффициента диффузии плазмы.

4> Теоретически полученная и подтвержденная наблюдениями зависимость ^£)эсрОТ времени (на интервале существования радиоэха) и от длины волны РЛС.

5. Методика определения вероятного химического состава плазмы метеорных следов по радиолокационным наблюдениям.

6. Методика экспериментального определения влияния магнитного поля Земли на диффузию метеорной плазмы недоуплотненно-го типа, учитывающая взаимное расположение вектора геомагнитного поля, траектории пролета метеора и направления на РЛС.

Полученные в работе результаты позволяют дать более полную картину распада метеорных следов и правильно интерпретировать экспериментальные радиолокационные данные.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы и двух приложений.

Основные результаты данной работы можно сформулировать следующим образом:

ГУ Построена теория диффузионного распада метеорной плазмы со сложным ионным составом. Получены уравнения, описывающие поведение заряженных компонент плазмы.- Решена система уравнений с различными начальными условиями: в виде дельта-функции Дирака и с начальным радиусом.'

2. Показано, что сложный ионный состав плазмы следа приводит к отличию радиального распределения электронов от нормального, а в присутствии отрицательных ионов на оси следа появляется провал в распределении электронов. Полученные результаты можно применить к изучению распада спорадических слоев ионосферы [I]

3. Найдено, что подобные негауссовские распределения приводят к закону падения отраженного от плазмы радиосигнала со временем, отличному от экспоненциального.

4; Показано, что находимый по общепринятой методике из закона падения амплитуды коэффициент диффузии не является истинным коэффициентом амбиполярной диффузии, а некоторым параметром, названным эффективным коэффициентом диффузии.: Этот параметр является функцией времени и длины волны зондирующего след сигнала и совпадает с истинным коэффициентом диффузии только в случае неподвижного следа с гауссовским распределением электронов.

5. На основе полученных результатов объяснены следующие наблюдательные факты: . а) негауссовость радиальных распределений электронов поперек метеорного следа; б) зависимость определяемого из спада амплитуды коэффициента диффузии от времени в период существования метеорного отражения; в) зависимость определяемого из спада амплитуды коэффициента диффузии от длины волны при одновременной много-ч астотной радиолокации метеоров'; г) разброс коэффициентов диффузии, определяемых по радиолокационным данным, на заданной высоте.

6. Разработанная модель распада метеорных следов позволяет определять качественный ионный состав плазмы по радиолокационным данным,'

7. Получено уравнение диффузии метеорной плазмы в присутствии магнитного поля Земли, Найдена постоянная затухания отраженного от следа радиосигнала. Показано, что постоянная затухания существенным образом зависит от взаимного расположения траектории пролета метеора, вектора геомагнитного поля и направления на РЛС,

8.' Предлагается постановка эксперимента-, позволяющая на единичном метеоре определять значения коэффициентов диффузии вдоль и поперек магнитного поля.

Основные рекомендации, непосредственно вытекающие из приведенного исследования, заключаются в следующем:

Iv Общеизвестная методика определения коэффициента диффузии по радиолокационным наблюдениям метеоров разработана в предположении о нормальном распределении электронов поперек следа и справедлива только для таких следов. Любое отклонение распределения от нормального приводит к тому, что определяемый по данной методике параметр не будет истинным коэффициентом диффузии, а его следует интерпретировать как эффективный коэффициент диффузии.' Поскольку в реальных метеорных следах из-за сложного ионного состава плазмы распределение электронов отличается от гауссовского, то при интерпретации метеорных наблюдений следует учитывать результаты настоящей работы.

2. При экспериментальном изучении влияния геомагнитного поля на диффузию метеорной плазмы необходимо учитывать взаимное расположение вектора поля, траектории пролета метеороида и направления на РЛСу

Приношу искреннюю благодарность моему научному руководителю кандидату физико-математических наук Георгию Георгиевичу Новикову за постоянное внимание к работе, ценные советы, обсуждения и замечания.'

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Алимов 0., Блохин А.В., Новиков Г.Г., 0 раоплывании спорадического слоя Е ионосферы. Докл. АН Тадж ССР (1980), 23, 8, -с. 431-433.

2. Альвен Г., Фельтхаммар К.Г., Космическая электродинамика. М, "Мир", 1967, 260 с.

3. Аминов А.Н., Костылев К.В., 0 диффузии в метеорных следах. Геомагнетизм и аэрономия (1970), 10, 4, -с. 751-753.

4. Аминов А.Н., Тохтасьев B.C., Влияние неравновесности плазмы на диффузионный распад метеорного следа. Метеорное распространение радиоволн. Выпуск 9. Казань, Изд-во КГУ, 1970, -с. 30-37.

5. Аношкин B.C., Об эволюции бариевых облаков большой плотности. Геомагнетизм и аэрономия (1979), 19, 6, -с.1058-1066.

6. Астапович И.С., Некоторые результаты визуальных наблюдений метеорных следов. Исследование метеоров, М, "Наука", 1966, -с. 7-61.

7. Бабадаанов П.Б., Свечение и ионизация метеоров. Докл. АН Тадж ССР (1969), 184, 4, -с. 800-802.

8. Бабадаанов П.Б., Бибарсов Р.Ш., Определение скорости прилипания электронов по комбинированным фотографическим и радиолокационным наблюдениям метеоров. Геомагнетизм и аэрономия (1971), II, 2, -с. 303-313.

9. Бибарсов Р.Ш., Влияние атмосферной пыли и нейтральных частиц метеорного вещества на скорость образования отрицательных ионов в вледе. Кометы и метеоры № 21. Душанбе, "ДоншпУ. 1972, -с. 32-43.

10. Бибарсов Р.Ш.,' Блохин А.В., Новиков Г.Г., 0 деионизации метеорных следов в атмосфере Земли. Геомагнетизм и аэрономия (1980)у 20»"« 6, -с. III6-III8.

11. Бронштэн В.А., Физика метеорных явлений. М., "Наука", 1981 416 с.

12. Гершман Б.Н., Григорьев Г.И., 0 диффузии сильных неоднород-ностей в слабоионизированной магнитоактивной.плазме. Изв. вузов Радиофизика (1969)у 12, I, -с. 20-25.

13. Гершман Б.Н., Динамика ионосферной плазмы. М., "Наука", 1974, 256 с.

14. Гинзбург В.Л., Распространение электромагнитных волн в плазме. М.,.Физматгиз, I960, 552 с.

15. Гуревич А.В., Цедилина Е.Е., 0 диффузионном расплывании не-однородностей в слабоионизированной плазме (ионосфере). Геомагнетизм и аэрономия (1965), 5, 2, -с. 251-259.'

16. Делов И.А., К вопросу о неизотермичности метеорных следов.'

17. Астрономический вестник (1975), 9, 4, -с. 232-236.

18. Делов И.А., 0 влиянии термической диффузии на измеряемую скорость дрейфа метеорных следов. Геомагнетизм и аэрономия (1976) ,«16, I, -с. I9I-I93.

19. Дербенева А.Д.у 0 коэффициенте ионизации для метеорныхатомов. Геомагнетизм и аэрономия (1966), 6, 3, -с. 606. 607.

20. Добровольский О.В., Диффузия метеорных следов. Билл. Стал." АО (1952), I, -с. 15-26.

21. Докучаев В.П., Формирование ионизированного метеорного сле-. да. Астрономический журнал (I960), 37, I, -с. III-II4.

22. Докучаев В.П., Диффузия в метеорных следах. Изв. вузов -Радиофизика (I960), 3, I, -с. 50-56.

23. Жилинский А.П., Цендин Л.Д., Столкновительная диффузия частично ионизованной плазмы в магнитном поле. Успехи физ. наук (1980), 13£» вып. 3, -с. 343-385.

24. Ивченко И.О. и др., Эволюция бариевых ионных облаков по данным ионосферных кумулятивных экспериментов, 15 МКИГ, Минск, 1981, т. I, -с. 285-286.

25. Кайзер Т.Р., Интерпретация радиоэхо от метеорных следов. Метеоры. М., "Иностранная литература", 1959, -с. 96-110.

26. Кащеев Б. Л., Лебединец В.Н., Лагутин М.Ф., Метеорные явления в атмосфереЗЗемли. Результаты исследований по международным геофизическим проектам. М., "Наука", 1967, 260 с.

27. Коломиец Г.И., Фиалко Е.И., Мойся Р.И., 0 радиальном распределении электронов в метеорном следе. Исследования воздушных течений в верхней атмосфере. Фрунзе, "Ияим", 1974, -с. 67-71.

28. Кореньков Ю.И., Влияние движений в нейтральной атмосфере на сезонно-суточное поведение слоя Е . Геомагнетизм и аэр ономия (1979), 19, I, -с. 27-33.

29. Новиков Г.Г., Цыганков С.Ф., Рубцов Л.Н., Диффузионно-конвективная модель метеорной плазмы.1 Изв. вузов Радиофизика (1976), 19, 2, -с. 170-173.

30. Новиков Г.Г., Рубцов Л.Н., Ракттин А.И., Влияние отрицательных ионов на диффузию в метеорной плазме. Докл. АН Тадж ССР (1976), 19, 5,- -с. 15-18.

31. Новиков Г.Г., Цыганков С.Ф., Рубцов Л.Н., 0 возможности определения коэффициентов диффузии вдоль и поперек магнитного поля Земли по радиолокационным наблюдениям метеоров. Докл.

32. АН Тадж ССР (1976), 19, 10, -с. 13-15.39.- Новиков Г.Г., Рубцов Л.Н., Цыганков С.Ф., Влияние геомагнитного поля на поведение метеорной плазмы. Изв. вузов

33. Радиофизика (1978), 21, 3, -с. 309-315.

34. Новиков Г.Г., Цыганков С.Ф., Блохин А.В., Распределение электронной концентрации вдоль радиуса метеорного следа с учетом отрицательных ионов. Докл. АН Тадж ССР (1979), 22.1., -с. 657-659.'

35. Новиков Г.Г.', Цыганков С.Ф., Блохин А.В., 0 диффузии метеорной плазмы, содержащей два сорта ионов. Геомагнетизм иаэрономия (1981), 21, I, -с. 105-109.

36. Новиков Г.Г., Цыганков С.Ф., Об отражении радиоволн от метеорного следа, содержащего два сорта ионов. Изв. вузов Ра. диофизика (1981), 24, 12, -с. 1459-1466.

37. Новиуов Г.Г., Цыганков С.Ф., Влияние состава, метеорной плазмы на амплитудно-временные характеристики отраженного сигнала. Изв. вузов Радиофизика (1982),.25, 2, -с. 239241.

38. Новиков Г.Г., Цыганков С.Ф., 0 зависимости эффективногокоэффициента диффузии, определяемого по радиолокационным данным, от длины волны. Геомагнетизм и аэрономия (1982), 22, 5, -с. 867-868.

39. Новиков Г.Г., Цыганков.С.Ф., Влияние ионного состава на диффузию метеорных следов. Тезисы докл. Всес. конф. по физике и динамике малых тел солнечной системы. Душанбе 1-6 сентября 1982 г., Душанбе, "Дониш", 1982, -с. 35-36.

40. Новиков Г.Г., Рубцов I.H., Цыганков С.Ф., 0 влиянии градиента ветра в метеорной зоне на определение коэффициента диффузии по радиолокационным данным. Геомагнетизм и аэрономия (в печати).

41. Портнягин Ю.В., 0 влиянии многокомпонентное™ состава метеорных тел на характеристики радиоотражений от метеорных следов. Геомагнетизм и аэрономия (1971), II, 4, -с. 626. 629.

42. Портнягин Ю.И., Формулировка задачи о формировании и распаде метеорного тела в рамках кинетической теории. Труды

43. ЙЭМ (1972), вып. I (34), -с. 64-70.

44. Рожанский В.А., Цендин Л.Д., Расплывание сильной неоднородности на фоне безграничной слабоионизированной плазмы в магнитном поле. Физика плазмы (1977), 3, 2, -с. 382-387.

45. Рожанский В.А., Цендин Л.Д., Расплывание шнура слабоионизированной плазмы, образующей угол с магнитным полем. Геомагнетизм и аэрономия (1977), 17, 6, -с. 1002-1007.

46. Тохтасьев B.C., Зависимость коэффициента ионизации от скорости. Изв. АОЭ (1976), В 41-42, -с. 228-230.54.- Фурман A.M., Метеорная генерация отрицательных ионов. Некоторые проблемы исследования вселенной.- Л., Изд-во ВАГО,1 1971, -с. 169-183.

47. Федынский В.В., Ночные светящиеся метеорные следы. Труды Тадж. АО (1941), 2, -с. 4-46.

48. Цендин Л.Д., Влияние самосогласованного электрического поля на диффузионные и ионизационные явления в неоднородной плазме. Докт. диссертация, Ленинград, 1981, 325 с.

49. Чумак Ю.И., Взаимодействие радиоволн с плазмой метеорного следа. Канд. диссертация, Киев, 1979, 187 с.

50. Baggaley W.J. The effect of meteoric ion processes on radio studies of meteoroids. Moiu Not. Roy. Astrmiu Soc^ (1972), 159, 2, -p. 203-217;

51. Baggaley W.J., Multx frequence studies of radio-meteor train diffusion. Bull. Astron. Inst. Czech. (1980), 31, 5, -p. 305-308.

52. Baggaley W.J., Webb Т.Н., The geomagnetic control of the diffusion of meteoric ionization. Planet, and Space Sci. (1980), 28, 10, -p. 997-1001.

53. Ceplecha Z., Study of a bright meteor flare by means of emission curve of growth. Bull. Astron^ Inst. Czech. (1964); Л1» 3, -p. 102-112.65» Oeplecha Z., Complete data on bright meteor 32282. Bull. Astron. Inst. Czech. (1965), .16, 2, -p. 88-101.

54. CIRA-1972. Cospar International Reference Atmosphere. Berlin, Akaaemie-Verlag, 1972, 150 p.67* Dalmann B.K., The ion composition of the plasma produced by impacts of fast dust particles. Planet, and Space Sci. (1977), 25, 1, -p. 135-152.

55. Francey J.L.A., Diffusion of meteor trails in the Earth's magnetic field. Austral. J. of Phys. (1964), .17, 3, -p.315.322.

56. Fredricks R.W., IJastrup P., Ambipolar diffusion of a plasma in a weak magnetic field. The Physics of Fluids (1963)» 6, 1, -P. 36-39.

57. Giles M., Martelli G., Drift and diffusion on filament ion clouds in the Earth's ionosphere. Planet, and Space

58. Sci. (1969), 17» 10> -P- 1693-1707.

59. Greenhow J.S., Neufeld E.L., The diffusion og ionized meteor trails in the upper atmosphere. J. of Atmos. and Terr. Phys. (1955), 6, 2, -p. 133-140.

60. Holway L.H.Jr.,Ambipolar diffusion in a magnetic field. The Physics og Fluids (1965), 8, 6, -p. 1207-1208.

61. Holway L.H.Jr., Ambipolar diffusion in the geomagnetic.field. J. Geophys. Res. (1965), 70, 15, -p. 3635-3645.

62. Jones J., On the decay of underdence radio meteor echoes. Mon. Not. Roy. Astron. Soc. (1975), 173, 3, -p. 637-647.

63. Kaiser T.R., Radio echo studies of meteor ionization. Phil.blag. Supplement (1953), 2, 8, -p. 495-544.

64. Kaiser T.R., Pickering W.M., Watkins C.D., Ambipolar diffusion and motion of ion clouds in the Earth's magnetic field. Plan, and Space Sci. (1969), Г7, 3» "P* 519-552.

65. Lebedinets V.N., Manochina A.V., Chuchkova V.B., Interaction of the lower thermosphere with the solid component of the interplanetary mediem. Plan, and Space Sci. (1973) 21, 8, -p. 1317-1332.

66. Ivlainstone J.S., Elford W.G., Weiss A.A., A suggested improvement of the C.W. mechanique for measurement of meteor velocities. Austral. J. of Phys. (1958), 11, 2, -p.277.278.

67. Millman P.M., Meteor news. J. Soy. Astron. Soc. Canada (1971), 65, 1, -p. 37-38.

68. Millman P.M., Cook A.F., Hemenway C.L., Spectroscopy of Perseid meteor with an image orthicon. Can. J. of Phys. (1971), 49, 10, -p. 1365-1373.

69. Hagasawa Ko^, Analysis of the spectra of Leonid meteors. Ann. Tokyo Astron. Observ. (1978), JJo, 4, -p. 157-187.

70. Oskam H.J., Microwave investigation of disintegrating gaseous discharge plasmas. Philips Res. Repts, (1958), 13» 4, -pi 335-400.

71. Oscam H.J., Microwave investigation of desintegrating gaseous discharge plasmas. Part II. Philips Res. Repts. (1958), 13; 5, -p. 401-457.

72. Poole L.M.G., Nickolson T.F., The effect og ionic processes on the characteristics of radio-echoes from meteor train. Planet, and Space Sci. (1975), 23, 9, -p. 12611277:

73. Simek M., The influence of ambipolar diffusion on the shape of radio echoes from meteors. Can. J. of Phys. (1968), 46, 13, -p. 1563-1567.

74. Watkins C.D., Eames R., Ilickolson T.P., Further studiesof the effect of the Earth's magnetic field on meteor tra> ins. J. Atmos. and Terr. Phye. (1971), 33, 12, -p; 1907. 1921.

75. Weiss A.A., Diffusion coefficients from the rate of decay of meteor trails. Austral. J. of Phys^ (1955), 8, 1, -p^ 148-166;