Динамика плазменных неоднородностей декаметрового масштаба в различных областях атмосферы Земли тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

КАРАШТИН Анатолий Николаевич

ДИНАМИКА ПЛАЗМЕННЫХ НЕОДНОРОДНО СТЕЙ ДЕКАМЕТРОВОГО МАСШТАБА В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

01.04.03 радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

- 1 ОКТ 2009

Нижний Новгород 2009

003477933

Работа выполнена в федеральном государственном научном учреждении "Научно-исследовательский радиофизический институт'' Федерального агентства но науке и инновациям России.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

член-корреспондент РАН Мареев Евгений Анатольевич.

доктор физико-математических наук, профессор

Черкашин Юрий Николаевич.

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Иудин Дмитрий Игоревич.

Ведущая организация: Физический институт им. П. Н. Лебедева

РАН.

Защита состоится 20 октября 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.161.01 при федеральном государственном научном учреждении "Научно-исследовательский радиофизический институт" Федерального агентства по науке и инновациям России (ФГНУ НИРФИ) но адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Большая Печерская, 25/12а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГНУ НИРФИ.

Автореферат разослан 10 сентября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета 1 ' Кожеватов И. Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация посвящена исследованию динамики декаметровых неод-нородностей ионизированного компонента атмосферы в различных ее областях. Проведено теоретическое рассмотрение условий образования неод-нородносгей в Е-слое ионосферы и при воздействии мощным радиоизлучением на низкоширотный /•'-слой. Методом активного короткопол нового радиозондирования изучены декаметровые неоднородности в мочоефере и авроральной магнитосфере. Исследовано радиоизлучение молниевых разрядов ближних гроз в широком диапазоне частот с высоким временным разрешением.

Актуальность темы и предмет исследования

Ионизщюванный компонент присутствует практически во всех областях атмосферы. Его роль может быть определяющей как в природных явлениях, так и в хозяйственной деятельности, связанной, в основном, с использованием радиоволн, в том числе для дистанционной диагностики параметров атмосферы, что обусловливает неослабевающий интерес к его исследованию. Значительный интерес представляет нсодно]>однан структура этого компонента, в частности, неоднородности декаметровых масштабов, которые могут развиваться в широком интервале высот атмосферы, начиная от самых нижних ее слоев вплоть до магнитосферы на высотах в несколько тысяч километров, и являются довольно чувствительным индикатором разнообразных естественных и искусственных возмущений окружающей среды.

Плазменные структуры декаметровых масштабов могут развиваться в различных областях атмосферы от самых низких ее, слоен до высот магнитосферы. Изучение как самих структур, так и условий и механизмов их образования, вызывает неослабевающий интерес в связи с самыми разнообразными явлениями, происходящими в атмосфер. К таким явлениям можно отнести возбуждение неоднородностей нижней ионосферы как и результате дрейфовых движений заряженных частиц в геомагнитном поле, так и при внешних воздействиях, приводящих к изменению параметров плазмы, а также под .действием турбулентных и волновых движений нейтральной атмосферы. Модификация верхней ионосферы мощным радиоизлучением также приводит к ее интенсивному расслоению и образованию илазмеи-

ных структур различных масштабов. Наконец, интенсивные плазменные образования возникают в атмосфере в результате грозовой активности при возбуждении и развитии молниевых разрядов. Большая часть указанных явлений происходит в плазме, существенной особенностью которой является наличие столкновений с нейтральной компонентой атмосферы, которые во многих случаях являются определяющим фактором в процессах возбуждения и развития неоднородных структур.

Основной целью данной работы является исследование условий возбуждения и физических механизмов образования мелкомасштабных плазменных образований в земной атмосфере при наличии столкновений как в теоретическом плане, гак и экспериментально с использованием методов активного и пассивного радиозондирования в декаметровом диапазоне длин волн. Теоретические исследования позволили предложить новую непротиворечивую формулировку задачи о возбуждении мелкомасштабных неод-нородностей при наличии дрейфовых движений и регулярного градиента плотности, существенной особенностью которой является последовательный учет столкновений, который оказывает определяющее влияние на граничные условия задачи. Последовательный учет столкновений позволил также объяснить ряд наблюдаемых особенностей неоднородных структур. Другим направлением теоретических исследований является определение роли самофокусировочных неустойчивостей в формировании неоднородной структуры возмущенной мощным радиоизлучением области ионосферы, в том числе в низкоширотной ионосфер, где, как показано, они должны играть определяющую роль.

Для проведения экспериментальных исследований, связанных с активным радиозондированием, использовался уникальный ко1ютковолновый радар стенда СУРА, единственный в мире мощный радар, работающий в диапазоне частот 4,5 9.3 МГц. Разработанные методики радиозондирования и обработки данных измерений позволили предложить новый подход к изучению свойств авроральной магнитосферы на высотах в несколько тысяч километров. На основе данных радиозондирования мезосферы определены основные пространственно-временные характеристики плазменной турбулентности в области мезонаузы.

Исследование радиоизлучения молниевых разрядов с высоким временным разрешением проводилось с использованием специально разработанного уникального комплекса, включающего в себя ряд синхронно работаю-

щих установок, размещенных на территории стенде СУРА, характеризующейся низким уровнем промышленных помех. Аналогичный комплекс был развернут на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ТШВНС) и работал синхронно с установками |)егистрации широких атмосферных ливней и измерения гамма-излучении. Расположение ТШВНС на высоте более 3000 м над уровнем моря позволяет проводить исследования в непосредственной близости или даже внутри грозовых облаков. В результате провиденных исследований установлена непосредственная связь возбуждения молниевых разрядов с эффектом совместного действия пробоя на убегающих электронах и широких атмосферных ливней.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен новый подход к исследованию малых возмущений в слабо-ионизованной неоднородной плазме, который более всего согласуется с реальными условиями в ионосферном Е-слое. Проведена последовательная формулировка задачи и детальный анализ общих свойств малых флуктуаций плотности в неоднородной плазме применительно к Е-слою ионосферы. Показано, что ни один профиль плотности плазмы не может обеспечить локализацию плазменных возмущений без учета неоднородности частоты столкновений, которая и определяет своего рода граничные условия и высотную структуру возмущений Е-слоя.

2. Исследовано влияние нагрева электронов на устойчивость движущейся замагниченной слабоионизованной плазмы н области слоя Е и нижней части слоя F ионосферы. Показано, что при достаточно интенсивном нагреве, когда температура элект[Х)нов в 1.5 2 раза превосходит температуру ионов, возможно возбуждение особой термодиффузионной неустойчивости, которая приводит к эффективному мелкомасштабному расслоению ионосферной плазмы. Установлено также существенное влияние зависимости частоты столкновений электронов от температуры и неизотерм и чности плазмы на условия возбуждения неустойчивости Фарли-Бунемана.

3. Исследована самофокусировочная неустойчивость плазменных волн в условиях экспериментов но воздействию на слой ионосферы мощ-

ным радиоизлучением. Показано, что совместное действие тепловых и нондеромоторных эффектов приводит к эффективному мелкомасштабному расслоению плазмы с малыми характерными временами. Образующиеся неоднородности могут играть роль начальных возмущений для развития взрывной стадии резонансной и тепловой парам етри ческой неусто й ч и востей.

4. Проанализирована возможность возбуждения неоднородноегей и формирования сильно нелинейных хорошо определенных структур при модификации ионосферы в низких широтах. Показано, что захват волны накачки крупномасштабными неоднортдностями может приводить к изменению условий возбуждения мелкомасштабной турбулентности.

5. Предложен новый метод исследования магнитосферы с использованием коротковолнового радиозондирования. С использованием предложенного метода обнаружено рассеяние от области продольных гоков в авроральной магнитосфере на высотах порядка 3000 км. соот ветствующее ионно-звуковой турбулентности.

6. На основе экспериментальных исследований по радиозондированию мезосферы на частотах около 9 МГц исследована структура мезо-сферных КВ-радиоотражений. Показано наличие практически постоянно существующего турбулентного слоя в области летней мезопаузы. Изучен суточный и сезонный ход интенсивности мезосферных радиоотражений и распределение углов их прихода.

7. С использованием специально созданного инструментального комплекса исследовано радиоизлучения близких молниевых разрядов в широком диапазоне частот с высоким временным разрешением. Показано, что молниевые разряды могут инициироваться при совместном действии эффекта пробоя на убегающих электронах и широкого атмосферного ливня для энергии первичной частицы порядка 1016 эВ.

Методы и подходы, используемые в диссертации

1. При исследовании собственных мод неоднородной плазмы Е-глоя ионосферы проводится последовательный учет зависимости частоты

столкновений электронов от высоты, определяющий граничные условия и структуру мод.

2. Для анализа условий возбуждения неоднородноетей £-слоя используются уравнения переноса с кинетическими коэффициентами, учитывающими зависимость частоты столкновений электронов от их температуры.

3. Исследование возможности генерации мелкомасштабной турбулентности при воздействии мощного радиоизлучения на /•'-слой ионосферы в низких широтах проводится на основе численного моделирования распространения радиоволн в неоднородной среде в приближении геометрической оптики.

4. Коротко волновое радиозондирование щюводится с использованием современных методик кодирования и обработки сигналов, адаптированных к условиям экспериментов. Разработанные программы управления радаром, сбора и обработки данных позволяют реализовать различные схемы амплитудной и бифазовой модуляции зондирующего импульса, и [отводить измерения допплеровских сдвигав частот и углов прихода отраженных (рассеянных) локационных сигналов.

5. Исследование радиоизлучения молниевых разрядов проводится с использованием специально разработанного аппаратурного комплекса, позволяющего в грозовых условиях измерять квазистатическое электрическое поле, его вариации, волновую форму коротких электромагнитных импульсов с субмикросекундным временным разрешением и направление на источник таких импульсов. Все установки, входящие в комплекс, синхронизированы между собой с помощью специально вырабатываемого запускающего (триггерного) импульса.

6. Изучение связи молниевых разрядов с космическими частицами высоких энергий проводится на Тннь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН при совместных синхронизированных по времени регистрации широких атмосферных ливней и измерении радио- и гамма-излучения.

Научное и практическое значение проведенных исследований состоит в следующем.

Предложен новый подход к исследованию малых возмущений в сла-боионизованной неоднородной плазме, который более всего согласуется с реальными условиями в Е-слое ионосферы, заключающийся в последовательном учете влияния регулярной неоднородности плазмы на структуру собственных электростатических мод. Определяющую роль в формировании собственных мод при этом играет неоднородность частоты столкновений электронов, определяющая граничные условия задачи. Показана несправедливость квазилокального приближения при рассмотрения общего случая мелкомасштабной градиентно-дрейфовой неустойчивости и указано условие его применимости в частном случае наличия внешнего щюдольно-го тока.

Предложен новый механизм неустойчивости слабоионизованной ионосферной плазмы при наличии дрейфа термодиффузионный обусловленный конкуренцией процессов диффузии и термодиффузии. Данный механизм можег реализовываться в неизотермической плазме при учете зависимости частоты столкновений электронов от их температуры. Развитые представления использовались (другими авторами) для объяснения данных наблюдений радиоэхо от Е-слоя авроральной ионосферы (радиоэхо 3 типа).

Рассмотренная самофокусировочная неустойчивость плазменных волн в области отражения волны накачки при воздействии радиоизлучением на ионосферу можег служить источником затравочных неоднородностей для развития азрывной стадии резонансной и тепловой параметрической неус-тойчивостей в области верхнего гибридного резонанса.

Анализ возможности возбуждения неоднородных структур при модификации ионосферы в низких широтах позволил интерпретировать данные непосредственных наблюдений при прохождении ракеты через возмущенную область. Показано, что захват волны накачки крупномасштабными неоднородностями можег приводить к изменению условий возбуждения мелкомасштабной турбулентности.

Создание многоцелевого исследовательского радара с гибкой системой управления и сбора данных на базе сгенда СУРА позволило более эффективно проводить радиозондирование различных объектов ближнего космоса от нижних слоев земной ионосферы до солнечной короны. В частности, была обнаружена ионно-звуковая турбулентность в области продольных -гаков авроральной магнитосферы на высотах в несколько тысяч километ-

рои.

Проведенные с помощью радара стенда СУРА исследования мезосферы позволили определить основные характеристики мелкомасштабной плазменной турбулентности в этой области: пространственно-временное поведение, суточный и сезонных ход, допплеровские скорости и распределение углов прихода рассеянных сигналов, связь появления спорадических слоев с поведением регулярного профиля электронной концентрации. Результаты исследований показали хорошее согласие с теоретическими представлениями о возбуждении турбулентности замагниченной компоненты атмосферы турбулентностью нейтральной атмосферы.

Создан аппаратурный комплекс для исследования радиоизлучения молниевых разрядов в широком диапазоне частот с высоким временным разрешением, который может быть использован и для изучения коротких электромагнитных импульсов другой природы. Полученные с использованием созданного комплекса данные позволили получить свидетельство реализации механизма пробоя на убегающих электронах в молниевом разряде и установить возможность возбуждения молниевого разряда широкими атмосферными ливнями при выполнении условий щюбоя па убегающих электронах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования малых возмущений в слабоионизованной неоднородной плазме в условиях, более всего согласующихся с реальными условиями в ионосферном £-слое.

2. Результаты исследования влияния нагрева электронов на устойчивость движущейся замагниченной слабоион изованной плазмы в области слоя Е и нижней части слоя Р ионосферы.

3. Результаты исследования [юли самофокусировочиых неустойчивос-тей на формирование неоднородной структуры возмущенной мощным радиоизлучением области ионосферы.

4. Результаты экспериментальных исследований авроральной магнитосферы методом коротковолнового радиозондировании.

5. Результаты коротковолнового зондирования ат мосферы на мезосфер-ных высотах.

6. Результаты экспериментальных исследований радиоизлучения молниевых разрядов в широком диапазоне частот с высоким временным разрешением.

Апробация работы

Изложенные в диссертации результаты неоднократно докладывались на семинарах ФГНУ НИРФИ, семинарах Шведского института космической физики, гг. Уписала, Кируна, Института электротехники Корнелльского университета, г. Итака (США), Института аэрономии им. М. Планка, Лин-дау (Германия), на многих международных конференциях и симпозиумах, включая I VII Международные Суздальские симпозиумы УРСИ (Суздаль, 1986, 1988, 1991; Уписала, Швеция, 1994; Москва, 1998, 2004, 2007), XXVI Генеральную ассамблею УРСИ (Прага, 1990), XVI, XXV, XXVII Генеральные ассамблеи европейского геофизического общества (Висбаден, Германия, 1991; Ницца, Франция, 2000, 2002), Международную конференцию по электромагнитному рассеянию в газах и плазме (ЕБСАР, Ассуа. Франция, 1994), 21 ежегодную конференцию общества дистанционного зондировании (1133-21, Саутгемнтон, Англия, 1995), международный симпозиум "Плазменные неустойчивости в Е-глое ионосферы" (Линдау, Германия, 1995), Международную научную конференции "Суверенный Казахстан: 15-летний путь развития космической деятельности" (Алматы, 2006), Европейский конгресс по наукам о планетах (Берлин, Германия, 2006), Между народную научную конференции "Плазменно-волновые процессы в магнитосферах, ионосферах и атмосферах Земли и планет" (Нижний Новгород, 2009). Кроме того, изложенные в диссертации результаты были представлены в докладах на XIII, XV Всесоюзных и XVIII, XXII Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Горький, 1981; Алма-Ата, 1987; Санкт-Петербург, 1996; Ростов-на-Дону Лоо, 2008), совещаниях по программе фундаментальных исследований отделения физических наук и отделения наук о земле РАН "Физика атмосферы: электрические процессы, радиофизические методы исследований" (Нижний Новгород, 2003, 2004, 2005), VI Российской конференции по атмосферному электричеству (Нижний Новгород, 2007).

Публикации

Всего но теме диссертации опубликовано 64 работы. Из них 23 ста-

тьи в рецензируемых журналах, в том числе 11 работ в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов (Письма в ЖЭТФ, Геомагнетизм и аэрономия, Известии ВУЗов. Радиофизика, Журнал технической физики), 12 публикаций в международных журналах (Physics Letters A, Journal of Geophysical Research, Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, Annales Geophvsicae, Physics of Plasmas, Physica Scripta), и 8 работ в трудах всероссийских и международных симпозиумов и конференций.

Личный вклад автора

Представленные в диссертации результаты получены автором, в основном, в итоге совместных исследований. Работа |8| выполнена без соавторов. В работах [16, 22], носящих обзорный характер, автору принадлежат части, касающиеся технических характеристик радара, стенда СУРА, результатов радиозондирования магнитосферы и мезосферы, исследования молниевых разрядов. Работы по зондированию магнитосферы |4, 5] и ме-зосферы [11, 13, 14, 23] выполнены под руководством автора, ему принадлежат идея исследований, методика проведении и часть программного обеспечения измерений и обработки данных, интерпретация полученных результатов, а также написание статей. В работе [18] автору принадлежат результаты коротковолнового зондирования и их сопоставление с результатами средневолнового зондировании, написание статьи. В работах |2, 6, 10 J ¡юль штора заключалась в конкретной формулировке задачи, проведении исследований и совместном написании статей. В работе [15] автором выполнено численное моделирование и написаны соответствующие разделы. В работах [17, 19, 20, 21] автору принадлежат относящиеся к наблюдениям радиоизлучения молниевых разрядов методика, определение требований к аппаратуре, программное обеспечение измерений и обработки данных, совместное написание статей.

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность и благодарность всем сотрудникам, оказавшим помощь при выполнении работ, составивших основу настоящей диссертации, а именно, сотрудникам ФГНУ НИРФИ В. И. Абрамову, А. М. Бабиченко, [В. В. Беликовичу], [ТГ Ф. Белову , В. В. Бычкову, Е. Б. Ерышеву, А. Я. Калашникову. О. С. Караштиной,

Г. П. Комракову, А. А. Лисову, В. О. Рапопорту, К). А. Сазонову, К). В. Токареву, К). В. Шлюгаеву, коллективу загородной лаборатории "Васильсурск"; сотрудникам ФИАН А. В. Гу реви чу, К. П. Зыбину, М. О. Птицыну, В. А. Рябову, А. П. Чубенко, А. Л. Щепетову; сотруднику ТШВНС ФИАН Л. И. Вильдановой; сотрудникам ДГП "Институт ионосферы" МОН PK В. П. Антоновой и С. В. Крюкову; сотрудникам РИ HAH Украины А. А. Коноваленко и К). М. Ямпольскому; М. С. Kelley и D. L. Hysell (Корнелльский университет, Итака, США); J. F. Providakes (MITRA, Бостон, США); Т. Hagfors (Институт аэрономии, Линдау, Германия).

Все представленные исследования выполнены в соответствии с планом работ ФГНУ НИРФИ, в частности, при поддержке РФФИ: "Исследование серебристых облаков с помощью радара на базе стенда "Сура" (грант РФФИ 94-05-16862-а), "Экспериментальные исследования суточных и сезонных характеристик мезосферных среднеширогных радиоотражений в КВ диапазоне" (грант РФФИ 96-05-79132-к), "Радиолокационные исследования мезосферной турбулентности в КВ диапазоне" (грант РФФИ 99-05-64483-а), "Ко{ютковолновое радиозондирование мезосферы" (грант РФФИ 03-05-65169-а), "Исследование радиоизлучения молнии с высоким временным разрешением" (грант РФФИ 06-05-65024-а), а также ряда экспедиционных грантов РФФИ (99-05-79068-к, 00-05-79057-к, 01-05-79186-к, 07-05-10046-к, 08-05-10026-к). Работа была нолдоржана также; грантами МНТЦ и фондом Дж. Сороса.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из Введения, пяти основных глав и Заключения. Общий объем диссертации 290 страниц, в -том числе 53 рисунка, 6 таблиц и 170 библиографических наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении показаны актуальность и цель выполненной работы, определен предмет исследования, кратко изложены основные результаты, представленные к защите, отмечена их новизна, а также научная и прак-ти1 [еская з н а11 и мосгь.

Глава 1 посвящена исследованию процессов возбуждения неоднород-ностей Е-слоя ионосферы за счет различных плазменных неусгойчивоегей, которые можно условно разделить на два класса. Одни из них, как неустойчивость Фарли-Бунемана, возникающая за счет превышения скоростью дрейфа электронов тепловой скорости ионов в условиях, когда электроны замагничены, а ионы нет, могут возбуждаться в однородной плазме. Другие, как так называемая градиентно-дрейфовая неустойчивость, возникающая за счет дрейфа заряженных частиц в неоднородной плазме, существенным образом обусловлены неоднородностью среды. Для неустойчи-востей, способных развиваться в однородной с{>еде, проведено исследование влияния термодиффузионных процессов, а также зависимости частоты столкновений электронов от температуры на условия их возбуждения. Показано, что учет этих факторов существенным образом изменяет процесс возбуждения неустойчивости Фарли-Бунемана, а в неизотермической плазме может приводить к появлению нового типа неустойчивости термодиффузионной, которая определяется кинетическими процессами. Для второго класса неуетойчивостей проведен последовательный учет неоднородности среды. Показано, что принятый ранее квазилокальный подход к исследованию градиентно-дрейфовой неустойчивости, приводящий к существенному увеличению ее инкремента по сравнению с аналогичной неустойчивостью лабораторной плазмы, вообще говоря, некорректен, поскольку противоречит условию применимости квазилокального приближения.

В разделе 1.1 проводится последовательная формулировка задачи и детальный анализ общих свойств малых флуктуаций плотности в неоднородной плазме. В разделе 1.1.1 выведены связанные дифференциальные уравнения для малых возмущений в одномерно стратифицированной плазме в неэкваториальной геометрии магнитного ноля при последовательном учете как неоднородности плотности плазмы, так и неоднородности частот столкновений. Результаты, которые могут быть получены с помощью "квазилокального" подхода при использовании подходящих граничных усло-

вий, обсуждаются в разделе 1.1.2. Уравнение Шредингера, описывающее собственные моды плазменных флуктуации для чисто электростатической формулировки задачи выведены в разделе 1.1.3. Возможность существования флуктуаций, локализованных резкими градиентами профиля плотности плазмы, исследованы в разделе 1.1.4. Общая задача на собственные числа и собственные моды рассмотрена в разделе 1.1.5. Отношение полученных результатов к плазменным колебаниям в Е-слое ионосферы обсуждается в разделе 1.1.6.

В разделе 1.2 исследуется устойчивость движущейся замагниченной слабоионизованной плазмы при нагреве электронов, который может осуществляться как за счет искусственного воздействия, например, с помощью мощного радиоизлучения, так и за счет естественных причин, таких как высыпания быстрых частиц в авроральных районах. Показано, что при достаточно интенсивном нагреве, когда температура электронов в 1.5 2 раза превосходит температуру ионов, возможно возбуждение особой термодиффузионной неустойчивости. Эта неустойчивость приводит к эффективному мелкомасштабному расслоению ионосферной плазмы возбуждению сильно вытянутых вдоль магнитного поля неоднородностей с характерным поперечным размером г± ~ 1 10 м. Определена роль зависимости частоты столкновений электронов от температуры при возбуждении неустойчивости Фарли-Вунемана. В разделе 1.2.1 рассмотрена динамика малых возмущений замагниченной слабоионизованной нлазмьг на основе уравнений переноса для концентрации квазинейтральной плазмы и температур электронов и ионов. На основе полученных уравнений в разделе 1.2.2 рассмотрены условия возбуждения термодиффузионной неустойчивости, определены ее пороги и инкременты. Влияние термодиффузионных процессов на возбуждение неустойчивости Фарли-Бунемана изучено враз-деле 1.2.3. Предельно малые масштабы неоднородностей рассмотрены в разделе 1.2.4 на основе кинетического описания ионов.

Глава 2 посвящена исследованию роли самофокусировочных неустой-чивостей в формировании неоднородной структуры области ионосферы, возмущенной мощным радиоизлучением. С одной стороны, самофокусировка волны накачки приводит к крупномасштабной (с масштабами порядка 1 км) структуризации возмущенной области, а ее захват в неоднородности с соответствущими параметрами к возможности эффективного взаимодействия с низкоширогной ионосферой. С другой стороны, само-

фокусировка плазменных волн может служить источником затравочных неоднородностей для эффективного развития резонансной и тепловой параметрической неустойчивостей.

В разделе 2.1 рассматривается самофокусировка плазменных волн, возбужденных за счет параметрических неустойчивостей. Показано, что высокий уровень энергии плазменных волн может вызвать нондеромотор-ные эффекты, воздействующие на тепловые явления, которые могут даже определять поведение самофокусировочной неустойчивости. В разделе 2.1.1 выведены общие дисперсионные соотношения для самофокусировочной неустойчивости при учете как тепловых, так и стрикционных эффектов. В разделе 2.1.2 найдено решение для прослой модели монохроматической плазменной волны, распространяющейся вдоль магнитного поля в однородной плазме. Это решение описывает основные особенности самофокусировочного процесса. В разделе 2.1.3 проводится сопоставление полученных результатов с данными экспериментов.

Раздел 2.2 посвящен анализу возможности возбуждения неоднородностей и формирования сильно нелинейных хорошо определенных структур при модификации ионосферы в низких широтах. Основные особенности нелинейных структур, развитых вследствие самофокусировки на неодно-родностях волны накачки, распространяющейся вдоль магнитного поля, рассмотрены в разделе 2.2.1. В разделе 2.2.2 продемонстрировано, что для низкоширотной ионосферы существует реальная возможность формирования нелинейных структур при ее модификации мощным радиоизлучением за счет самофокусировки волны накачки на группах мелкомасштабных неоднородностей. От мечено, что условия самофокусировки удовлетворяются здесь только для снкциальных направлений и далеко не всюду в отличие от случая высоко- и среднеширопюй ионосферы. Поэтому только часть лучей волны накачки может быть захвачена неоднородностями, что качественно объясняет основные особен носги пел иной ной структуризации в низкоширотной ионосфере.

Глава 3 посвящена исследованию авроральной магнитосферы методом коротковолнового радиозондирования. Используемый инструмент- исследовательский радар стенда СУРА описан в разделе 3.1, его технические характеристики детально рассмотрены в разделе 3.1.1, а области современно!« использования в разделе 3.1.2.

В разделе 3.2 рассматриваются теоретические предпосылки проведе-

ния радиолокационных исследований авроральной маг нитосферы, основываясь на результатах работ по возбуждению ионно-звуковой неустойчивости в области продольных токов. В разделе 3.2.1 проведены оценки интенсивности рассеянного сигнала, основанные на модели спектра ионно-звуковой неустойчивое™, а в разделе 3.2.2 оценка уровня флуктуаций плотности, который может быть обнаружен с помощью радара стенда СУРА.

В разделе 3.3 рассмотрены вопросы адаптации техники альтернативного кодирования, первоначально разработанной для радаров некогерентного рассеяния, к корогковолновому зондированию с использованием радара стенда СУРА. Указанная техника кодирования позволяет достичь требуемого пространственного и спектрального разрешения и обеспечить существенное улучшение отношения сигнал/шум, порядка К)3, при использовании модифицированного алгоритма обработки данных. Основные свойства альтернативных кодов описаны вразделе 3.3.1. В разделе 3.3.2 рассмотрены вопросы, связанные с возможностью существования в КВ диапазоне сильного побочного локационного сигнала на тех же дальностях, что и маг-нитосферное эхо, или близких к ним, обусловленного наклонным отражением зондирующей волны от ионосферы и обратным рассеянием от земной поверхности. Даже боковые лепестки диаграммы направленности антенны могут вызывать возвратно-наклонные сигналы, большие но сравнению с магнигосферными. Вопросы, связанные с оверсамплингом (избыточностью оцифровки) данных и соответствующая модификация алгоритма обработки, рассмотрены в разделе 3.3.3. Проблемы, связанные с невозможностью оценить энергию рассеянного сигнала от различных дальностей при работе радара стенда СУРА (что связано с наличием только одного частотного канала в отличие от установок некогерентного рассеяния, использующих несколько частотных каналов) и способы их решения рассматриваются в разделе 3.3.4.

В разделе 3.4 приводятся данные радиозондирования авроральной магнитосферы, свидетельствующие о наличии ионно-чнуковой турбулентности в области продольных токов. В разделе 3.5 обсуждаются полученные результаты.

Глава 4 посвящена радиолокационным исследованиям мезосферы с использованием радара стенда СУРА, описанного вразделе 3.1. Радиозондирование мезосферы с использованием КВ радара стенда СУРА пока-

зывает практически постоянное наличие радиоэхо от области мезопаузы (высоты около 85 км) в этом диапазоне частот и спорадические слои на более низких высотах. Дли наблюдаемых мезосферных КВ радиоотражен и Л характерна слоистая по высоте структура, причем отражения от области мезопаузы носят, как правило, ту[>булентный характер. В летний период наблюдаются также и спорадические слои повышенной интенсивности (либо спорадическое усиление уже существующих слоев), соответствующие, вероятно, явлению мезосферного летнего эхо (МБЕ), наблюдавшемуся с использованием УКВ радара.

В разделе 4.1 рассматривается методика наблюдений, а в разделе 4.2 структура меюсферных радиоэхо, вероятность наблюдения и высотно-временные характеристики радиоотражений, а также наблюдаемые по до-пилеровскому сдвигу частоты скорости вертикальных движений.

Суточное и сезонное поведение радиоотражений рассмотрено в разделе 4.3. Показано, что суточные вариации интенсивности определяются, в основном, изменениями уровня ионизации атмосферы на мезосферных высотах вследствие изменении освещенности ее Солнцем в течении суток. В результате исследования сезонного хода мгутосферных радиоэхо выяснено практически постоянное наличие радиоотражения умеренной интенсивности от тонкого слоя, расположенного на высоте 82 84 км, независимо от сезона наблюдений, в интенсивности которого четко просматривается полугодовая вариация: и зимний и летний периоды средняя амплитуда рассеянных сигналов значительно выше, чем в осенний и весенний. В летний период наблюдаются также и спорадические слои повышенной интенсивности (либо спорадическое усиление уже существующих слоев), по всей видимости соответствующие явлению МБЕ.

В разделе 4.4 детально исследованы углы прихода мезосферных радиоэхо. Показано, что распределение углов прихода радиоэхо от области мезопаузы в среднем довольно широкое, ч то свидетельствует о турбулентном характере рассеяния зондирующего сигнала. Обнаружены быстрые временные вариации как интенсивности радиоотражений, так и углов их прихода, с характерными временами порядка секунды и менее, которые могут быть объяснены только временной нестационарностью неоднородно-стей электронной плотности с указанными характерными временами.

В разделе 4.5 приведены результаты одновременного зондирования мелосферы с использованием СВ- и КВ-радаров на частотах около 3 и 9

МГц с одинаковым пространственным и временным разрешенном. Показано, что радиоотражения от мезосферы в этих диапазонах не коррелируют между собой ни но времени, ни но дальности. В среднем, до высоты ~ 85 км интенсивность КВ-радиоэхо практически повторяет профиль электронной концентрации (который определялся по данным СВ-радара установки частичных отражений), что в целом согласуется с теорети чески ми представлениями о возбуждении турбулентности замагниченной компоненты атмосферы турбулентностью нейтральной атмосферы. Вместе с тем, на меньших временах усреднения наблюдаются спорадические слои на высотах меньше 80 км, которые образуются только при наличии локального минимума электронной концентрации (что, однако, не является достаточным условием образования слоя) и только в области этого минимума.

Глава 5 посвящена исследованию радиоизлучения близких молниевых разрядов в широком диапазоне частоте высоким временным разрешением.

В разделе 5.1 описан используемый инструментальный комплекс, состоящий из установок для измерения квазистатического электрического поля (флюксметр), его вариаций в диапазоне частот 50 Гц 10 кГц (на основе датчика конденсаторного типа, измерение напряжения), производной электрического поля в диапазоне частот 50 Гц 2 МГц (на основе датчика конденсаторного типа, измерение тока), волновой формы радиоизлучения с временным разрешением до 16 не с возможностью определения направления на источник излучения корреляционным методом (КВ радиоустановка, диапазон частот 100 кГц 30 МГц, ориентирована на обнаружение и регистрацию коротких импульсов), УКВ радиоизлучения (двухбазовый радиоинтерферометр на частоту 400 МГц). Инструментальный комплекс дополнен грозопеленгатором фирмы Вок,ек для мониторинга грозовой обстановки на расстояниях до 500 км от пункта наблюдения.

В разделе 5.2 описаны результаты наблюдений радиоизлучения молниевых разрядов и его основные свойства. Показано, что коротковолновое радиоизлучение молнии представляет собой последовательность коротких импульсов, причем уровень фона между молниями не отличается от уровня фона в спокойных условиях (при данной чувствительности). Каждая молния начинается с серии очень коротких (менее 100 наносекунд) биполярных импульсов, до начала которой не регистрируется никакого радиоизлучения, отличного от фонового. Форма, ширина и амплитуда первого радиоимпульса молнии согласуется с предсказываемыми теорией совместного действия

эффекта пробоя на убегающих электронах и широкого атмосферного линия для энергии первичной частицы порядка 101е :-)В.

В разделе 5.3 исследовано радиоизлучение широких атмосферных ливней в грозовых условиях. Показано, что оно может быть обусловлено взаимодействием ливня с грозовым электрическим полем при наличии условий для возникновения пробоя на убегающих электронах. При достаточной энергии первичной частицы широкий атмосферный ливень может: в соответствующих условиях инициировать молниевый разряд.

В разделе 5.4 рассмотрены результаты одновременных измерений радио* и гамма-излучения в грозовых условиях. Показано наличие случаев высокой их корреляции, свидетельствующее о реализации механизма пробоя на убегающих электронах.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты диссертационной работы

1. На основе детального анализа общих свойств малых флуктуаций плотности в Е-слое ионосферы, основанного на использовании нового подхода к исследованию малых возмущений в слабоионизованной неоднородной плазме, который более всего согласуется с реальными условиями, найден спектр собственных мод в '"классическом" пределе. Показано, что ни один профиль плотности плазмы не может обеспечить локализацию плазменных возмущений без учета неоднородности частоты столкновений, которая определяет граничные условия и высотную структуру возмущений Е-слон.

2. Показано, что при достаточно интенсивном нагреве электронов, когда их температура в 1.5 2 раза превосходит температуру ионов, в области слоя Е и нижней части слоя Р ионосферы возможно возбуждение особой термодиффузионной неустойчивости при скоростях дрейфа поперек магнитного поля, существенно меньших тепловой скорости ионов. Установлено существенное влияние зависимости частоты столкновений электронов от температуры и неизотермичности плазмы на условия возбуждения неустойчивости Фарли-Бунемана.

3. Показано, что в условиях экспериментов по воздействию на /•'-слой ионосферы мощным радиоизлучением совместное действие тепловых и нондеромоторных эффектов приводит- к эффективному мелкомас-

штабному расслоению плазмы за счет самофокусировочной неустойчивости плазменных волн. Образующиеся неоднородности могут играть роль начальных возмущений для развития взрывной стадии резонансной и тепловой параметрической неусгойчивостей.

4. Установлено, что захват волны накачки крупномасштабными по сравнению с длиной волны неоднородностями может приводить к изменению условий возбуждения мелкомасштабной турбулентности при модификации ионосферы в низких широтах. Найдены требуемые характеристики таких неоднородносгей.

5. На базе стенда СУРА создан многофункциональный исследовательский коротковолновый радар. В экспериментах по радиозондированию авроральной магнитосферы с применением адаптированной техники альтернативного кодирования обнаружено рассеяние от области продольных токов на высотах порядка 3000 км, соответствующее ионно-звуковой турбулентности.

6. На основе экспериментального исследования мезосферы с использованием КВ радара стенда СУРА:

• Обнаружено, что для мезосферных КВ-радиоотражений характерна слоистая по высоте структура при практически постоянном наличии сильных радиоэхо от области мезопаузы в инте!>-ваде высот 83 90 км. Вертикальная скорость движения слоев в области мезоиаузы, определенная по долплеровскому сдвигу частоты, обычно направлена вниз и имеет величину порядка 1 м/с.

• Обнаружена выраженная полугодовая вариация интенсивности радиоэхо с максимумами в зимний и летний периоды. В летний период наблюдаются спорадические слои повышенной интенсивности, соответствующие явлению мезосфернога летнего эхо, наблюдавшемуся с использованием УКВ радаров.

• Показано, что распределение углов прихода радиоэхо от области мезопаузы свидетельствует о турбулентном характере рассеяния зондирующего сигнала. Обнаружены быстрые временные вариации как интенсивности радиоотражений, так и углов их прихода, которые могут быть объяснены только временной несгационар-

ностью неоднородностей электронной плотности.

• При одновременном зондирование мезосферы в КВ- и СВ- диапазонах установлено, что радиоотражения от мезосферы в этих диапазонах не коррелируют между собой ни по времени, ни по дальности, что обусловлено различными физическими механизмами, определяющими их формирование. В среднем, до высоты ~ 85 км интенсивность КВ-радиоэхо практически повторяет профиль электронной концентрации, что согласуется с теоретическими представлениями о возбуждении плазменной турбулентности турбулентностью нейтральной атмосферы. Спорадический слой в КВ-радиоэхо на высотах ниже 80 км образуется в области локального минимума электронной концентрации и только во время его существования, хотя само по себе наличие этого минимума не является достаточным условием образования слоя.

7. Создан инструментальный комплекс для исследования радиоизлучения близких молниевых разрядов в широком диапазоне частот с высоким временным разрешением, позволивший впервые установить, что коротковолновое радиоизлучение молнии на стадии, предшествующей возвратному удару, представляет собой последовательность коротких импульсов. Каждый молниевый разряд начинается с серии очень коротких (менее 100 наносекунд) биполярных импульсов, промежутки между которыми составляют десятки и сотни микросекунд; до начала серии не регистрируется никакого радиоизлучения, отличного от фонового. Форма, ширина и амплитуда первого радиоимпульса молнии согласуется с предсказываемыми теорией совместного действия эффекта пробоя на убегающих электронах и широкого атмосферного ливня для энергии первичной частицы порядка 1016 эВ.

8. В результате совместных исследований радио- и гамма-излучения, выполненных на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН, получено свидетельство реализации механизма пробоя на убегающих электронах. По временной корреляции начала радиоизлучения молнии с приходом широкого атмосферного ливня получены прямые данные о возможности инициации последним молниевого разряда.

Список основных работ автора по теме диссертации

|1| Васъков. В. В. Тепловая самофокусировочная неустойчивость плазменных волн и области реюнялса / В. В. Васьков, А. В. Гуревич, А. Н. Карают» //' Геммипт-тчзм и аэрономия. 1981. Т. 21, № 6. С. 973 980.

|2| Гуреаич, А. В. Мелкомасштабная термодиффу тонная неустойчивость в нижней жшосферр. / А. В. Гуревич, А. Н. Караштил // Геомагнетизм и аэрономия. 1984. Т. 24, №. 6. С. 885 893.

[3| Influence of thermal diffusion on plasma instabilities in the lower part of the. ionosphere / A. V. Gurevich, A. N. Karashtin, L. Stenflo, M. S. Tsimring // Physica Scripta. 1990. V. 41. P. 685.

|4| Радиолокация магнитосферной турбулентности / A. M. Байичелко, А. В. Гуревич, А. Н. Караштин, В. О. Рапопорт // Пиама в ЖЭТФ. 1991. Т. 53. С. 139 143.

[5| HF sounding of the auroral magnetosphere / A. V. Gurevich, A. M. Babiche.nko, A. N. Karashtin, V. O. Rapoport // J. Geophys. Res. 1992. V. 97. P. 8693 869Q.

|6| Gurr.vich, A. V. Self-focusing instability of plasma waves excited by powerful HF radiation / A. V. Gurevich, A. N. Karashtin // Phys. Lett. A. 1994. V. 195. P. 362 368.

[7| Plasma density perturbations in the ionospheric E-rcgion / A. V. Gurevich, N. D. Borisov, A. N. Karashtin, K. P. Zybin // Phys. Lett. A. 1995. V. 208. P. 214 222.

|8| Karashtin, A. N. An alternating coding technique for HF magnetosphere sounding at the SURA facility / A. N. Karashtin // J. Atmos. Terr. Phys. 199G. V. 58. P. 1097 111Ю.

[9| HF radar probing of the lower magnetosphere / D. L. Ну sell, M. C. Kellev, A. V. Gurevich et, al. //' J. Geophys. Res. 1997. V. 102. P. 4805 4874.

[1()| Karashtin, A. N. Density irregularities in the weakly ionized nonuniform plasma / A. N. Karashtin, A. V. Gurevich, K. P. Zybin // Phys. Plasmas. 1997. V. 4. P. 4090 4102.

[11| First radar measurements of summer mesopause echoes at SURA / A. N. Karashtin, Y. V. Shlyugacv, V. I. Abramov et al. // Ann. Geophys. 1997. July. V. 15, N. 7. P. 935 941.

|12| Self-oscillations and bunching of striations in ionospheric modifications / A. Gurevich, T. Hagfors, H. Carlson et al. // Phys. Lett. A. 1998. March. V. 239. P. 385 392.

1131 Первые результаты коротковолновой радиолокации мезосферы / А. Н. Караштин, Ю. В. Шлюгаси, В. II. Абрамов и др. //' Геомагчегтим и алроипмия. 1998. Т. 38, №4. С. 100 107.

|14| Сезонное поведение, среднешщнлных коротковолновых мезосферных радиозхо /' А. Н. Караштин, Ю. В. Шлюгаев, И. В. Березин, Г. П. Комраков // Изв. ВУЧпа. Радиофизика. 1998. Т. 41, № 10. С. 1248 1257.

|15| Nonlinear structuring of the ionosphere modified by powerful radio waves at low latitudes / A. Gurevich, H. Carlson, M. Kelley et, al. // Phys. butt. A. 1999. February. V. 251. P. 311 321.

|16| Радиолокационные исследования на стенде. СУРА / А. Н. Караштин, Г. П. Комраков, Ю. В. Токарев, Ю. В. Шлюгаев // Изв. ВУЗоа. Радиофизика. 1999. Т. 42, Л» 8. С. 765 779.

[17| Radio emission of lightning initiation / A. V. Gurevich, L. M. Dunoon, A. N. Karashtin, K. P. Zybin // Phys. Lett. A. 2003. June. V. 312, N. 3 4. P. 228 237.

[18| Одновременное радиозондирование средисширотиой мезосферы в СВ- и KB- диапазонах / В. В. Беликович, А. Н. Караштин, Г. П. Комраков, К). В. Шлюгаев // Геомагнетизм и аэроиомия. 2003. Т. 43, №1. С. 1 6.

(191 Experimental evidence of giant electron-gamma bursts generated by extensive atmospheric showers in thunderclouds / A. V. Gurevich, A. N. Kara.shtin,

A. P. Chubenko et al // Phys. Lett. A. 2004. V. 325. P. 389 402.

|20| Караштии, A. H. Коротковолновое радиоизлучение, молнии /' A. H. Караштин, Ю. В. Шлюгаев, А. В. Гуревич // Изп. ВУЗоа. Радиофизика. 2005. Т. 48, № 9. С. 800 809.

|21| Изучение взаимосвязи проце.ссов в грозовой атмосфере с высокочнергнчиыми космическими лучами па Тянь-Шаиьском экспериментальном комплексе. "Гроза" /

B. П. Антонова, Л. И. Вильдаиова, А. В. Гуревич и др. // ЖТФ. 2007. Т. 77, № И. С. 109 114.

{22| Стенд "Сура": исследования атмосферы и космического пространства (обзор) / В. В. Беликович, С. М. Грач, А. Н. Караштии и др. /'/' Изп. ВУЗоа. Радиофишка. 2007. Т. 50, .V* 7. С. 545 576.

|23| Об углах прихода мезосферных радиоэхо в KB дианазоне / А. Н. Караштин, Ю. В. Шлюгаев, В. И. Абрамов и др. /'/' Геамагиг.тизм и аэ^юиомия. 2007. Т. 47, №2. С. 1 7.

|24| HF magnetospherc sounding at SURA / A. V. Gurevich, A N. Karashtin, A. M. Babichenko et al. /,' Proc 21st Remote Sensing Society Ann. Conf., Southampton, UK. 1995. P. 1333 1340.

[25] Gurevich, A. V. Effect of vertical inhomogeneity of the E-ionosphere on the plasma fluctuations / A. V. Gurevich, K. P. Zybin, A. N. Karashtin // Plasma instabilities in the ionospheric E-region: Proc. Workshop on E-region instabilities, Linda», Germany. 1995. P. 151 154.

|26| Preliminary results of first HF radar measurements of mesopause echoes at SURA / A. N. Karashtin, Y. V. Shlyugaev, V. I. Abramov et al. // Proe. 21st Remote Sensing Society Ann. Conf., Southampton, UK. 1995. P. 1341 1346.

[27| First HF radar measurements of the mesosphere echoes at SURA / A. N. Karashtin. Y. V. Shlyugaev, V. I. Abramov et al. // Plasma Instabilities in the ionospheric E-region: Proc. Workshop on E-region instabilities, Lindau, Germany. 1995. P. 15 18.

[28| Караштин, A. H. Исследование коротких биполярных импульсов радиоизлучения во время гргаы и их связи с пробоем на убегающих электронах / А. Н. Караштин, А. В. Гуревич, К. П. Зыбин // Физика атмосферы: электрические процессы, радиофизические методы исследований. Материалы совещания по программе фундаментальных исследований отделения физических наук и отделения наук о земле российской академии наук 2 3 декабря 2004 г., Нижний Новгород, ИПФ РАН. 2005. С. 13 17.

|29| Караштин, А. Н. Наблюдения радиоизлучения молниевых разрядов в широком диапазоне частот / А. Н. Караштин, К). В. Шлю гае в. А. В. Гуревич // Сборник трудов VI Российской конференции по атмосферному электричеству, Нижний Новгород. 2007.

[30| Караштин, А. Н. Радиоизлучение близких молниевых разрядов /; А. Н. Караштин, К). В. Шлюгаев, А. В. Гуревич // Труды XXII Всероссийской научной конференции но распространению радиоволн (РРВ-22), Ростов-иа-Дону - п. Лоо. Т. 1. 2008. С. 57 60.

[311 Gurevich, А. V. Self-focusing instability of plasma, waves near the. powerful radio wave reflection point / A. V. Gurevich, A. N. Karashtin // XXVI Genera] Assembly of URSI, Abstracts, Prague. 1990.

|32| Gurevich, A. V. SURA heating facility sounding of the polar magnetosphere / A. V. Gurevich, A. N. Karashtin // EGS XVI General Assembly, April 22 26, Wiesbaden, Germany. 1991.

|33| Gurevich, >4. V. Theoretical approach to HF sounding of the auroral magnetosphere / A. V. Gurevich, A. N. Karashtin // International Conference on Electromagnetic Scattering from Gases And Plasmas (ESGAP), March 20 24, Aussois, FYance. 1994.

|34| Karashtin, A. N. Alternating coding technique application to HF magnetosphere sounding at SURA / A. N. Karashtin // International Conference on Electromagnetic Scattering from Gases And Plasmas (ESGAP), March 20 24, Aussois, FYance. 1994.

|35| Babichenko, А. М. SURA heating facility as a magnetospheric radar /' A. M. Babichenko, A. N. Karashtin, V. O. Rapoport //' International Conference on Electromagnetic Scattering from Gases And Plasmas (ESGAP), March '20 24, Aussois, Fiance. 1904.

[36| Gureoich, A. V. Auroral magnetosphere sounding by heating facilities / A. V. Gurevich. A. N. Karashtin // IV Suzdal URSI Syniposiuni on Artificial Mollification of the. Ionosphere, August 15 20, Uppsala, Sweden. 1994.

|37| Зондировали« шг.юсферы коротковолновым радаром на баш сленда СУРА / А. Н. Карашгин, Ю. В. Шлкнаев, Г. П. Комракои, И. В. Веречин !■ XVIII Всесоюзная копф. по раенроггр. радио ноли, течисы докл., т. I. 1996.

|38| Seasonal behavior of HF mesospheric echoes / A. N. Karashtin, Y. V. Shlyugaev, V. V. Dychkov, G. P. Komrakov // XXV General Assembly of European (Geophysical Society, Geophysical Research Abstracts, CD edition, v. 2. 2000.

|39| Simultaneous HF and MF sounding of mid-latitude mesosphere at SURA / A. N. Karashtin, V. V. Belikovich, Y. V. Shlyugaev, G. P. Komrakov // XXVII General Assembly of European Geophysical Society. 2002.

|40| Arrival angles of mid-latitude mesospheric HF echoes / A. N. Karashtin. Y. V. Shlyugaev, V. V. Bychkov et al. // XXVII Genend Assembly of European Geophysical Society. 2002.

[411 Karashtin, A. N. Radio emission at the initial stage of lightning / A. N. Karashtin, Y. V. Shlyugaev, A. V. Gurcvicb // Effects of artificial action on the Earth ionosphere by powerful radio waves. VI International Suzdal URSI symposium, Moscow, Book of abstracts. 2004. P. 80.

[42| Karashtin, A. N. Experimental investigation of close thunderstorm lightning discharge radio (mission in a wide frequency range. / A. N. Karashtin, V. V. Shlyugaev, A. V. Gurevicb // VII International Suzdal URSI Sympozium, Modification of Ionosphere by Powerful Radio Waves, Moscow, Book of abstracts. 2007. P. G7.

|43| Spectral and pulse characteristics of lightning discharge radio emission / A. N. Karashtin, Y. V. Shlyugaev, O. S. Karashtina nt al. // Международная научная конференция "Плашенно-нолнопые процессы л магнитосферах, ионосферах и атмосферах Земли и планет", Н. Новгород, течнсы докладов. 2009. С. 75 7G.

КАРАШТИН Анатолий Николаевич

ДИНАМИКА ПЛАЗМЕННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ДЕКАМЕТРОВОГО МАСШТАБА В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора фишке-математических наук

Подписано в печать 24.06.2009 т. Формат 60x90/16. Бумага писчая. Усл. п. л. 2. Тираж 100. Заказ 5587

Отпечатано и ФГНУ НИРФП 603950. г. Нижний Новгород. ул. Б. Печорская, 25/12;)

Введение

1. Неоднородности в Е-слое ионосферы

1.1. Возмущения плотности в слабоионизованной неоднородной плазме

1.1.1. Общие уравнения.

1.1.2. Граничные условия.

1.1.3. Электростатическое уравнение.

1.1.4. Неоднородность плотности.

1.1.5. Неоднородность частоты столкновений.

1.1.6. Сводка итогов проведенного рассмотрения.

1.2. Термодиффузионная неустойчивость.

1.2.1. Динамика возмущений однородной слабоионизованной плазмы

1.2.2. Дисперсионное уравнение термодиффузионной неустойчивости

1.2.3. Влияние термодиффузии на неустойчивость Фарли-Буне-мана.

1.2.4. Кинетическое описание ионов.

2. Самофокусировочные неустойчивости при воздействии мощных радиоволн 92 2.1. Самофокусировочная неустойчивость плазменных волн

2.1.1. Дисперсионное соотношение самофокусировочной неустойчивости плазменных волн

2.1.2. Самофокусировочная неустойчивость в однородной плазме

2.1.3. Сопоставление с результатами экспериментов.

2.2. Нелинейная структуризация ионосферы.

2.2.1. Группировка неоднородностей за счет самофокусировки волны накачки.

2.2.2. Влияние нелинейной структуризации на распространение радиоволн в ионосфере.

3. Радиолокационные исследования авроральной магнитосферы

3.1. Исследовательский радар стенда СУРА.

3.1.1. Технические характеристики радара.

3.1.2. Области использования радара СУРА

3.2. Теоретические оценки интенсивности магнитосферного радиоэхо

3.2.1. Рассеяние на ионно-звуковой турбулентности.

3.2.2. Оценки для стенда СУРА

3.3. Техника альтернативного кодирования.

3.3.1. Краткое описание техники альтернативного кодирования

3.3.2. Проблема земных отражений

3.3.3. Проблема избыточной оцифровки.

3.3.4. Проблема нулевой задержки.

3.4. Наблюдения радиоэхо от авроральной магнитосферы.

3.5. Выводы.

4. Декаметровое радиозондирование мезосферы

4.1. Режим работы радара и методика зондирования.

4.2. Структура мезосферных радиоэхо.

4.3. Сезонное поведение мезосферных радиоэхо.

4.3.1. Высотно-временная зависимость интенсивности радиоэхо

4.3.2. Вероятности обнаружения радиоэхо.

4.3.3. Обсуждение результатов.

4.4. Углы прихода мезосферных радиоэхо.

4.4.1. Распределение углов прихода радиоэхо.

4.4.2. Обсуждение результатов.

4.5. Одновременное радиозондирование мезосферы в KB и СВ диапазонах

4.5.1. Использованные установки и режимы зондирования

4.5.2. Результаты наблюдений мезосферных радиоэхо в KB и СВ диапазонах.

4.5.3. Обсуждение результатов.

5. Исследование радиоизлучения молниевых разрядов

5.1. Измерительный комплекс.

5.1.1. Измерения квазистатического электрического поля и его вариаций.

5.1.2. Измерения волновой формы KB радиоизлучения.

5.1.3. Измерения УКВ радиоизлучения.

5.2. Коротковолновое радиоизлучение молнии.

5.2.1. Наблюдения коротковолнового радиоизлучения с высоким временным разрешением.

5.2.2. Обсуждение результатов наблюдений.

5.2.3. Выводы.

5.3. KB радиоизлучение широких атмосферных ливней в грозовых условиях.

5.3.1. Система регистрации ШАЛ.

5.3.2. Результаты наблюдений

5.3.3. Инициация молнии ШАЛ

5.3.4. Выводы.

5.4. Гамма-излучение и молниевые разряды.

5.4.1. Система регистрации гамма-излучения.

5.4.2. Результаты наблюдений

Диссертация посвящена исследованию динамики декаметровых неоднород-ностей ионизированного компонента атмосферы в различных ее областях. Проведено теоретическое рассмотрение условий образования неоднородно-стей в Е-слое ионосферы и при воздействии мощным радиоизлучением на низкоширотпый F-слой. Методом активного коротковолнового радиозондирования изучены декаметровые неоднородности в мезосфере и авро-ральной магнитосфере. Исследовано радиоизлучение молниевых разрядов ближних гроз в широком диапазоне частот с высоким временным разрешением.

Актуальность темы и предмет исследования

Ионизированный компонент присутствует практически во всех областях атмосферы. Его роль может быть определяющей как в природных явлениях, так и в хозяйственной деятельности, связанной, в основном, с использованием радиоволн, в том числе для дистанционной диагностики параметров атмосферы, что обусловливает неослабевающий интерес к его исследованию. Значительный интерес представляет неоднородная структура этого компонента, в частности, неоднородности декаметровых масштабов, которые могут развиваться в широком интервале высот атмосферы, начиная от самых нижних ее слоев вплоть до магнитосферы на высотах в несколько тысяч километров, и являются довольно чувствительным индикатором разнообразных естественных и искусственных возмущений окружающей среды.

Плазменные структуры декаметровых масштабов могут развиваться в различных областях атмосферы от самых низких ее слоев до высот магнитосферы. Изучение как самих структур, так и условий и механизмов их образования, вызывает неослабевающий интерес в связи с самыми разнообразными явлениями, происходящими в атмосфере. К таким явлениям можно отнести возбуждение неоднородностей нижней ионосферы как в результате дрейфовых движений заряженных частиц в геомагнитном поле, так и при внешних воздействиях, приводящих к изменению параметров плазмы, а также под действием турбулентных и волновых движений нейтральной атмосферы. Модификация верхней ионосферы мощным радиоизлучением также приводит к ее интенсивному расслоению и образованию плазменных структур различных масштабов. Наконец, интенсивные плазменные образования возникают в атмосфере в результате грозовой активности при возбуждении и развитии молниевых разрядов. Большая часть указанных явлений происходит в плазме, существенной особенностью которой является наличие столкновений с нейтральной компонентой атмосферы, которые во многих случаях являются определяющим фактором в процессах возбуждения и развития неоднородных структур.

Основной целью данной работы является исследование условий возбуждения и физических механизмов образования мелкомасштабных плазменных образований в земной атмосфере при наличии столкновений как в теоретическом плане, так и экспериментально с использованием методов активного и пассивного радиозондирования в декаметровом диапазоне длин волн. Теоретические исследования позволили предложить новую непротиворечивую формулировку задачи о возбуждении мелкомасштабных неоднородностей при наличии дрейфовых движений и регулярного градиента плотности, существенной особенностью которой является последовательный учет столкновений, который оказывает определяющее влияние на граничные условия задачи. Последовательный учет столкновений позволил также объяснить ряд наблюдаемых особенностей неоднородных структур. Другим направлением теоретических исследований является определение роли самофокусировочных неустойчивостей в формировании неоднородной структуры возмущенной мощным радиоизлучением области ионосферы, в том числе в низкоширотной ионосфере, где, как показано, они должны играть определяющую роль.

Для проведения экспериментальных исследований, связанных с активным радиозондированием, использовался уникальный коротковолновый радар стенда СУРА, единственный в мире мощный радар, работающий в диапазоне частот 4.5-9.3 МГц. Разработанные методики радиозондирования и обработки данных измерений позволили предложить новый подход к изучению свойств авроральной магнитосферы на высотах в несколько тысяч километров. На основе данных радиозондирования мезосферы определены основные пространственно-временные характеристики плазменной турбулентности в области мезопаузы.

Исследование радиоизлучения молниевых разрядов с высоким временным разрешением проводилось с использованием специально разработанного уникального комплекса, включающего в себя ряд синхронно работающих установок, размещенных на территории стенде СУРА, характеризующейся низким уровнем промышленных помех. Аналогичный комплекс был развернут на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции Физического института им. П. Н. Лебедева РАН.(ТШВНС) и работал синхронно с установками регистрации широких атмосферных ливней и измерения гаммаизлучения. Расположение ТШВНС на высоте более 3000 м над уровнем моря позволяет проводить исследования в непосредственной близости или даже внутри грозовых облаков. В результате проведенных исследований установлена непосредственная связь возбуждения молниевых разрядов с эффектом совместного действия пробоя на убегающих электронах и широких атмосферных ливней.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен новый подход к исследованию малых возмущений в слабоионизованной неоднородной плазме, который более всего согласуется с реальными условиями в ионосферном Е-слое. Проведена последовательная формулировка задачи и детальный анализ общих свойств малых флуктуаций плотности в неоднородной плазме применительно к Е-слою ионосферы. Показано, что ни один профиль плотности плазмы не может обеспечить локализацию плазменных возмущений без учета неоднородности частоты столкновений, которая и определяет своего рода граничные условия и высотную структуру возмущений .Е-слоя.

2. Исследовано влияние нагрева электронов на устойчивость движущейся замагниченной слабоионизованной плазмы в области слоя Е и нижней части слоя F ионосферы. Показано, что при достаточно интенсивном нагреве, когда температура электронов в 1.5-2 раза превосходит температуру ионов, возможно возбуждение особой термодиффузионной неустойчивости, которая приводит к эффективному мелкомасштабному расслоению ионосферной плазмы. Установлено также существенное влияние зависимости частоты столкновений Хэлектронов от температуры и неизотермичности плазмы на условия возбуждения неустойчивости Фарли-Бунемана.

3. Исследована самофокусировочная неустойчивость плазменных волн в условиях экспериментов по воздействию на Т^-слой ионосферы мощным радиоизлучением. Показано, что совместное действие тепловых и пондеромоторных эффектов приводит к эффективному мелкомасштабному расслоению плазмы с малыми характерными временами. Образующиеся неоднородности могут играть роль начальных возмущений для развития взрывной стадии резонансной и тепловой параметрической пеустойчивостей.

4. Проанализирована возможность возбуждения неоднородностей и формирования сильно нелинейных хорошо определенных структур при модификации ионосферы в низких широтах. Показано, что захват волны накачки крупномасштабными неоднородностями может приводить к изменению условий возбуждения мелкомасштабной турбулентности.

5. Предложен новый метод исследования магнитосферы с использованием коротковолнового радиозондирования. С использованием предложенного метода обнаружено рассеяние от области продольных токов в авроральной магнитосфере на высотах порядка 3000 км, соответствующее ионно-звуковой турбулентности.

6. На основе экспериментальных исследований по радиозондированию мезосферы на частотах около 9 МГц исследована структура мезосферных КВ-радиоотражений. Показано наличие практически постоянно существующего турбулентного слоя в области летней мезопаузы.

Изучен суточный и сезонный ход интенсивности мезосферных радиоотражений и распределение углов их прихода.

7. С использованием специально созданного инструментального комплекса исследовано радиоизлучения близких молниевых разрядов в широком диапазоне частот с высоким временным разрешением. Показано, что молниевые разряды могут инициироваться при совместном действии эффекта пробоя на убегающих электронах и широкого атмосферного ливня для энергии первичной частицы порядка 1016 эВ.

Методы и подходы, используемые в диссертации

1. При исследовании собственных мод неоднородной плазмы Е-слоя ионосферы проводится последовательный учет зависимости частоты столкновений электронов от высоты, определяющий граничные условия и структуру мод.

2. Для анализа условий возбуждения неоднородностей Е'-слоя используются уравнения переноса с кинетическими коэффициентами, учитывающими зависимость частоты столкновений электронов от их температуры.

3. Исследование возможности генерации мелкомасштабной турбулентности при воздействии мощного радиоизлучения на F-слой ионосферы в низких широтах проводится на основе численного моделирования распространения радиоволн в неоднородной среде в приближении геометрической оптики.

4. Коротковолновое радиозондирование проводится с использованием современных методик кодирования и обработки сигналов, адаптированных к условиям экспериментов. Разработанные программы управления радаром, сбора и обработки данных позволяют реализовать различные схемы амплитудной и бифазовой модуляции зондирующего импульса, проводить измерения допплеровских сдвигов частот и углов прихода отраженных (рассеянных) локационных сигналов.

5. Исследование радиоизлучения молниевых разрядов проводится с использованием специально разработанного аппаратурного комплекса, позволяющего в грозовых условиях измерять квазистатическое электрическое поле, его вариации, волновую форму коротких электромагнитных импульсов с субмикросекундным временным разрешением и направление на источник таких импульсов. Все установки, входящие в комплекс, синхронизированы между собой с помощью специально вырабатываемого запускающего (триггерного) импульса.

6. Изучение связи молниевых разрядов с космическими частицами высоких энергий проводится на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН при совместных синхронизированных по времени регистрации широких атмосферных ливней и измерении радио- и гамма-излучения.

Научное и практическое значение проведенных исследований состоит в следующем.

Предложен новый подход к исследованию малых возмущений в сла-боионизованной неоднородной плазме, который более всего согласуется с реальными условиями в Е-слое ионосферы, заключающийся в последовательном учете влияния регулярной неоднородности плазмы на структуру собственных электростатических мод. Определяющую роль в формировании собственных мод при этом играет неоднородность частоты столкновений электронов, определяющая граничные условия задачи. Показана j несправедливость квазилокального приближения при рассмотрения общего случая мелкомасштабной градиентно-дрейфовой неустойчивости и указано условие его применимости в частном случае наличия внешнего продольного тока.

Предложен новый механизм неустойчивости слабоионизованной ионосферной плазмы при наличии дрейфа — термодиффузионный — обусловленный конкуренцией процессов диффузии и термодиффузии. Данный механизм может реализовываться в неизотермической плазме при учете зависимости частоты столкновений электронов от их температуры. Развитые представления использовались (другими авторами) для объяснения данных наблюдений радиоэхо от Е-слоя авроральной ионосферы (радиоэхо 3 типа).

Рассмотренная самофокусировочная неустойчивость плазменных волн в области отражения волны накачки при воздействии радиоизлучением на ионосферу может служить источником затравочных неоднородностей для развития взрывной стадии резонансной и тепловой параметрической неус-тойчивостей в области верхнего гибридного резонанса.

Анализ возможности возбуждения неоднородных структур при модификации ионосферы в низких широтах позволил интерпретировать данные непосредственных наблюдений при прохождении ракеты через возмущенную область. Показано, что захват волны накачки крупномасштабными неоднородностями может приводить к изменению условий возбуждения мелкомасштабной турбулентности.

Создание многоцелевого исследовательского радара с гибкой системой управления и сбора данных на базе стенда СУРА позволило более эффективно проводить радиозондирование различных объектов ближнего космоса от нижних слоев земной ионосферы до солнечной короны. В частности, была обнаружена ионно-звуковая турбулентность в области продольных токов авроральной магнитосферы на высотах в несколько тысяч километров.

Проведенные с помощью радара стенда СУРА исследования мезосферы позволили определить основные характеристики мелкомасштабной плазменной турбулентности в этой области: пространственно-временное поведение, суточный и сезонных ход, допплеровские скорости и распределение углов прихода рассеянных сигналов, связь появления спорадических слоев с поведением регулярного профиля электронной концентрации. Результаты исследований показали хорошее согласие с теоретическими представлениями о возбуждении турбулентности замагниченной компоненты атмосферы турбулентностью нейтральной атмосферы.

Создан аппаратурный комплекс для исследования радиоизлучения молниевых разрядов в широком диапазоне частот с высоким временным разрешением, который может быть использован и для изучения коротких электромагнитных импульсов другой природы. Полученные с использованием созданного комплекса данные позволили получить свидетельство реализации механизма пробоя на убегающих электронах в молниевом разряде и установить возможность возбуждения молниевого разряда широкими атмосферными ливнями при выполнении условий пробоя на убегающих электронах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования малых возмущений в слабоионизованной неоднородной плазме в условиях, более всего согласующихся с реальными условиями в ионосферном Е-слое.

2. Результаты исследования влияния нагрева электронов на устойчивость движущейся замагниченной слабоионизованной плазмы в области слоя Е и нижней части слоя F ионосферы.

3. Результаты исследования роли самофокусировочных неустойчивос-тей на формирование неоднородной структуры возмущенной мощным радиоизлучением области ионосферы.

4. Результаты экспериментальных исследований авроральной магнитосферы методом коротковолнового радиозондирования.

5. Результаты коротковолнового зондирования атмосферы на мезосфер-ных высотах.

6. Результаты экспериментальных исследований радиоизлучения молниевых разрядов в широком диапазоне частот с высоким временным разрешением.

Апробация работы

Изложенные в диссертации результаты неоднократно докладывались на семинарах ФГНУ НИРФИ, семинарах Шведского института космической физики, гг. Уппсала, Кируна, Института электротехники Корнелльского университета, г. Итака (США), Института аэрономии им. М. Планка, Лин-дау (Германия), на многих международных конференциях и симпозиумах, включая I—"VII Международные Суздальские симпозиумы УРСИ (Суздаль, 1986, 1988, 1991; Уппсала, Швеция, 1994; Москва, 1998, 2004, 2007), XXVI

Генеральную ассамблею УРСИ (Прага, 1990), XVI, XXV, XXVII Генеральные ассамблеи европейского геофизического общества (Висбаден, Германия, 1991; Ницца, Франция, 2000, 2002), Международную конференцию по электромагнитному рассеянию в газах и плазме (ESGAP, Ассуа, Франция, 1994), 21 ежегодную конференцию общества дистанционного зондирования (RSS-21, Саутгемптон, Англия, 1995), международный симпозиум "Плазменные неустойчивости в Е-слое ионосферы" (Линдау, Германия, 1995), Международную научную конференции "Суверенный Казахстан: 15-летний путь развития космической деятельности" (Алматы, 2006), Европейский конгресс по наукам о планетах (Берлин, Германия, 2006), Международную научную конференции "Плазменно-волновые процессы в магнитосферах, ионосферах и атмосферах Земли и планет" (Нижний Новгород, 2009). Кроме того, изложенные в диссертации результаты были представлены в докладах на XIII, XV Всесоюзных и XVIII, XXII Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Горький, 1981; Алма-Ата, 1987; Санкт-Петербург, 1996; Ростов-на-Дону - Лоо, 2008), совещаниях по программе фундаментальных исследований отделения физических наук и отделения наук о земле РАН "Физика атмосферы: электрические процессы, радиофизические методы исследований" (Нижний Новгород, 2003, 2004, 2005), VI Российской конференции по атмосферному электричеству (Нижний Новгород, 2007).

Публикации

Всего по теме диссертации опубликовано 64 работы. Из них 23 статьи — в рецензируемых журналах, в том числе 11 работ в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов (Письма в ЖЭТФ, Геомагнетизм и аэрономия, Известия ВУЗов. Радиофизика, Журнал технической физики), 12 публикаций в международных журналах (Physics Letters A, Journal of Geophysical Research, Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, Annales Geophysicae, Physics of Plasmas, Physica Scripta), и 8 работ — в трудах всероссийских и международных симпозиумов и конференций.

Личный вклад автора

Представленные в диссертации результаты получены автором, в основном, в итоге совместных исследований. Работа [8] выполнена без соавторов. В работах [16, 22], носящих обзорный характер, автору принадлежат части, касающиеся технических характеристик радара стенда СУРА, результатов радиозондирования магнитосферы и мезосферы, исследования молниевых разрядов. Работы по зондированию магнитосферы [4, 5] и мезосферы [11, 13, 14, 23] выполнены под руководством автора, ему принадлежат идея исследований, методика проведения и часть программного обеспечения измерений и обработки данных, интерпретация полученных результатов, а также написание статей. В работе [18] автору принадлежат результаты коротковолнового зондирования и их сопоставление с результатами средневолнового зондирования, написание статьи. В работах [2, 6, 10] роль автора заключалась в конкретной формулировке задачи, проведении исследований и совместном написании статей. В работе [15] автором выполнено численное моделирование и написаны соответствующие разделы. В работах [17, 19, 20, 21] автору принадлежат относящиеся к наблюдениям радиоизлучения молниевых разрядов методика, определение требований к аппаратуре, программное обеспечение измерений и обработки данных, совместное написание статей.

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность и благодарность всем сотрудникам, оказавшим помощь при выполнении работ, составивших основу настоящей диссертации, а именно, сотрудникам ФГНУ НИРФИ

В. И. Абрамову, А. М. Бабиченко, В. В. Беликовичу , И. Ф. Белову

В. В. Бычкову, Е. Б. Ерышеву, А. Я. Калашникову, О. С. Караштиной, Г. П. Комракову, А. А. Лисову, В. О. Рапопорту, Ю. А. Сазонову, Ю. В. Токареву, Ю. В. Шлюгаеву, коллективу загородной лаборатории "Васильсурск"; сотрудникам ФИАН А. В. Гуревичу, К. П. Зыбину, М. О. Птицыну, В. А. Рябову, А. П. Чубенко, A. JI. Щепетову; сотруднику ТШВНС ФИАН JI. И. Вильдановой; сотрудникам ДГП "Институт ионосферы" МОИ РК В. П. Антоновой и С. В. Крюкову; сотрудникам РИ НАН Украины А. А. Коноваленко и Ю. М. Ямпольскому; М. С. Kelley и D. L. Hysell (Корнелльский университет, Итака, США); J. F. Providakes (MITRA, Бостон, США); Т. Hagfors (Институт аэрономии, Линдау, Германия).

Все представленные исследования выполнены в соответствии с планом работ ФГНУ НИРФИ, в частности, при поддержке РФФИ: "Исследование серебристых облаков с помощью радара на базе стенда "Сура" (грант РФФИ 94-05-16862-а), "Экспериментальные исследования суточных и сезонных характеристик мезосферных среднеширотных радиоотражений в KB диапазоне" (грант РФФИ 96-05-79132-к), "Радиолокационные исследования мезосферной турбулентности в KB диапазоне" (грант РФФИ 99-05-64483-а), "Коротковолновое радиозондирование мезосферы" (грант РФФИ 03-05-65169-а), "Исследование радиоизлучения молнии с высоким временным разрешением" (грант РФФИ 06-05-65024-а), а также ряда экспедиционных грантов РФФИ (99-05-79068-к, 00-05-79057-к, 01-05-79186-к, 07-05-10046-к, 08-05-10026-к). Работа была поддержана также грантами МНТЦ и фондом Дж. Сороса.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из Введения, пяти основных глав и Заключения. Общий объем диссертации — 290 страниц, в том числе 53 рисунка, б таблиц и 170 библиографических наименований.

5.3.4. Выводы

В результате обработки данных наблюдений радиоизлучения во время прохождения широких атмосферных ливней получены следующие результаты:

• В отсутствие грозовых условий широкие атмосферные ливни не сопровождались радиоизлучением, интенсивность которого превышала бы чувствительность используемых радиоприемных устройств.

• В грозовых условиях примерно в 2% случаев регистрации широких атмосферных ливней было обнаружено сопутствующее ШАЛ радиоизлучение в виде коротких биполярных импульсов длительностью несколько сот наносекунд и длительностью первого пика порядка 100 не. Полярность первого пика по электрическому полю может быть как положительной, так и отрицательной.

• Характеристики обнаруженного радиоизлучения согласуются с предсказываемыми теорией совместного действия эффекта пробоя на убегающих электронах и широкого атмосферного ливня для энергии первичной частицы 2-1014-1015 эВ. Вероятность генерации радиоизлучения широким атмосферным ливнем обусловлена вероятностью достижения атмосферным электрическим полем порогового значения для развития пробоя на убегающих электронах на пути распространения ШАЛ.

• Обнаружены случаи высокой корреляции начала радиоизлучения молнии с прохождением ШАЛ, свидетельствующие о возможности инициации последним молниевого разряда.

5.4. Гамма-излучение и молниевые разряды

Наблюдения гамма-излучения во время гроз показали наличие всплесков длительностью порядка миллисекунды, связанных с молниевыми разрядами. Регистрация таких всплесков может служить основанием предполагать, что в сильных электрических полях грозовых облаков электроны могут ускоряться до энергий ~100 кэВ и порождать тормозные фотоны соответствующих энергий. Несмотря на то, что в грозовых облаках обнаружены поля достигающие значений 100 - 400 кВ/м, частые взаимодействия в плотной атмосфере не позволяют тепловым электронам ускоряться даже в таких сильных электрических полях. Поэтому наблюдение электронов с энергиями выше 100 кэВ не вписывается в традиционные схемы ускорения и взаимодействий, но может быть объяснено в рамках пробоя на убегающих электронах.

Обычный пробой среды возникает в результате ускорения электронов в электрическом поле до сравнительно невысоких энергий, не превосходящих энергии ионизации, при которых генерация новых электронов за счет ионизации среды превосходит их исчезновение в результате рекомбинации, так что количество электронов экспоненциально возрастает. Пробой на убегающих электронах, с другой стороны, порождает электроны с достаточно большой энергией. Кроме выполнения условия превышения электрическим полем порогового значения, для осуществления пробоя на убегающих электронах необходимо наличие затравочных быстрых электронов с энергией, превосходящей критическую энергию убегания. Наконец, пространственный размер постоянного электрического поля в веществе должен существенно превосходить характерную длину экспоненциального нарастания лавины убегающих электронов, которая в газовых средах оказывается весьма значительной, что, в основном, и затрудняет наблюдение рассматриваемого эффекта в лабораторных условиях.

В грозовой атмосфере характерные размеры облаков всегда много больше характерной длины пробоя на убегающих электронах, а быстрые затравочные электроны могут генерироваться космическими лучами. Поэтому в грозовых облаках при достижении электрическим полем значения пробой на убегающих электронах вполне возможен и, по-видимому, играет определяющую роль в недавно обнаруженных таких замечательных явлениях, как гигантские высотные разряды между грозовыми облаками и ионосферой (спрайты), мощные всплески гамма-излучения, вспышки рентгеновского излучения и др.

В данном разделе рассмотрены результаты одновременного наблюдения радио- и гамма-излучения в грозовых условиях.

5.4.1. Система регистрации гамма-излучения

Для регистрации мягкого гамма- и жесткого рентгеновского излучения от электронов, ускоренных в электрических полях грозового облака, используются сцинтилляционные детекторы на базе кристаллов Nal [21]. Семь пунктов регистрации расположены на склонах окружающих гор цепью поперек обычного направления движения грозовых облаков, как показано на рисунке 5.18, на котором отмечено также расположение систем регистрации коротких электромагнитных импульсов KB диапазона (Радио1 и Радио2). Расстояние между крайними пунктами в этой цепи составляет около 2 км, а максимальное разнесение детекторов по высоте достигает 600 м. Построенная таким образом сцинтилляционная система позволяет исследовать пространственное распределение излучения внутри грозовых

I CENTER2 centers of data regislitaion slow - Esensor fast- Esensor VHF antenna ra dio ante nna e syste те center of coordinate system (coordinates are shown in meters)

Рис. 5.18. Схема расположения детекторов гамма-излучения на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции. В кружках указаны координаты пунктов и их высота над общим уровнем Тянь-Шаньской станции в метрах. облаков как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.

В каждом пункте регистрации размещаются два сцинтилляционных детектора, в одном из них кристалл Nal находится внутри алюминиевого корпуса толщиной 1 мм, в в другом - внутри полиэтиленовой трубы с толщиной стенки 10 мм. В результате детекторы имеют различные пороги регистрации по отношению к гамма-излучению. Кроме того, в наиболее удаленных от центра системы пунктах (PUP1, PUP2, TUR2 и TUR3 на рис. 5.18) дополнительно установлено по одному "пустому" детектору без кристалла Nal. Сигналы "пустых" детекторов подключаются к общей системе регистрации и служат для контроля за уровнем электромагнитных наводок на кабелях, соединяющих пункты их расположения с центром сбора данных.

Поступившие в центр регистрации импульсы от каждого из сцинтил-ляторов попадают на три аналоговых компаратора, имеющие различные пороги срабатывания, что, наряду с различными порогами находящихся в одном пункте регистрации сцинтилляторов, позволяет оценивать энергетический спектр излучения в месте расположения каждого пункта. Абсолютная энергетическая калибровка детекторов производилась с помощью источников гамма-излучения Ат241 и Csl37.

Сформированные компараторами импульсы стандартной амплитуды и длительности передаются на систему регистрации, которая построена на базе аппаратуры КАМАК и обеспечивает запись интенсивности сцинтилля-ционных сигналов в течение 4000 последовательных временных интервалов длительностью 200 мкс. Такая система временного сканирования работает непрерывно, в каждый момент времени сохраняя в свой памяти временной ход интенсивности сцинтилляциоппых импульсов за последние 0.8 с. Если в течение этого временного интервала поступил триггерный сигнал, то система сбора данных продолжает свою работу в течение 0.4 с, после чего накопленная информация записывается на диск управляющего компьютера. Таким образом, в каждом зарегистрированном событии сохраняется временная развертка интенсивности сигналов с разрешением 200 мкс в течение 0.4 с до и 0.4 с после момента триггера.

5.4.2. Результаты наблюдений

Большая часть наблюдательных данных, полученных на ТШВНС, соответствует так называемому "триггеру электромагнитного импульса", когда установки срабатывают от импульса, наведенного близкой молнией на длинные кабели, соединяющие установки с центром регистрации, и непосредственно совпадающего с разрядом внутри грозового облака. Во многих случаях можно предполагать, что срабатывание различных установок происходило от одного и того же импульса. Сопоставление данных одновременных измерений гамма- и радиоизлучения показало, что для таких событий, как правило, наблюдается и то, и другое излучение. Пример записи в предположении точного (в пределах временного разрешения) соответствия времени срабатывания установок приведен на рисунке 5.19. В данном событии имеет место высокая временная корреляция гамма- и радиоизлучения.

Другой пример высокой корреляции гамма- и радиоизлучения можно видеть на рисунке 5.17. Однако, для этого события временная синхронизация была установлена триггерным импульсом ШАЛ с субмикросекундной точностью. Одновременное коррелированное наличие в молниевом разряде гамма- и радиоизлучения недвусмысленно указывает на реализацию в грозовых условиях механизма пробоя на убегающих электронах. с

-150

-100 -50

Время относительно триггера, мс

-150

-100 -50 0

Время относительно триггера, мс

Рис. 5.19. Пример высокой корреляции радио- и гамма-излучения в молниевом разряде.

Заключение

Сформулируем основные результаты диссертационной работы.

1. На основе детального анализа общих свойств малых флуктуаций плотности в Е-слое ионосферы, основанного на использовании нового подхода к исследованию малых возмущений в слабоионизованной неоднородной плазме, который более всего согласуется с реальными условиями, найден спектр собственных мод в "классическом" пределе. Показано, что ни один профиль плотности плазмы не может обеспечить локализацию плазменных возмущений без учета неоднородности частоты столкновений, которая определяет граничные условия и высотную структуру возмущений Е'-слоя.

2. Показано, что при достаточно интенсивном нагреве электронов, когда их температура в 1.5-2 раза превосходит температуру ионов, в области слоя Е и нижней части слоя F ионосферы возможно возбуждение особой термодиффузионной неустойчивости при скоростях дрейфа поперек магнитного поля, существенно меньших тепловой скорости ионов. Установлено существенное влияние зависимости частоты столкновений электронов от температуры и неизотермичности плазмы на условия возбуждения неустойчивости Фарли-Бунемана.

3. Показано, что в условиях экспериментов по воздействию на .Р-слой ионосферы мощным радиоизлучением совместное действие тепловых и пондеромоторных эффектов приводит к эффективному мелкомасштабному расслоению плазмы за счет самофокусировочной неустойчивости плазменных волн. Образующиеся неоднородности могут играть роль начальных возмущений для развития взрывной стадии резонансной [73] и тепловой параметрической [74] неустойчивостей.

4. Установлено, что захват волны накачки крупномасштабными по сравнению с длиной волны неодпородностями может приводить к изменению условий возбуждения мелкомасштабной турбулентности при модификации ионосферы в низких широтах. Найдены требуемые характеристики таких неоднородностей.

5. На базе стенда СУРА создан многофункциональный исследовательский коротковолновый радар. В экспериментах по радиозондированию авроральной магнитосферы с применением адаптированной техники альтернативного кодирования обнаружено рассеяние от области продольных токов па высотах порядка 3000 км, соответствующее ионно-звуковой турбулентности.

6. На основе экспериментального исследования мезосферы с использованием KB радара стенда СУРА:

• Обнаружено, что для мезосферных КВ-радиоотражений характерна слоистая по высоте структура при практически постоянном наличии сильных радиоэхо от области мезопаузы в интервале высот 83-90 км. Вертикальная скорость движения слоев в области мезопаузы, определенная по допплеровскому сдвигу частоты, обычно направлена вниз и имеет величину порядка 1 м/с.

• Обнаружена выраженная полугодовая вариация интенсивности радиоэхо с максимумами в зимний и летний периоды. В летний период наблюдаются спорадические слои повышенной интенсивности, соответствующие явлению мезосферного летнего эхо, наблюдавшемуся с использованием УКВ радаров.

• Показано, что распределение углов прихода радиоэхо от области мезопаузы свидетельствует о турбулентном характере рассеяния зондирующего сигнала. Обнаружены быстрые временные вариации как интенсивности радиоотражений, так и углов их прихода, которые могут быть объяснены только временной нестационарностью неоднородностей электронной плотности.

• При одновременном зондирование мезосферы в KB- и СВ- диапазонах установлено, что радиоотражения от мезосферы в этих диапазонах не коррелируют между собой ни по времени, ни по дальности, что обусловлено различными физическими механизмами, определяющими их формирование. В среднем, до высоты ~ 85 км интенсивность КВ-радиоэхо практически повторяет профиль электронной концентрации, что согласуется с теоретическими представлениями о возбуждении плазменной турбулентности турбулентностью нейтральной атмосферы [140]. Спорадический слой в КВ-радиоэхо на высотах ниже 80 км образуется в области локального минимума электронной концентрации и только во время его существования, хотя само по себе наличие этого минимума не является достаточным условием образования слоя.

7. Создан инструментальный комплекс для исследования радиоизлучения близких молниевых разрядов в широком диапазоне частот с высоким временным разрешением, позволивший впервые установить, что коротковолновое радиоизлучение молнии на стадии, предшествующей возвратному удару, представляет собой последовательность коротких импульсов. Каждый молниевый разряд начинается с серии очень коротких (менее 100 наносекунд) биполярных импульсов, промежутки между которыми составляют десятки и сотни микросекунд; до начала серии не регистрируется никакого радиоизлучения, отличного от фонового. Форма, ширина и амплитуда первого радиоимпульса молнии согласуется с предсказываемыми теорией совместного действия эффекта пробоя па убегающих электронах и широкого атмосферного ливня для энергии первичной частицы порядка 1016 эВ [162].

8. В результате совместных исследований радио- и гамма-излучения, выполненных на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИ АН, получено свидетельство реализации механизма пробоя на убегающих электронах. По временной корреляции начала радиоизлучения молнии с приходом широкого атмосферного ливня получены прямые данные о возможности инициации последним молниевого разряда.

1. Васьков, В. В. Тепловая самофокусировочная неустойчивость плазменных волн в области резонанса / В. В. Васьков, А. В. Гуревич, А. Н. Караштин // Геомагнетизм и аэрономия. — 1981. — Т. 21, № 6. — С. 973-980. —

2. Гуревич, А. В. Мелкомасштабная термодиффузионная неустойчивость в нижней ионосфере / А. В. Гуревич, А. II. Караштин // Геомагнетизм и аэрономия.— 1984. Т. 24, № 6. — С. 885-893.

3. Influence of thermal diffusion on plasma instabilities in the lower part of the ionosphere / A. V. Gurevich, A. N. Karashtin, L. Stenflo, M. S. Tsirnring // Physica Scripta. — 1990. V. 41. - P. 685.

4. Радиолокация магнитосферной турбулентности / A. M. Бабиченко, А. В. Гуревич, А. Н. Караштин, В. О. Рапопорт // Письма в ЖЭТФ. — 1991. Т. 53. С. 139 143.

5. HF sounding of the auroral magnetosphere / A. V. Gurevich, A. M. Babichenko, A. N. Karashtin, V. O. Rapoport //J. Geophys. Res. — 1992,- V. 97.— P. 86938696.

6. Gurevich, A. V. Self-focusing instability of plasma waves excited by powerful HF radiation / A. V. Gurevich, A. N. Karashtin // Phys. Lett. A. — 1994.— V. 195.— P. 362-368.

7. Plasma density perturbations in the ionospheric E-region / A. V. Gurevich, N. D. Borisov, A. N. Karashtin, K. P. Zybin // Phys. Lett. A. — 1995.- V. 208.-P. 214-222.

8. Karashtin, A. N. An alternating coding technique for HF magnetosphere sounding at the SURA facility / A. N. Karashtin //J. Atmos. Terr. Phys. — 1996.— V. 58.— P. 1097-1100.

9. HF radar probing of the lower magnetosphere / D. L. Hysell, M. C. Kelley, A. V. Gurevich et al. // J. Geophys. Res. 1997. - V. 102. - P. 4865-4874.

10. Karashtin, A. N. Density irregularities in the weakly ionized nonuniform plasma / A. N. Karashtin, A. V. Gurevich, K. P. Zybin // Phys. Plasmas. — 1997.— V. 4.— P. 4090-4102.

11. First radar measurements of summer mesopause echoes at SURA / A. X. Karashtin, Y. V. Shlyugaev, V. I. Abrarnov et al. // Ann. Geophys. — 1997.— July. — V. 15, N. 7. — P. 935-941.

12. Self-oscillations and bunching of striations in ionospheric modifications / A. Gurevich, T. Hagfors, H. Carlson et al. // Phys. Lett. A. 1998. - March. — V. 239. — P. 385392.

13. Первые результаты коротковолновой радиолокации мезосферы / А. Н. Караштин, Ю. В. Шлюгаев, В. И. Абрамов и др. // Геомагнетизм и аэрономия.— 1998.— Т. 38, № 4. С. 100-107.

14. Сезонное поведение среднеширотных коротковолновых мезосферных радиоэхо / А. Н. Караштин, Ю. В. Шлюгаев, И. В. Березин, Г. П. Комраков // Изв. ВУЗов. Радиофизика. — 1998. — Т. 41, № 10.- С. 1248-1257.

15. Nonlinear structuring of the ionosphere modified by powerful radio waves at low latitudes / A. Gurevich, H. Carlson, M. Kelley et al. // Phys. Lett. A.— 1999.— February. V. 251. — P. 311-321.

16. Радиолокационные исследования на стенде СУРА / А. Н. Караштин, Г. П. Комраков, Ю. В. Токарев, Ю. В. Шлюгаев // Изв. ВУЗов. Радиофизика. — 1999. — Т. 42, № 8. С. 765-779.

17. Radio emission of lightning initiation / A. V. Gurevich, L. M. Duncan, A. X. Karashtin, K. P. Zybin // Phys. Lett. A. — 2003. — V. 312, N. 3-4. P. 228-237.

18. Одновременное радиозондирование среднеширотной мезосферы в СВ- и KB- диапазонах / В. В. Беликович, А. Н. Караштин, Г. П. Комраков, Ю. В. Шлюгаев // Геомагнетизм и аэрономия. — 2003. — Т. 43, jV2 1. — С. 1-6.

19. Experimental evidence of giant electron-gamma bursts generated by extensive atmospheric showers in thunderclouds / A. V. Gurevich, A. N. Karashtin, A. P. Chubenko et al. // Phys. Lett. A. 2004.- V. 325.- P. 389-402.

20. Караштин, A. H. Коротковолновое радиоизлучение молнии / A. H. Караштин, Ю. В. Шлюгаев, А. В. Гуревич // Изв. ВУЗов. Радиофизика.— 2005.— Т. 48, № 9.— С. 800-809.

21. Изучение взаимосвязи процессов в грозовой атмосфере с высокоэнергичными космическими лучами на Тянь-Шаньском экспериментальном комплексе "Гроза" / В. П. Антонова, JI. И. Вильданова, А. В. Гуревич и др. // ЖТФ. — 2007. — Т. 77, № 11. — С. 109-114.

22. Стенд "Сура": исследования атмосферы и космического пространства (обзор) / В. В. Беликович, С. М. Грач, А. Н. Караштин и др. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. — 2007. — Т. 50, № 7. С. 545-576.

23. Об углах прихода мезосферных радиоэхо в KB диапазоне / А. Н. Караштин, Ю. В. Шлюгаев, В. И. Абрамов и др. // Геомагнетизм и аэрономия.— 2007.— Т. 47, jY2 2. С. 1-7.

24. HF magnetosphere sounding at SURA / A. V. Gurevich, A. N. Karashtin, A. M. Babichenko et al. // Proc. 21st Remote Sensing Society Ann. Conf., Southampton, UK. — 1995. — P. 1333-1340.

25. Preliminary results of first HF radar measurements of mesopause echoes at SURA / A. N. Karashtin, Y. V. Shlyugaev, V. I. Abramov et al. // Proc. 21st Remote Sensing Society Ann. Conf., Southampton, UK. — 1995. — P. 1341-1346.

26. First HF radar measurements of the mesosphere echoes at SURA / A. N. Karashtin, Y. V. Shlyugaev, V. I. Abramov et al. // Plasma Instabilities in the ionospheric Eregion: Proc. Workshop on E-region instabilities, Lindau, Germany. — 1995. — P. 1518.

27. Караштин, А. Н. Наблюдения радиоизлучения молниевых разрядов в широком диапазоне частот / А. Н. Караштин, Ю. В. Шлюгаев, А. В. Гуревич // Сборник трудов VI Российской конференции по атмосферному электричеству, Нижний Новгород. — 2007.

28. Караштин, А. Н. Радиоизлучение близких молниевых разрядов / А. Н. Караштин, Ю. В. Шлюгаев, А. В. Гуревич // Труды XXII Всероссийской научной конференции по распространению радиоволн (РРВ-22), Ростов-на-Дону п. Лоо. Т. 1. — 2008. - С. 57-60.

29. Gurevich, А. V. Self-focusing instability of plasma waves near the powerful radio wave reflection point / A. V. Gurevich, A. N. Karashtin // XXVI General Assembly of URSI, Abstracts, Prague. — 1990.

30. Gurevich, A. V. SURA heating facility sounding of the polar magnetosphere / A. V. Gurevich, A. N. Karashtin // EGS XVI General Assembly, April 22-26, Wiesbaden, Germany. — 1991.

31. Gurevich, A. V. Theoretical approach to HF sounding of the auroral magnetosphere / A. V. Gurevich, A. N. Karashtin // International Conference on Electromagnetic Scattering from Gases And Plasmas (ESGAP), March 20-24, Aussois, France. — 1994.

32. Karashtin, A. N. Alternating coding technique application to IIF magnetosphere sounding at SURA / A. N. Karashtin // International Conference on Electromagnetic Scattering from Gases And Plasmas (ESGAP), March 20-24, Aussois, France. — 1994.

33. Babichenko, A. M. SURA heating facility as a magnetospheric radar / A. M. Babichenko, A. N. Karashtin, V. O. Rapoport // International Conference on Electromagnetic Scattering from Gases And Plasmas (ESGAP), March 20-24, Aussois, France. 1994.

34. Gurevich, A. V. Auroral magnetosphere sounding by heating facilities / A. V. Gurevich, A. N. Karashtin //IV Suzdal URSI Symposium on Artificial Modification of the Ionosphere, August 15-20, Uppsala, Sweden. — 1994.

35. Зондирование мезосферы коротковолновым радаром на базе стенда СУРА / А. Н. Караштин, Ю. В. Шлюгаев, Г. П. Комраков, И. В. Березин // XVIII Всесоюзная конф. по распростр. радио волн, тезисы докл., т. 1. — 1996.

36. Seasonal behavior of HF mesospheric echoes / A. N. Karashtin, Y. V. Shlyugaev, V. V. Bychkov, G. P. Komrakov // XXV General Assembly of European Geophysical Society, Geophysical Research Abstracts, CD edition, v. 2. — 2000.

37. Simultaneous HF and MF sounding of mid-latitude mesosphere at SURA / A. N. Karashtin, V. V. Belikovich, Y. V. Shlyugaev, G. P. Komrakov // XXVII General Assembly of European Geophysical Society. — 2002.

38. Arrival angles of mid-latitude mesospheric HF echoes / A. N. Karashtin, Y. V. Shlyugaev, V. V. Bychkov et al. // XXVII General Assembly of European Geophysical Society. — 2002.

39. Simon, A. Instability of a partially ionized plasma in crossed electric and magnetic fields / A. Simon // Phys. Fluids. 1963. - V. 6. — P. 382-388.

40. Hoh, F. C. Instability of penning-type discharges / F. C. Hoh // Phys. Fluids.— 1963. —V. 6, —P. 1184-1191.

41. Maeda, K. Theoretical interpretation of the equatorial sporadic E layers / K. Maeda, T. Tsuda, H. Maeda // Phys. Rev. Lett. — 1963. V. 11, N. 9. - P. 406-407.

42. Tsuda, T. Formation of sporadic E layers at temperate latitudes due to vertical gradients of charge density / T. Tsuda, T. Sato, K. Maeda // Radio Sci. — 1966. — V. 1, —P. 212-225.

43. Whitehead, J. D. Instabilities in a gradient of ionization and sporadic-E / J. D. Whitehead // J. Aim. Terr. Phys. 1967. - V. 29,- P. 1285-1297.

44. Reid, G. C. The formation of small-scale irregularities in the ionosphere / G. C. Reid // J. Geophys. Res. 1968. - V. 73. - P. 1627-1640.

45. Rogister, A. Type II irregularities in the equatorial electrojet / A. Rogister, N. D'Angelo // J. Geophys. Res. 1970. - V. 75. - P. 3879-3887.

46. Sudan, R. N. Generation of small-scale irregularities in the equatorial electrojet / R. N. Sudan, J. Akinrimisi, D. T. Farley // J. Geophys. Res. 1973.- V. 78.— P. 240-248.

47. Sudan, R. N. Unified theory of type I and type II irregularities in the equatorial electrojet / R. N. Sudan // J. Geophys. Res. — 1983. V. 88. — P. 4853-4860.

48. Kelley, M. C. The Earth's Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics / M. C. Kelley. — Academic Press, San Diego, 1989.

49. Гуревич, А. В. Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере / А. В. Гуревич, А. Б. Шварцбург.— М.: Наука, 1973.

50. Ландау, JI. Д. Теоретическая физика, т. III. Квантовая механика. Нерелятивистская теория / JI. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. — 3 edition. — М.: Наука, 1974.

51. Бейтмен, Г. Высшие трансцендентные функции, т. II / Г. Бейтмен, А. Эрдейи. — М.: Наука, 1974.

52. Epstein, P. Reflection of waves in an inhomogeneous absorbing medium / P. Epstein // Proc. Nat. Acad. Sci. Amer. — 1930. — V. 16. — P. 627-637.

53. Wilson, A. H. A generalized spheroidal wave equation / A. H. Wilson // Proc. Roy. Soc. London A. 1928. - V. 118. — P. 617-635.

54. Fisher, E. Some differential equations involving three-term recursion formulas / E. Fisher // Philos. Magazine.- 1937.- V. 24, — P. 245-256.

55. Stratton, J. A. Spheroidal functions / J. A. Stratton // Proc. Nat. Acad. Sci. Amer. — 1935. V. 21. - P. 51-56.

56. Stratton, J. A. Spheroidal functions of the second kind / J. A. Stratton IJ Proc. Nat. Acad. Sci. Amer. 1935. - V. 21. - P. 316-321.

57. Бейтмен, Г. Высшие трансцендентные функции, т. I / Г. Бейтмен, А. Эрдейи. — М.: Наука, 1973.

58. Караштин, А. Н. Неустойчивости термодиффузионного типа в слабоионизован-ной плазме / А. Н. Караштин, М. Ш. Цимринг: Препринт НИРФИ № 216, Горький, 1986. 35 с.

59. Farley, D. Т. Two-stream plasma instability as a source of irregularities in the ionosphere / D. T. Farley // Phys. Rev. Lett. 1963. — V. 10, N. 7. — P. 279-282.

60. Каменецкая, Г. X. О возбуждении продольных волн током экваториальной струи / Г. X. Каменецкая // Геомагнетизм и аэрономия.— 1969.— Т. 9, № 2.— С. 351-353.

61. Котик, Д. С. К теории неустойчивости в ионосферной токовой струе / Д. С. Котик // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1972, — Т. 15, № 4. — С. 497-504.

62. Волосевич, А. В. / А. В. Волосевич // Явления в полярной ионосфере.— Л.: Наука, 1978.

63. Гуревич, А. В. Движение и расплывание неоднородностей в плазме / А. В. Гуревич, Е. Е. Цедилина // УФН. 1967. - Т. 91, № 4. - С. 609-643.

64. An overview of type 3 radar auroral research, basic observational properties and new interpretation propositions / C. Haldoupis, G. J. Sofko, G. C. Hussey, J. Mu // Ann. Geophys. 1995. - V. 13. - P. 10-24.

65. Shalimov, S. An electron thermal diffusion instability and type 3 echoes in the auroral e-region plasma / S. Shalimov, C. Haldoupis // Ann. Geophys. — 1995. — V. 13. — P. 45-55.

66. Production of auroral zone E region irregularities by powerful HF heating / F. H. Hibberd, E. Nielsen, P. Stubbe et al. // J. Geophys. Res. 1983.— V. 88, N. A8. - P. 6347-6351.

67. Гинзбург, В. Л. Волны в магнитоактивной плазме / В. Л. Гинзбург, А. А. Рухад-зе. — М.: Наука, 1970.

68. Васьков, В. В. Расслоение плазмы в области отражения мощных радиоволн в ионосфере / В. В. Васьков, А. В. Гуревич // Изв. ВУЗов. Радиофизика.— 1975.— Т. 18, jV 9. С. 1261-1272.

69. Параметрическое взаимодействие электромагнитного излучения с ионосферной плазмой / С. М. Грач, А. Н. Караштин, Н. А. Митяков и др. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1977. — Т. 20, № 12. — С. 1827-1833.

70. Бойко, Г. Н. / Г. Н. Бойко, Л. М. Ерухимов, В. Л. Фролов // Геомагнетизм и аэрономия. — 1990. — Т. 30. — С. 998.

71. DuBois, D. F. Theory of HF induced turbulence in the ionosphere: Status and challenges / D. F. DuBois //IV Suzdal URSI Symposium on Artificial Modification of the Ionosphere, August 15-20, Uppsala, Sweden. — 1994. — P. 18-19.

72. Utlaut, W. F. Modifying the ionosphere with intense radio waves / W. F. Utlaut, R. Cohen // Science. 1971. - V. 174, N. 4006. - P. 245-254.

73. Stimulated electromagnetic emission near electron cyclotron harmonics in the ionosphere / Т. B. Layser, B. Thide, H. Derblom et al. // Phys. Rev. Lett. — 1989.— V. 63, X. 11. — P. 1145-1147.

74. Васьков, В. В. Резонансная неустойчивость мелкомасштабных возмущений плазмы / В. В. Васьков, А. В. Гуревич // ЖЭТФ. — 1977. — Т. 73, № 3.- С. 923-936.

75. Thermal cavitons / К. В. Dysthe, Е. Mjolhus, Н. Pecseli, К. Rypdal // Phys. Scripta. — 1982. V. 2В. - P. 548-559.

76. Gurevich, A. V. Stationary state of isolated striations developed during ionospheric modification / A. V. Gurevich, A. V. Lukjanov, K. P. Zybin // Phys. Lett. A.— 1995. V. 206, N. 3-4. - P. 247-259.

77. Gurevich, A. V. Stationary striations developed in the ionospheric modification / A. V. Gurevich, K. P. Zybin, A. V. Lukjanov // Phys. Rev. Lett. 1995.— V. 75, N. 13. - P. 2622-2625.

78. Rao, P. B. A model for RF scattering from field-aligned heater-induced irregularities / P. B. Rao, G. D. Thome // Radio Sci. 1974,- V. 9, N. 11. — P. 987-996.

79. Robinson, T. R. The heating of the high lattitude ionosphere by high power radio waves / T. R. Robinson // Phys. Rep. — 1989. — V. 179, N. 2-3. P. 79-209.

80. Noble, S. Т. Simultaneous measurements of HF-enhanced plasma waves and artificial field-aligned irregularities at Arecibo / S. T. Noble, F. T. Djuth // J. Geophys. Res. — 1990. V. 95. - P. 15195-15207.

81. Density depletions at the 10-m scale induced by the Arecibo heater / M. C. Kelley, T. L. Arce, J. Saloway et al. //J. Geophys. Res. — 1995. V. 100, N. A9. — P. 1736717376.

82. Franz, T. Radar backscattering from artificial field-aligned irregularities / T. Franz, M. C. Kelley, A. V. Gurevich // Radio Sci. 1999. - V. 34, N. 2. P. 465-475.

83. Татарский. Распространение волн в турбулентной атмосфере / Татарский. — М.: Наука, 1967.

84. Гинзбург. Распространение электромагнитных волн в плазме / Гинзбург.— М.: Физматгиз, 1960.

85. Block, L. P. Electric field measurements on Viking: First results / L. P. Block // Geophys. Res. Lett. 1987. - V. 14. - P. 435-438.

86. The dc and ac electric field, plasma density, plasma temperature, and field-aligned current experiments on the S3-3 satellite / F. S. Mozer, C. A. Cattell, M. Temerin et al. // J. Geophys. Res. 1979. - V. 84. - P. 5875-5884.

87. Bostrom, R. Observations of weak double layers on auroral field lines / R. Bostrom // IEEE Trans. Plasma Sci. — 1992. V. 20. - P. 756-763.

88. Foster, J. C. Radar observations of the onset of current-driven instabilities in the topside ionosphere / J. C. Foster et al. // Geophys. Res. Lett. — 1988. — V. 15. — P. 160-163.

89. Rietveld, M. T. Naturally enhanced ion acoustic waves in the auroral ionosphere observed with the EISCAT 933-MHz radar / M. T. Rietveld et al. // J. Geophys. Res. — 1991. V. 96. - P. 19291-19305.

90. Walhund, J.-E. EISCAT observations of topside ionospheric ion outflows during auroral activity: Revisited / J.-E. Walhund et al. //J. Geophys. Res. — 1992.— V. 97.— P. 3019-3037.

91. Balsley, В. В. The MST radar technique: potential for middle atmospheric studies /

92. B. B. Balsley, K. S. Gage // Pageoph. 1980. — V. 118.- P. 452-493.

93. Evans, J. V. Theory and practice of ionosphere study by Thomson scatter radar / J. V. Evans I j Proc. IEEE. 1969. - V. 57, N. 4. - P. 496-530.

94. Evans, J. V. Some post-war developments in ground-based radiowave sounding of the ionosphere / J. V. Evans // J. Atmos. Terr. Phys. — 1974,- V. 36, N. 12. — P. 21832234.

95. Belrose, J. S. Radio wave probing of the ionosphere by the partial reflection of radio waves (from heights below 100 km) / J. S. Belrose // J. Atmos. Terr. Phys. — 1970.— V. 32, N. 4. P. 567-596.

96. Казанников, A. M. / A. M. Казанников, Ю. И. Портнягин // Геомагнетизм и аэрономия. — 1981. Т. 21. — С. 371-373.

97. Tsuda, Т. Long period wind oscillations observed by the Kyoto meteor radar and comparison of the quasi-2-day wave with Adelaide HF radar observations / T. Tsuda, S. Sato, R. A. Vincent // J. Atmos. Terr. Phys. — 1988. — V. 50, N. 3. — P. 225-230.

98. The frequency-agile radar: A multifunctional approach to remote sensing of the ionosphere / R. T. Tsunoda et al. // Radio Sci. — 1995. V. 30, N. 5. — P. 1623-1643.

99. An HF phased-array radar for studying small-scale structure in the high-latitude ionosphere / R. A. Greenwald et al. // Radio Sci. — 1985. — V. 20, N. 1. — P. 63-79.

100. Utlaut, W. F. An ionospheric modification experiment using very high power, high frequency transmission / W. F. Utlaut j I J. Geophys. Res. — 1970. — V. 75, N. 31. — P. 6402-6405.

101. Экспериментальный комплекс СУРА для исследоваиияискусственных возмущений ионосферы / И. Ф. Белов, В. В. Бычков, Г. Г. Гетманцев и др.: Препринт НИРФИ № 167, Горький, 1983.

102. Токарев, Ю. В. j Ю. В. Токарев //II Межрегиональная конф. по радиоастрономическим исслед. Солнечной системы, Н. Новгород, Тезисы докл.— 1992.—1. C. 79.

103. Lehtinen, M. S. A new modulation principle for incoherent scatter measurements / M. S. Lehtinen, I. Haggstrom // Radio Sci. — 1987. — V. 22. — P. 625-634.

104. Генкин, JI. Г. О возможности обнаружения ионно-звуковой турбулентности межпланетной плазмы методом обратного рассеяния радиоволн / JI. Г. Генкин, JI. М. Ерухимов // Геомагнетизм и аэрономия. — 1983. — Т. 23. — С. 397.

105. Ю. В. Токарев, M. JI. Кайзер, Ю. И. Белов и др. // VII Симпозиум по солнечно-земной физике России и стран СНГ, Москва. — 1998. — С. 72-73.

106. Tokarev, Y. V. Lunar reflection properties at decametric wavelenghts / Y. V. Tokarev // Astronomy Posters Abstracts of the XXII-nd General Assembly of the IAU, Den Haag. V. JD 18.1. - 1994. - P. 269.

107. Experimental 9 MHz transmission from Vasil'sursk in Russia to the WIND spacecraft of NASA / C. G. M. V. Klooster, Y. Belov, Y. Tokarev et al. // Preparing for the Future (ESA journal). 1995. - V. 5, N. 4. - P. 1-3.

108. Радар СУРА-WIND: исследование нелинейных эффектов при просвечивании ионосферы короткими радиовонами / Ю. В. Токарев, В. А. Алимов, Ю. И. Белов и др. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. — 1999. — Т. 42, № 8. — С. 799-809.

109. Detection of HF radar reflection from the solar corona / P. Rodriguez, A. Konovalenko, О. M. Ulyanov et al. // EOS, Trans. AGU. 1997. - V. 78. - P. F538.

110. Моностатическое радиозондирование Солнца на стенде СУРА / А. Н. Караштин, Г. П. Комраков, 10. В. Токарев, Ю. В. Шлюгаев // VII симпозиум по солнечно-земной физике России и стран СНГ. Тезисы докладов. Москва. 15-18 декабря 1998 г. 1998. - С. 24.

111. Kindel, J. М. Topside current instabilities / J. M. Kindel, C. F. Kennel //J. Geophys. Res. 1971. - V. 76, N. 13. - P. 3055-3078.

112. Bostrom, R. Characteristics of solitary waves and weak double layers in the magnetospheric plasma / R. Bostrom et al. // Phys. Rev. Lett. — 1988,— V. 61.— P. 82-85.

113. Hagfors, T. The scattering of e.m. waves from density fluctuations in a plasma, radar probing of the auroral plasma / T. Hagfors // Proc. EISCAT summer school. — Troms0, Norway, 1975. — P. 15-28.

114. Электродинамика плазмы / А. И. Ахиезер, И. А. Ахиезер, Р. В. Половин и др. — М.: Наука, 1974.123| Basu, A. Spectrum of turbulent ion acoustic waves in a magnetic field / A. Basu et al. // Plasma Phys. Controlled Fusion. — 1985. — V. 27. — P. 433-445.

115. Ishihara, O. Quasilinear evolution of current-driven ion acoustic instability in a magnetic field / O. Ishihara, A. Hirose // Phys. Rev. Lett. 1983. — V. 50. — P. 17831786.

116. Farley, D. T. Multiple-pulse incoherent-scatter correlation function measurements / D. T. Farley // Radio Sci. 1972. - V. 7, N. 6. - P. 661-666.

117. Sulzer, M. P. A radar technique for high range resolution incoherent scatter autocorrelation function measurements utilizing the full average power of klystron radars / M. P. Sulzer // Radio Sci. 1986. - V. 21, N. 6. - P. 1033-1040.

118. Optimal analysis of incoherent scatter radar data / J. M. Holt, D. A. Rhoda, D. Tetenbaum, A. P. van Eyken // Radio Sci. 1992. - V. 27, N. 3. — P. 435-447.

119. Application of alternating codes for EISCAT observations during the ERRRIS campaign for E-region plasma irregularities / I. Iiaggstrom, H. Opgenoorth, P. J. S. Williams et al. //J. Atmos. Terr. Phys. 1990. - V. 52, N. 8. - P. 431-438.

120. Cho, J. Y. N. Polar mesosphere summer radar echoes: Observations and current theories / J. Y. N. Cho, M. C. Kelley // Rev. Geophys. — 1993. V. 31. — P. 243-265.

121. First VHF radar measurements of mesopause summer echoes at mid-latitudes / I. M. Reid, P. Czechowsky, R. Riister, G. Schmidt // Geophys. Res. Lett. — 1989. — V. 16. P. 135-138.

122. Czechowsky, P. The mobile SOUSY Doppler radar: Technical design and first results / P. Czechowsky, G. Schmidt, R. Riister // Radio Sci. — 1984. V. 19.- P. 441-450.

123. Ecklund, W. L. Long-term observations of the Arctic mesosphere with the MST radar at Poker Flat, Alaska / W. L. Ecklund, В. B. Balsley // J. Geophys. Res. — 1981.— V. 86. P. 7775-7780.

124. Kelley, M. C. Large- and small-scale organization of electrons in the high-latitude mesosphere: Implications of the STARE data / M. C. Kelley, J. C. Ulwick // J. Geophys. Res. — 1988. V. 93. - P. 7001-7008.

125. First in-situ observations of neutral and plasma density fluctuations within a PMSE layer / F.-J. Liibken, G. Lehmacher, T. Blix et al. // Geophys. Res. Lett. — 1993.— V. 20. P. 2311-2314.

126. First height comparison of noctilucent clouds and simultaneous PMSE / U. Walchli, J. Stegman, G. Witt et al. // Geophys. Res. Lett. — 1993. — V. 20. — P. 2845-2848.

127. Cho, J. Y. N. On the role of charged aerosols in polar mesosphere summer echoes / J. Y. N. Cho, Т. M. Hall, M. C. Kelley // J. Geophys. Res.- 1992.- V. 97.-P. 875-886.

128. On the role of dust in summer mesosphere / O. Havnes, U. de Angelis, R. Bingham et al. // J. Atmos. Terr. Phys. 1990. — V. 52. — P. 637-643.

129. Ilagfors, T. Note on the scattering of electromagnetic waves from charged dust particles in a plasma / T. Hagfors // J. Atmos. Terr. Phys. — 1992, — V. 54. — P. 333-338.

130. Trakhtengerts, V. Y. The generation of electric fields by aerosol particle flow in the middle atmosphere / V. Y. Trakhtengerts //J. Atmos. Terr. Phys. — 1994. — V. 56. — P. 337-342.

131. Gurevich, A. V. Ionospheric turbulence induced in the lower part of E-region by the turbulence of the neutral atmosphere / A. V. Gurevich, N. D. Borisov, K. P. Zybin // J. Geophys. Res. 1997. - V. 102. - P. 379-388.

132. Schlegel, K. Radar backscatter from E-region plasma irregularities induced by neutral turbulence / K. Schlegel, A. V. Gurevich. — Katlenburg-Lindau, Germany:

133. Preprint MPAE-W-100-95-20, Max-Planck-Institut fiir Aeronomie, Katlenburg-Lindau, Germany, 1995.

134. Gregory, J. B. An assesment of winds data (60 110 km) obtained in real-time from a medium frequency radar using the radio wave drifts technique / J. B. Gregory, С. E. Meek, A. H. Manson //J. Atmos. Terr. Phys. — 1982. V. 44. - P. 649-655.

135. Multiple-frequency studies of the high-latitude summer mesosphere: implications for scattering processes / U.-P. Hoppe, D. C. Fritts, I. M. Reid et al. // J. Atmos. Terr. Phys. — 1990. V. 52. - P. 907-926.

136. An investigation of measured temperature profiles and VHF mesosphere summer echoes at midlatitudes / P. B. Chilson, P. Czechowsky, J. Klostermeyer et al. // J. Geophys. Res. — 1997. V. 102. - P. 23819-23828.

137. The mesopause altitude: Only two distinctive levels worldwide? / U. von Zahn, J. Hoffner, V. Eska, M. Alpers // Geophys. Res. Lett. 1996. - V. 23. - P. 3231-3234.

138. Seasonal and interannual variability of mesospheric echoes observed with the middle and upper atmosphere radar during 1986-1995 / K. Kubo, T. Sugiyama, T. Nakamura, S. Fukao // Geophys. Res. Lett. 1997. - V. 24. - P. 1211-1214.

139. Trakhtengerts, V. Y. Nonequilibrium electron density fluctuations and wave scattering in the mesosphere / V. Y. Trakhtengerts, A. G. Demekhov //J. Atmos. Terr. Phys. — 1995. V. 57. - P. 1135-1164.

140. Матвеев, Л. Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы / JI. Т. Матвеев.— JL: Гидрометеоиздат, 1984.

141. Belrose, J. S. Study of the lower ionosphere using partial reflections, 1. experimental technique and methods of analysis / J. S. Belrose, M. J. Burke //J- Geophys. Res. — 1964. V. 69, N. 13. - P. 2799-2818.

142. PMSE observations at three different frequencies in nothern europe during summer 1994 / J. Bremer, P. Hoffmann, A. H. Manson et al. // Ann. Geophys.— 1996.— V. 14. P. 1317-1327.

143. Беликович, В. В. Обработка сигналов в методе частичных отражений / В. В. Бе-ликович, В. В. Беликович // Геомагнетизм и аэрономия. — 2001. — Т. 41, № 5. — С. 667-671.

144. Kreihbel, P. R. An analysis of the charge structure of lightning discharges to ground / P. R. Kreihbel, M. Brook, R. A. McCrory // J. Geophys. Res. — 1979. — May. — V. 84, N. C5. P. 2432-2456.

145. Krider, E. P. The temporal structure of the HF and VHF radiation produced by intracloud lightning discharges / E. P. Krider, C. D. Weidman, D. M. Le Vine //J. Geophys. Res. 1979. - September. — V. 84, N. C9. - P. 5760-5762.

146. Weidman, C. D. Lightning amplitude spectra in the interval from 100 kHz to 20 MHz / C. D. Weidman, E. P. Krider, M. A. Uman // Geophys. Res. Lett. — 1981. — August. — V. 8, N. 8. P. 931-934.

147. Proctor, D. E. VHF radio pictures of cloud flashes / D. E. Proctor //J. Geophys. Res. 1981. - May. - V. 86, N. C5. - P. 4041-4071.

148. Beasley, W. Electric fields preceding cloud-to-ground lightning flashes / W. Beasley, M. A. Uman, J. P. L. Rust an //J. Geophys. Res. — 1982,- V. 87, — P. 4883-4902.

149. Observations of lightning phenomena using radio interferometry / С. T. Rhodes, X. M. Shao, P. R. Krehbiel et al. // J. Geophys. Res. D.- 1994,— V. 99, N. D6. — P. 13,059-13,082.

150. Uman, M. A. The lightning discharge / M. A. Uman. — San Diego, Calif.: Academic, San Diego, Calif., 1987.

151. MacGorman, D. The Electrical Nature of the Storms / D. MacGorman, W. D. Rust. — Oxford Univ. Press, New York, 1998.

152. Базелян, Э. M. Физика молнии и молниезащита / Э. М. Базелян, Ю. П. Райзер. — Физматлит, М., 2001.

153. Uman, М. A. Lightning: Physics and effects / M. A. Uman, V. A. Rakov. — Cambridge University Press, 2003.

154. Radio emission due to simultaneous effect of runaway breakdown and extensive atmospheric showers / A. V. Gurevich, L. M. Duncan, Y. V. Medvedev, K. P. Zybin // Phys. Lett. A. — 2002. August. - V. 301, N. 3-4. — P. 320-326.

155. Gurevich, A. V. Runaway electron mechanism of air breakdown and preconditioning during a thunderstorm / A. V. Gurevich, G. M. Milikh, R. Roussel-Dupre // Phys. Lett. A. 1992. - June. — V. 165, N. 5-6. - P. 463-468.

156. Kinetic theory of runaway air breakdown / R. Roussel-Dupre, A. V. Gurevich, T. Tunnell, G. M. Milikh // Phys. Rev. E. 1994. - March. - V. 49, N. 3. - P. 22572271.

157. Гуревич, А. В. Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы / А. В. Гуревич, К. П. Зыбин // УФН,— 2001.— Ноябрь. — Т. 171, № 11,- С. 1177-1199.

158. Marshall, Т. С. Electric field magnitudes and lightning initiation in thunderstorms / Т. C. Marshall, M. P. McCarthy, W. D. Rus // J. Geophys. Res. — 1995. — V. 100, N. D4. P. 7097-7104.

159. Gurevich, A. V. Lightning initiation by simultaneous effect of runaway breakdown and cosmic ray showers / A. V. Gurevich, K. P. Zybin, R. A. Roussel-Dupre // Phys. Lett. A. 1999. - April. - V. 254, N. 1-2. - P. 79-87.

160. Uman, M. A. The electromagnetic radiation from a finite antenna / M. A. Uman, D. K. McLain, E. P. Krider // AJP. 1975. - V. 43. - P. 33-38. *

161. Беленький, С. 3. Широкие атмосферные ливни (ШАЛ) / С. 3. Беленький. — М.: Атомиздат, 1987.

162. Berton, X. Physics of extremely high energy cosmic rays / X. Berton, M. Boratav, A. Letessier-Selvon // J. Mod. Phys. A. 2000. - June 20. - V. 15, N. 15. - P. 21822224.