Лабораторное исследование волн свистового диапазона частот в плазме с нестационарным и неоднородным магнитным полем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

ГУЩИН Михаил Евгеньевич

ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛН СВИСТОВОГО ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ В ПЛАЗМЕ С НЕСТАЦИОНАРНЫМ И НЕОДНОРОДНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

01 04 08 - физика плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

□ОЗОТ1БЭ2

Нижний Новгород - 2007

003071692

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук (г Нижний Новгород)

Научный руководитель

доктор физико-математических наук А В Костров

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор Н С Степанов

доктор физико-математических наук, профессор П А Беспалов

Ведущая организация

Институт космических исследований РАН

Защита состоится мая 2007 г в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002 069 02 в Институте прикладной физики РАН (603950 г Нижний Новгород, ул Ульянова, д 46)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики Российской академии наук

Автореферат разослан « /0 » ¿"1 'уж*.^ 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

Ю В Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Низкочастотные волны, возбуждаемые в околоземной плазме наземными и спутниковыми передатчиками, а также естественные излучения, формирующиеся в ионосфере и магнитосфере, представляют большой интерес в связи с различными научными и техническими приложениями Значительная часть низкочастотных сигналов распространяется в магнитоактивной плазме ближнего космоса в виде волн свистового диапазона частот (вистлеров) В современных магнитосферных исследованиях регистрация и анализ волн крайне низких и очень низких частот (КНЧ и ОНЧ) являются приоритетными задачами Искусственные и естественные вистлеры используются для диагностики и мониторинга плазменного окружения Земли [1], в экспериментах по контролируемым высыпаниям энергичных частиц [2] В настоящее время обсуждаются программы по активному воздействию на процессы генерации естественных магнитосферных излучений [3]

В процессе возбуждения и при распространении вистлеры подвержены влиянию вариаций различных параметров магнитосферы Часто наблюдаются такие явления, как уширение спектра, модуляция амплитуды и частоты ОНЧ волн Кроме того, в областях с пространственно-неоднородными магнитосферными возмущениями могут формироваться специфические волноводные структуры, способствующие транспортировке излучения в режиме волноводного распространения Традиционно эффекты обогащения частотного спектра и изменения пространственной структуры вистлеров объясняются вариациями плотности околоземной плазмы Однако в исследовательских программах последних лет, например, в рамках проекта «Cluster» [4], значительное внимание уделяется изучению возмущений магнитного поля В частности, большой интерес представляют физические процессы в турбулентном (магнитном) слое и в зоне нейтрального слоя, где, наряду со всплесками КНЧ-ОНЧ излучений, регистрируются интенсивные (Д5/2?0~ 100%) магнитные возмущения Корреляция низкочастотных сигналов и магнитных вариаций, отмечаемая в магнитосфере, требует всестороннего анализа механизмов модуляции вистлеров нестационарными и пространственно-неоднородными возмущениями магнитного поля

Техническая сложность и высокая стоимость программ космических исследований оправдывают изучение плазменных процессов в модельных экспериментах, проводимых в лаборатории В последние десятилетия научными группами из разных стран построены крупномасштабные стенды для моделирования явлений в космической плазме (см, например, [5]) Богатый опыт, накопленный в сфере экспериментальной физики плазмы, обширный арсенал разработанных диагностических средств, успехи,

3

достигнутые в автоматизации плазменного эксперимента, новые эффективные технологии сбора и обработки данных делают лабораторное моделирование перспективным подходом к изучению физических процессов в космической плазме

Цель работы

Целью диссертационной работы является лабораторное исследование влияния нестационарных и пространственно-неоднородных возмущений магнитного поля на процессы возбуждения и распространения волн свистового диапазона частот Работа выполнена на экспериментальном стенде «Крот», предназначенном для моделирования физических процессов в космической плазме

Научная новизна

1. Экспериментально исследовано преобразование частоты излучения свистового диапазона в плазме с нестационарным магнитным полем Показано, что наблюдаемая частотная модуляция свистовых волн относится к классу нерезонансных параметрических явлений Предложена упрощенная модель, позволяющая связать параметры частотной модуляции вистлеров с характеристиками магнитных возмущений

2 Продемонстрирован эффективный механизм амплитудной модуляции излучения в плазме с нестационарным магнитным полем, обусловленный эффектами нерезонансной модуляции частоты и сильной дисперсией групповой скорости волн свистового диапазона Показано, что при квазипериодической модуляции магнитного поля комплекс параметрических и дисперсионных явлений приводит к формированию из непрерывных свистовых волн последовательностей волновых пакетов с модулированной частотой заполнения

3 В лабораторном эксперименте впервые изучено рассеяние вистлеров неоднородностями магнитного поля, создаваемыми в плазме с квазиоднородным распределением плотности Показано, что протяженные неоднородности магнитного поля, на масштабе которых укладывается несколько длин волн, могут существенно изменять структуру электромагнитных полей и способствовать эффективной транспортировке излучения свистового диапазона частот

4 Предложен новый электродинамический способ управления излучением свистовых волн рамочной антенной за счет локальной модификации магнитного поля вблизи антенны Предложен метод создания искусственной неоднородности магнитного поля,

4

заключающийся в пропускании по антенне, наряду с переменным током на рабочей частоте, дополнительного постоянного тока Показано, что при создании околоантенной неоднородности магнитного поля мощность, излучаемая в свистовые волны, может быть увеличена более чем на порядок

Научная и практическая и ценность

В ходе выполнения диссертационной работы изучены механизмы влияния нестационарных и пространственно-неоднородных вариаций магнитного поля на процессы возбуждения и распространения волн свистового диапазона частот, которые ранее систематически не исследовались Эффекты нерезонансной амплитудно-частотной модуляции излучения важны для магнитосферных приложений, и позволяют объяснить модуляцию волн в околоземной плазме без привлечения традиционно рассматриваемых механизмов резонансного рассеяния Эффекты нерезонансной модуляции излучения могут использоваться для диагностики нестационарных вариаций магнитного поля в околоземной плазме (по характеристикам естественных излучений, при инжекции искусственных КНЧ-ОНЧ волн с поверхности Земли и с борта космических аппаратов) и в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу Результаты, полученные при исследовании эффектов рассеяния свистовых волн на неоднородностях магнитного поля, важны для объяснения изменения условий распространения свистовых волн при сильных геомагнитных возмущениях и внедрении в магнитосферу потоков энергичных частиц В диссертации показано, что искусственные неоднородности магнитного поля позволяют управлять импедансными характеристиками антенн, используемых для излучения и приема волн свистового диапазона частот

Публикации и апробация результатов

Изложенные в диссертации результаты обсуждались на семинарах ИПФ РАН и докладывались на XXX-XXXIII Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2003 - 2006), VIII и IX Нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2003 - 2004), VI Международном Суздальском симпозиуме (Москва, 2004), Международной конференции по физике низкотемпературной плазмы PLTP-03 (Киев, Украина, 2003), 30 Конференции Европейского физического общества по физике плазмы и УТС (Санкт-Петербург, 2003), Конференции молодых ученых «Нелинейные волновые процессы» (Нижний Новгород, 2004), 12 Международном конгрессе по физике плазмы ICPP-2004 (Ницца, Франция, 2004), 8 Международной школе по лабораторным и космическим плазменным экспериментам IPELS-05 (Тромсе, Норвегия, 2005), XI

5

Региональной конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 2005), 36 конгрессе СОБРАН (Пекин, Китай, 2006), 2 Международной школе по низкочастотным излучениям в ионосфере и магнитосфере УЕКБ1М-2006 (Соданиоля, Финляндия, 2006)

По теме диссертации опубликовано 6 статей в научных журналах и 1 препринт Результаты изложены в сборниках трудов и тезисах докладов российских и международных конференций

Личный вклад автора

Диссертация выполнена на крупномасштабном экспериментальном стенде, и основные результаты выполненной работы получены в соавторстве Однако вклад автора во все исследования, которым посвящена диссертация, является определяющим Автор руководил работами, результаты которых представлены в диссертации, ему принадлежит решающая роль в планировании и проведении экспериментов, выборе экспериментальных методик, интерпретации экспериментальных данных, разработке теоретических моделей

Основные положения, выносимые на защиту

1 Нерезонансные параметрические эффекты играют важную роль в процессах преобразования спектра электромагнитного излучения в нестационарной магнитоактивной плазме Относительные сдвиги частоты излучения достигают значений порядка относительной величины вариаций магнитного поля Эффекты амплитудно-частотной модуляции излучения свистового диапазона могут использоваться для диагностики нестационарных вариаций магнитного поля в космической и лабораторной плазме

2 В плазме с квазипериодическими возмущениями магнитного поля параметрическая модуляция частоты излучения, при наличии сильной дисперсии групповой скорости, приводит к преобразованию изначально непрерывных волн свистового диапазона в последовательности волновых пакетов с модулированной частотой заполнения

3 Амплитудная модуляция частотно-модулированных (ЧМ) сигналов свистового диапазона частот обусловлена сжатием (растяжением) отдельных участков волны за счет дисперсии групповой скорости и зависимостью декремента затухания вистлеров от частоты При распространении ЧМ волн свистового диапазона в неоднородных плазменных структурах (дактах) дополнительные эффекты амплитудной модуляции возникают за счет интерференции волноводных мод, имеющих различные групповые скорости

4 Неоднородности магнитного поля, формируемые в плазме с квазиоднородным распределением плотности, оказывают существенное влияние на структуру волновых полей, возбуждаемых в свистовом диапазоне частот Области с увеличенным магнитным полем «фокусируют» наклонные волны свистового диапазона, области с пониженным магнитным полем, напротив, «дефокусируют» излучение Вытянутые неоднородности, на масштабе которых укладывается несколько длин свистовых волн, удерживают излучение, и способствуют его эффективной транспортировке вдоль направления магнитного поля.

5 Эффективность рамочной антенны, работающей в свистовом диапазоне частот, может быть увеличена за счет локальной модификации магнитного поля Управление излучением (приемом) вистлеров может осуществляться при пропускании по антенне, наряду с переменным током на рабочей частоте, дополнительного постоянного тока, возмущающего статическое магнитное поле вблизи рамки

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Общий объем диссертации составляет 125 страниц, включая 58 рисунков и 3 таблицы Список цитированной литературы содержит 140 наименований

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследований, кратко изложено содержание диссертации

В главе 1 приводится описание установки, на которой были выполнены экспериментальные исследования, составляющие основу диссертации Проблемы, связанные с лабораторным моделированием волновых процессов в околоземной плазме, изложены в разделе 1.1 Адекватное моделирование процессов возбуждения и распространения волн, при условии измерения параметров плазмы и волновых полей с высоким пространственно-временным разрешением, возможно только на крупномасштабных установках Стенд «Крот» был специально создан для моделирования физических явлений в плазме ближнего космоса Его параметры приводятся в разделе 1.2 Квазиоднородный столб магнитоактивной плазмы длиной 4 м и диаметром до 1 5 м формируется в результате импульсного индукционного высокочастотного разряда в аргоне (давление нейтрального газа р = 4-7 * 10~4 торр, мощность плазмосоздающих генераторов порядка 1 МВт, частота 5 МГц) Максимальная концентрация плазмы достигает значения 2 * 1013 см"3, максимальная величина магнитного поля 1 кГс Эксперименты, описанные

7

в диссертации, производились в распадающейся плазме, при плотностях «о=Ю' -1012см'3, значениях температуры электронов Те = 0 2-15эВ, ионной температуре Т, < 0 5 эВ Раздел 1.3 содержит описание методов, использовавшихся для диагностики параметров плазмы и магнитного поля Применялись традиционные зондовые методы (одиночные и двойные электростатические зонды), методы бесконтактной диагностики (СВЧ-интерферометр), миниатюрные зонды с СВЧ-резонаторами, многосеточный анализатор энергий электронов Измерение и контроль возмущений магнитного поля осуществлялись магнитными зондами, а также методом циклотронного резонанса Возбуждение и детектирование высокочастотных полей в плазме производились с помощью антенн, описанных в разделе 1.4 В экспериментах использовались, главным образом, изолированные электрически экранированные рамочные антенны

Глава 2 посвящена экспериментальному исследованию эффектов преобразования частоты и амплитуды волн свистового диапазона, распространяющихся в плазме с нестационарными возмущениями магнитного поля Экспериментальная деятельность в данном направлении была стимулирована наблюдением в магнитосфере Земли низкочастотных излучений с выраженной ' амплитудно-частотной модуляцией, регистрируемых одновременно с нестационарными вариациями магнитного поля Раздел 2.1 посвящен теоретическому описанию вистлеров в плазме с нестационарным магнитным полем Анализ дисперсионных свойств волн свистового диапазона (раздел 2.1.1) показывает, что магнитные возмущения могут существенно изменять амплитудно-частотные характеристики излучения В диссертации исследуется «нерезонансный» [6] механизм параметрического преобразование частоты и амплитуды вистлеров, который, в отличие от резонансного рассеяния, редко рассматривался теоретически, и не исследовался в экспериментах В разделе 2.1.2 из уравнения переноса частоты получено приближенное аналитическое выражение для девиации частоты волны свистового диапазона, после ее прохождения через область с нестационарным возмущением магнитного поля Экспериментальные данные подтверждают оценки, сделанные на базе указанного выражения

Раздел 2.2 посвящен описанию экспериментов, в которых исследовались эффекты нерезонансной параметрической модуляции вистлеров в нестационарном магнитном поле В разделе 2.2.1 описан способ генерации возмущений магнитного поля В качестве источника магнитных возмущений использовалась дополнительная рамочная антенна (индуктор), установленная внутри основного соленоида установки Переменный ток, пропускавшийся по индуктору, обеспечивал относительное возмущение поля до АВ/В0~20%, характерные времена возмущения г были достаточно малы, и интенсивные возмущения магнитного поля не сопровождались модуляцией плотности плазмы на

8

временах порядка т. В экспериментах изучались гармонические и апериодические магнитные возмущения. Исследования выполнялись как при однородном распределении плотности плазмы по радиусу, так и при наличии вытянутой вдоль магнитного поля неоднородности (дакта) с пониженной плотностью. В разделе 2.2.2 описан термодиффузионный механизм формирования неоднородности за счет локального нагрева плазмы ВЧ полем.

Раздел 2,3 посвящен изложению экспериментальных результатов. В разделе 2.3.1 анализируется структура возбуждаемых антеннами электромагнитных полей. В выбранном режиме параметров в плазму излучались пробные волны с волновым вектором, направленным под углом 0О = 35° - 45 относительно направления магнитного поля.

(а)

ъ- 25 ОП

М........[............

......%....... % .........%......

О 0 5 11. 115рс 1-5 2 2 5 0 ( МНг 0 5 1 1, |Д5ес 1.5 2 2.5 - " " 170

№

М.......

.........

О 0 5 (Иве 1.5 2 2.5 0 [мнг0.5 1 1, Ц560 1.5 2 2.5

170

(С)

2 = 130 СЛ1 j

С).........

1 .............1т. л...........*..........

...........Я...]..........1 .

О 0.5 1 икос 1 5 2 2.5 0 0 5 ^ 1,1.5 2 2 5

Рис. 1. Осциллограммы (а,Ь,с) и соответствующие динамические спектры (с!,е,Г1 пробных свистовых волн с исходной частотой /0= 160 МГц, прошедших через область с периодической модуляцией магнитного поля на частоте ¡.2 МГц при относительной амплитуде возмущения АВ/Ва ~ 3 * ! (Г2, и принимаемых на различных расстояниях от излучающей антенны. Плотность плазмы л0 = 10й см"3, величина магнитного поля 30 = 82 Гс.

В разделе 2.3.2 рассмотрены характеристики пробных волн свистового диапазона, прошедших через область с гармоническим возмущением магнитного поля. Эксперименты показывают, что частота зондирую и [ей волны модулируется с периодом, равным периоду модуляции магнитного поля. Индекс частотной модуляции зависит от отношения частоты излучения к электронной циклотронной частоте; экспериментальные результаты согласуются с теоретическими оценками. Максимальная девиация частоты АВ/Во~5 * 10" наблюдается, когда групповая

задержка волны в возмущенной области сравнима с периодом возмущения

магнитного поля, на частотах, близких к резонансной частоте для «косых» свистовых волн со//eos ©о В этих же условиях становятся существенными дисперсионные эффекты разные участки частотно-модулированной (ЧМ) волны распространяются с различными групповыми скоростями В результате наблюдается дисперсионное сжатие ЧМ свистовой волны, из-за которого непрерывный сигнал дробится на отдельные волновые пакеты, длительность которых уменьшается по мере удаления от источника и от области с возмущенным магнитным полем (рис 1) Минимальная длительность, до которой сжимаются волновые пакеты, составляет At ~ rd&a)

В разделе 2.3.3 приведены результаты, полученные при зондировании области с гармонической модуляцией магнитного поля коротким импульсом монохроматических свистовых волн Длительность импульса выбиралась меньшей периода модуляции поля, он излучался в плазму в различных фазах возмущения В зависимости от фазы запуска, после прохождения через возмущенную область частота импульса смещается в «красную» или в «синюю» сторону Также с помощью короткого импульса были выполнены измерения групповой скорости вистлеров в зависимости от угла распространения относительно направления магнитного поля

Раздел 2.3.4 посвящен распространению вистлеров в плазме с магнитным полем, возмущенным интенсивными низкочастотными волнами Низкочастотные волны с амплитудой до АВ/В0 ~ Ю"2, как и зондирующее излучение, относились к свистовому диапазону Наблюдается амплитудно-частотная модуляция вистлеров, глубина модуляции зависит от их группового угла Результаты аналогичны данным, полученным при облучении пробными волнами области вблизи источника возмущения магнитного поля (индуктора) Несмотря на теоретическую возможность фазового синхронизма высокочастотных вистлеров с низкочастотными, резонансные эффекты в эксперименте не наблюдались

Дополнительные эффекты амплитудно-частотной модуляции вистлеров, обусловленные наличием вытянутой плазменной неоднородности (дакта) на трассе их распространения, обсуждаются в разделе 2.3.5. Если антеннами возбуждается набор собственных мод дакта, имеющих различные групповые скорости, то при появлении частотной модуляции в нестационарном магнитном поле интерференция мод приводит к усложнению форм спектров сигналов, принимаемых из плазмы Эффекты межмодовой дисперсии проявляются тем сильнее, чем больше длина трассы распространения вистлеров

В разделе 2.3 6 приведены результаты, полученные при зондировании плазмы с невозмущенным магнитным полем ЧМ свистовыми волнами Целью экспериментов было выявление механизмов, приводящих к амплитудной модуляции ЧМ излучения Продемонстрировано два

механизма (1) дисперсионное сжатие и (2) подавление высокочастотных спектральных составляющих за счет зависимости декремента затухания от частоты вблизи резонанса «//cos 0О Последний механизм приводит к смещению спектра вистлеров, как целого, вниз по частоте Зависимость декремента затухания вистлеров от частоты рассмотрена в разделе 2.3.7 Оценки показывают, что затухание приблизительно в равной степени обусловлено электрон-ионными столкновениями и поглощением тепловыми электронами плазмы на циклотронном резонансе (нормальный эффект Доплера)

Свойства вистлеров, распространяющихся в плазме с магнитным полем, изменяющимся во времени не по гармоническому закону, рассмотрены в разделе 2.3.8 Качественно частотная модуляция в этом случае не отличаются от эффектов, наблюдаемых при периодическом возмущении поля Интересно, что в условиях эксперимента спектрограмма зондирующей волны практически воспроизводит форму магнитного возмущения (рис 2) Последнее обстоятельство может использоваться в диагностических целях

Материалы, изложенные во второй главе диссертации, опубликованы в работах [1А-ЗА, 8А-11А, 15А]

О 2 4 6 8 10

t, МКС

Рис. 2 (а) зависимость магнитного поля в плазме (плотность = 10п см"3) от времени, (Ь) динамический спектр зондирующей свистовой волны на частоте /о =148 МГц после прохождения через область с нестационарным возмущением магнитного поля

Глава 3 посвящена исследованию волновых полей, возбуждаемых в плазме при наличии пространственно-неоднородных вариаций магнитного поля Распространение вистлеров при наличии пространственных вариаций плотности плазмы исследуется на протяжении нескольких десятилетий, однако вопросы, касающиеся влияния возмущений магнитного поля на волны свистового диапазона частот, ранее практически не обсуждались

Между тем, неоднородные магнитные структуры могут формироваться в околоземной плазме, особенно в областях с высоким значением /3= &т0(Те+Т,)/В02 ~ I (турбулентный слой, нейтральный слой) или при наличии вариаций плотности горячих частиц (экваториальная зона внутренней магнитосферы)

В разделе 3.1 описываются эксперименты по рассеянию вистлеров пространственно-неоднородными возмущениями магнитного поля Возмущения формировались с помощью дополнительных одиночных витков с током, введенных в плазменный объем, а также с помощью компактного проволочного соленоида, установленного внутри основного соленоида установки (раздел 3.1.1) Подбор режима работы стенда и конструктивные особенности токонесущих элементов позволили минимизировать возмущение параметров фоновой плазмы (Ап/пй«1) даже при сильных пространственных вариациях магнитного поля (АВ/В0~1) Раздел 3.1.2 посвящен изложению экспериментальных результатов В разделе 3.1.2.1 рассмотрена структура электромагнитных полей, возбуждаемых в плазме при наличии локального магнитного возмущения, создаваемого одиночным витком с током, «магнитной линзы» Показано, что область с увеличенным магнитным полем фокусирует косые свистовые волны с А" ~ к (/:' и к - волновые числа вдоль и поперек направления магнитного поля, соответственно), локальный минимум магнитного поля, напротив, обладает дефокусирующими свойствами В последнем случае регистрируется свистовая волна, отраженная от неоднородности В разделе 3.1.2.2 изучены высокочастотные волновые поля, возбуждаемые в плазме с вытянутым возмущением (дактом) магнитного поля в условиях эксперимента моделировалась «узкая» цилиндрическая неоднородность диаметром порядка 0 5-1 длины свистовой волны и длиной около 2-3 длин волн Обнаружено, что дакт с увеличенным магнитным полем удерживает волновые поля, наблюдается значительное усиление свистовых волн вблизи его оси Эффективность удержания волны «магнитным» дактом зависит от отношения частоты излучения к невозмущенному значению циклотронной частоты На частотах порядка половинной циклотронной частоты электронов сравнительно небольшое возмущение магнитного поля (АВ/В0~ 0 1) приводит к существенному изменению пространственной структуры и увеличению амплитуды волновых полей в зоне неоднородности в несколько раз

В разделе 3.1.2.3 обсуждается преобразование частоты вистлеров, распространяющихся в неоднородной области с изменяющимся во времени магнитным полем В экспериментах наблюдаются параметрические эффекты, аналогичные рассмотренным во второй главе диссертации

В разделе 3.2 предложен электродинамический способ управления излучением и приемом вистлеров с помощью рамочной антенны Рассматривавшиеся ранее методы управления импедансом и диаграммой направленности без изменения геометрии антенн были связаны, в основном, с модификацией плотности плазмы, либо параметров слоя пространственного заряда у поверхности излучателя В диссертации описан другой подход, заключающийся в локальной модификации магнитного поля вблизи антенны без возмущения параметров плазмы При этом, очевидно, изменяется локальная диэлектрическая проницаемость плазмы Для возмущения магнитного поля по антенне, наряду с высокочастотным током на рабочей частоте, предлагается пропускать постоянный ток (раздел 3.2.1) Главным преимуществом такой схемы является оперативность управления локальными диэлектрическими свойствами среды (плазмы) Раздел 3.2.2 содержит описание экспериментов, приведена схема развязки, использовавшаяся для подключения антенны к источнику постоянного тока и ВЧ генератору Экспериментальные результаты изложены в разделе 3.2 3 В разделе 3.2.3.1 рассмотрены поля антенны с дополнительным постоянным током, работающей в режиме «излучение» Эффективность излучения вистлеров существенно (до 4 раз по амплитуде, рис 3) возрастает при протекании тока в направлении, соответствующем локальному увеличению магнитного поля, и падает при локальном уменьшении магнитного поля Сохранение пространственной структуры возбуждаемых волновых полей и отсутствие эффектов дополнительного согласования антенны с передающим трактом указывают на изменение сопротивления излучения рамочной антенны в свистовые волны Существенное усиление волновых полей наблюдается, когда диаметр антенны сравним с длинами возбуждаемых свистовых волн Параметры антенны с током, работающей в режиме «прием», изучены в разделе 3 2.3 2 Пропускание тока по приемной антенне позволяет увеличить ее чувствительность по амплитуде более чем в 2 раза

Результаты экспериментов обсуждаются в разделе 3.3.4 Изменение импеданса антенны при локальной модификации магнитного поля рассмотрено в разделе 3.3 4.1, структура ближнего поля в зависимости от величины магнитного поля - в разделе 3.3 4.2 Показано, что если антенна электрически не мала (диаметр рамки сравним с длинами свистовых волн), то наблюдается эффект экранировки высокочастотных полей антенны токами поляризации, наведенными в плазме В разделе 3.3.4.3 предложена качественная модель, объясняющая возрастание амплитуды излучаемых вистлеров при пропускании по антенне постоянного тока В рамках модели локальное увеличение магнитного поля приводит к устранению эффекта экранировки, и, как следствие, к увеличению КПД излучателя

Материалы, изложенные в третьей главе диссертации, опубликованы в работах [4А-7А, 12А-15А]

I, А

Рис. 3. Зависимость коэффициента усиления волновых полей в плазме от силы дополнительного постоянного тока в излучающей рамочной антенне и частоты сигнала в передающем тракте Величина магнитного поля В0 = 35 Гс, плотность плазмы п0 = 4 х 10'° см"3 1 - 35 МГц, 2-50 МГц, 3-55 МГц, 4-60 МГц, 5 -64 МГц

В Главе 4 обсуждаются условия, в которых эффекты нерезонансной параметрической модуляции и рассеяния вистлеров, взаимодействующих с нестационарными и пространственно-неоднородными возмущениями магнитного поля, могут наблюдаться в околоземной плазме Механизмы, исследованные в лабораторном эксперименте, достаточно универсальны, и приводят к развитию сходных процессов в различных частотных диапазонах В частности, результаты, полученные при исследовании электронных вистлеров, могут применяться для объяснения эффектов, наблюдаемых в ионно-циклотронном диапазоне, которому в магнитосферных условиях соответствуют волны ультранизких частот (УНЧ)

В разделе 4.1 на базе результатов лабораторных экспериментов, выполненных с электронными вистлерами, предложен механизм амплитудно-частотной модуляции структурированных микропульсаций диапазона Pel («жемчужин») Пульсации данного типа, возбуждаемые в магнитосфере Земли в форме ионно-циклотронных волн с частотами порядка 1 Гц, характеризуются квазипериодической модуляцией амплитуды и спектра с характерными временами порядка 50 - 300 с, и часто наблюдаются одновременно с низкочастотными МГД колебаниями соответствующего периода Приведены экспериментальные данные и оценки, указывающие на то, что модуляция последовательностей Pel может быть обусловлена нерезонансной амплитудно-частотной модуляцией ионно-циклотронных волн интенсивными колебаниями магнитного поля

14

диапазона РсЗ-5 Если амплитудно-частотная модуляция пульсаций Pel связана с эффектами преобразования спектра излучения на магнитосферной трассе распространения сигнала, то по интервалам следования «жемчужин» можно определять период низкочастотных вариаций магнитного поля, а по ширине частотной полосы, в которой наблюдаются элементы Pel - их амплитуду Таким образом, по сигналам в диапазоне Pel можно диагностировать пульсации РсЗ-5, не регистрируемые на поверхности Земли

Раздел 4.2 посвящен обсуждению эффектов нерезонансной модуляции электронных вистлеров нестационарными и пространственно неоднородными вариациями магнитного поля в магнитосфере Земли Показано, в частности, что условия, необходимые для параметрической амплитудно-частотной модуляции излучения свистового диапазона, легко реализуются в различных областях магнитосферы, особенно в зоне переходного (турбулентного) слоя и в хвостовой части, где спутниками регистрируются всплески КНЧ-ОНЧ излучений, коррелирующие с нестационарными вариациями магнитного поля Пространственно-неоднородные возмущения магнитного поля, в свою очередь, могут существенным образом модифицировать условия магнитосферного распространения вистлеров Неоднородности магнитного поля и плотности плазмы, существующие в периферийных областях магнитосферы, могут играть для свистовых волн роль эффективных волноводных структур В плазмосфере динамические неоднородности магнитного поля, формируемые возбуждаемыми во время магнитных бурь МГД колебаниями большой амплитуды, могут влиять на эффективность прохождения КНЧ-ОНЧ волн, возбуждаемых, в частности, молниевыми разрядами

Выполненные в четвертой главе оценки различных безразмерных параметров (величины показателя преломления, отношения длины трассы распространения излучения к длине волны, пропорций частоты излучения, циклотронных и плазменных частот), характерных для магнитосферы и для лабораторных экспериментов на стенде «Крот», демонстрируют их соответствие, как качественное, так и количественное Таким образом, проведенные эксперименты могут рассматриваться как моделирование процессов взаимодействия низкочастотных излучений с возмущениями магнитного поля, имеющих место в околоземной плазме

Основные результаты н выводы:

1 Экспериментально показано, что при распространении волн свистового диапазона частот в магнитоактивной плазме нестационарность магнитного поля приводит к нерезонансным параметрическим эффектам, проявляющимся в частотной модуляции электромагнитного излучения Установлено, что эффективность

частотной модуляции свистовых волн возрастает в области аномальной дисперсии, при этом относительная девиация частоты может достигать значений порядка относительной амплитуды возмущения магнитного поля

Обнаружено два механизма амплитудной модуляции излучения, которые, при наличии в плазме нестационарных вариаций магнитного поля, приводят к формированию из непрерывных волн последовательностей отдельных волновых пакетов Первый механизм представляет собой компрессию частотно-модулированных вистлеров из-за сильной дисперсии их групповой скорости, и приводит к формированию сжимающихся импульсов с понижающейся во времени частотой заполнения Второй механизм, проявляющийся при высоких значениях индекса частотной модуляции, обусловлен возрастанием декремента затухания вистлеров с повышением частоты излучения

На базе результатов лабораторных экспериментов, выполненных с электронными вистлерами, предложен механизм модуляции магнитосферных ионно-циклотронных волн — структурированных пульсаций Pel В рамках модели модуляции ионно-циклотронных волн длиннопериодными гидромагнитными колебаниями классов РсЗ-5 показано, что интенсивные нестационарные вариации геомагнитного поля приводят к нерезонансной частотной модуляции излучения на уровне, соответствующем наблюдаемым в магнитосферных условиях значениям Предложен способ регистрации низкочастотных геомагнитных колебаний, не наблюдаемых на поверхности Земли, по амплитудно-частотным характеристикам структурированных пульсаций Pel Исследовано распространение волн свистового диапазона в плазме с пространственно-неоднородными возмущениями магнитного поля различных конфигураций Показано, что неоднородности магнитного поля с размерами порядка длины свистовой волны вызывают дифракцию излучения, могут играть роли фокусирующих, либо дефокусирующих «линз» Установлено, что косые вистлеры фокусируются локализованными областями с увеличенным магнитным полем Показано, что вытянутые неоднородности с продольным масштабом порядка нескольких длин волн существенно модифицируют пространственное распределение амплитуды волновых полей, и способствуют эффективной транспортировке излучения свистового диапазона вдоль магнитного поля Изучен электродинамический способ управления эффективностью рамочной антенны, используемой для возбуждения и приема волн свистового диапазона, за счет модификации магнитного поля вблизи антенны Предложен метод формирования локализованной

16

неоднородности, заключающийся в пропускании по антенне, наряду с переменным током на рабочей частоте, постоянного тока Показано, что при локальном увеличении магнитного поля мощность, передаваемая в плазму, может возрастать более чем на порядок за счет увеличения сопротивления излучения антенны

Список публикаций автора по теме диссертации

1 Костров А В, Гущин ME, Стриковский АВ, Коробков С В Параметрическое преобразование спектра волн свистового диапазона частот в магнитоактивной плазме Препринт № 636 Института прикладной физики РАН Н Новгород, 2003 16с

2 Костров АВ, Гущин ME, Коробков СВ, Стриковский А В Параметрическое преобразование амплитуды и частоты свистовой волны в магнитоактивной плазме//Письма в ЖЭТФ 2003 Т 78, №9 С 1026-1029

3 Гущин ME, Коробков СВ, Костров АВ, Стриковский А В Компрессия свистовых волн в плазме с нестационарным магнитным полем //ЖЭТФ 2004 Т 126, №5 С 1023-1032

4 Гущин ME, Коробков СВ, Костров АВ, Стриковский АВ, Заборонкова ТМ Распространение вистлеров в плазме с дактом магнитного поля//Письма в ЖЭТФ 2005. Т 81, №5 С 274-277

5 Гущин ME, Заборонкова ТМ, Коробков СВ, Костров АВ, Стриковский А В Электродинамический способ управления излучением волн свистового диапазона частот рамочной антенной в магнитоактивной плазме // Письма в ЖТФ 2006 Т 32, №15 С 18-23

6 Коробков СВ, Гущин ME, Костров АВ, Стриковский АВ, Краффт К Ближнее поле рамочной антенны в плазме в свистовом диапазоне частот//Физика плазмы 2007 Т 33, №2 С 120-127

7 Гущин ME, Заборонкова ТМ, Коробков СВ, Костров АВ, Стриковский А В, Шорохова Е Ю Излучение волн свистового диапазона частот рамочной антенной с током, формирующим неоднородность внешнего магнитного поля // Нелинейный мир 2007, №7-8 (в печати)

8 Guschin ME, Korobkov S V, Kostrov A V, Strikovsky A V Interaction of Whistler Waves in Magnetized Plasma // Int Conf on Physics of Low Temperature Plasma (PLTP-03) Kyiv, Ukraine, 2003 P 11-6-18

9 Guschin ME, Korobkov SV, Kostrov A V, Strikovsky A V Whistler-wave frequency transformation in nonstationary magnetized plasma // Proc 30th EPS conf on controlled fusion and plasma physics St Petersburg, 2003 27A P P-2 29

10 Gushchin ME, Korobkov SV, Kostrov A V, Strikovskn A V Whistler wave compression in plasma with nonstationary magnetic field // VI Int Suzdal Symposium ISS-04 Moscow, 2004 P 68

11 Kostrov A, Gushchin M, Korobkov S, Strikovsky A Whistler wave compression m nonstationary magnetized plasma // Proc 12th Int Congress on Plasma Physics Nice, France, 2004, http //haï archives-ouvertes fr/hal-00003130/еп/

12 Гущин ME, Заборонкова TM, Коробков СВ, Костров АВ, Стриковский А В Распространение волн свистового диапазона частот в дактах магнитного поля // Тез докл XXXII Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС Звенигород, 2005 С 244

13 Gushchin ME, Korobkov SV, Kostrov AV, Strikovsky AV, Zaboronkova TM Modeling of a whistler wave propagation in plasma with magnetic field duct // 8th Int Workshop Interrelationship between Plasma Expenments in Laboratory and Space Tromsoe, Norway, 2005 P 91.

14 Gushchin ME, Korobkov S V, Kostrov A V, Strikovsky A V Nearfield of a current-carrying loop in magnetized plasirias //11th Int Conf -School on Plasma Physics and Controlled Fusion Alushta, 2006 P 160

15 Gushchin ME, Kostrov A V, Strikovsky A V, Korobkov S V, Mochalov A V, Yamn D V Whistler wave expenments on large "KROT" device // 2nd VERSIM Workshop Sodankyla, Finland, 2006 P 72

Литература

1 Sazhin SS, Hayakawa M, Bullough К II Ann Geophys 1992 10

P 293-308

2. Inan US, Bell TF, Bortmk J, Albert J M II J Geophys Res 2003 108 P SMP6

3 Demekhov A G, Trakhtengerts VY, Mogilevsky MM, Zelenyi LM //Adv Sp Res 2003 32 P 355-374

4 Escoubet CP, Schmidt R, Goldstein ML // Sp Sci Rev 1997 79 P 11-32

5 Leneman D, Gekelman W, Maggs J II Rev Sci Instrum 2006 77 P 015108

6 Островский JIA , Степанов H С //Изв ВУЗов Радиофизика 1971 14 С 489-529

Михаил Евгеньевич Гущин

ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛН СВИСТОВОГО ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ В ПЛАЗМЕ С НЕСТАЦИОНАРНЫМ И НЕОДНОРОДНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Автореферат

Подписано к печати 13 04 2007 г Формат 60 х 90 '/|6 Бумага офсетная № 1 Уел печ л 1,25 Тираж 100 экз Заказ №47(2007)

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, 603950 Н Новгород, ул Ульянова, 46

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ . УСТАНОВКИ И МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ.

1.1. Проблемы лабораторного моделирования волновых процессов в околоземной плазме.

1.2. Экспериментальная установка «Крот».

1.3. Системы диагностики параметров плазмы и магнитного поля.;.

1.4. Системы для возбуждения и регистрации высокочастотных полей.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛН СВИСТОВОГО ДИАПАЗОНА В ПЛАЗМЕ С НЕСТАЦИОНАРНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ.

2.1. Описание волн свистового 'диапазона частот в плазме с нестационарным магнитным полем.

2.1.1. Общая характеристика волн свистового диапазона.

2.1.2. Преобразование частоты волн свистового диапазона в плазме с нестационарным магнитным полем.

2.2. Описание эксперимента.

2.2.1. Источник возмущения магнитного поля.

2.2.2. Дакт с пониженной плотностью плазмы.

2.3. Экспериментальные результаты.

2.3.1. Структура возбуждаемых волновых полей.

2.3.2. Квазистатическое периодическое изменение магнитного поля во времени.

2.3.3. Импульсное зондирование плазмы с нестационарным магнитным полем.

2.3.4. Возмущение магнитного поля низкочастотными свистовыми волнами.

2.3.5. Влияние дакта с пониженной плотностью плазмы на процессы параметрического преобразования частоты свистовых волн.

2.3.6. Распространение частотно-модулированных вистлеров в плазме с невозмущенным магнитным полем.

2.3.7. Механизмы затухания свистовых волн.

2.3.8. Апериодические возмущения магнитного поля.

3 ВОЗБУЖДЕНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН СВИСТОВОГО ДИАПАЗОНА В ПЛАЗМЕ С ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕОДНОРОДНЫМИ ВОЗМУЩЕНИЯМИ

МАГНИТНОГО ПОЛЯ.

3.1. Рассеяние вистлеров пространственно-неоднородными возмущениями магнитного поля.

3.1.1. Описание экспериментов.

3.1.2. Экспериментальные результаты.

3.1.2.1. Локальное возмущение магнитного поля одиночным витком с током: «магнитная линза».

3.1.2.2. Распространение волн свистового диапазона в плазме с вытянутой неоднородностью (дактом) магнитного поля.

3.1.2.3. Параметрическое преобразование частоты вистлеров в дактах с нестационарным магнитным полем.

3.2. Электродинамический способ управления излучением рамочной антенны в свистовом диапазоне частот.

3.2.1 Принцип управления работой рамочной антенны.

3.2.2. Описание экспериментов.

3.2.3. Результаты экспериментов.

3.2.3.1. Режим «излучение».

3.3.3.2. Режим «прием».

3.3.4. Обсуждение результатов эксперимента.

3.3.4.1. Импедансные характеристики рамочной антенны в магнитоактивной плазме.

3.3.4.2. Ближнее поле рамочной антенны в магнитоактивной плазме.

3.3.4.3. Качественный анализ полей рамочной антенны при локальном возмущении магнитного поля.

4 МОДУЛЯЦИЯ СВИСТОВЫХ ВОЛН НЕСТАЦИОНАРНЫМИ И НЕОДНОРОДНЫМИ ВОЗМУЩЕНИЯМИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ.

4.1. УНЧ волны и проблема формирования структурированных пульсаций Pel («жемчужин»).

4.2. Модуляция ОНЧ волн неоднородными и нестационарными вариациями магнитного

Низкочастотные волны, возбуждаемые в околоземной плазме наземными и спутниковыми передатчиками, а также естественные низкочастотные излучения, формирующиеся в ионосфере и магнитосфере Земли, представляют большой интерес в связи с разнообразными научными и техническими приложениями [1-8]. Значительная часть сигналов очень низкочастотного (ОНЧ) диапазона распространяется в магнитоактивной плазме ближнего космоса в виде вистлеров или свистов -правополяризованных мод с частотами ниже циклотронной частоты электронов. Как естественные, так и искусственные волны свистового диапазона, возбуждаемые с поверхности Земли и борта космических аппаратов, могут использоваться для диагностики и мониторинга плазменного окружения Земли [4], исследования структуры магнитосферы [5,6], при проведении экспериментов по контролируемым высыпаниям частиц [7]. В настоящее время интенсивно разрабатываются программы спутниковых экспериментов по активному волновому воздействию на процессы генерации естественных магнитосферных излучений [8].

Исследования свистовых волн не ограничиваются околоземной плазмой, где они были изучены первоначально [9]. К настоящему времени вистлеры обнаружены практически во всех планетарных магнитосферах Солнечной системы [10-14]. Волны свистового диапазона регистрируются в экспериментах по магнитному перезамыканию [15-17], в горячей плазме токамаков [18] и в прямых магнитных ловушках [19]. В последние десятилетия активно обсуждается генерация плотной плазмы волнами свистового диапазона в так называемых «геликонных» источниках [20]. Вистлеры участвуют в быстром недиффузионном переносе магнитных полей и токов, описываемом в приближении электронной магнитной гидродинамики [21,22], который важен, в частности, для задач инерциального термоядерного синтеза. Таким образом, исследование свистовых волн не только необходимо для понимания процессов в ближнем космосе, но и представляет большой общефизический интерес.

Космические исследования, как правило, сопряжены с проведением трудных и дорогостоящих экспериментов. Это обстоятельство оправдывает изучение плазменных процессов в модельных экспериментах, проводимых в лаборатории [112]. Требования адекватного моделирования космических явлений накладывают на лабораторные эксперименты ряд ограничений, связанных, в частности, с размерами установок, которые должны быть достаточно велики. Исследования, результаты которых представлены в диссертации, выполнялись на стенде «Крот» [23], созданном в ИПФ РАН для моделирования космической плазмы, который, являясь одной из самых больших установок своего класса, удовлетворяет большинству критериев качественного моделирования плазменно-волновых процессов. Масштабы стенда допускают изучение вистлеров в приближении безграничной плазмы, а используемый диагностический комплекс позволяет получать исчерпывающую информацию о плазме и возбуждаемых в ней электромагнитных полях.

При анализе влияния возмущений магнитосферы на ОНЧ волны традиционно рассматриваются пространственные или временные вариации плотности околоземной плазмы. Однако важнейшей особенностью вистлеров является сильная зависимость их дисперсионных свойств от величины внешнего магнитного поля, которое, с одной стороны, определяет резонансные направления, резонансные частоты и структуру поверхности волновых векторов в свистовом диапазоне, а с другой - постоянно возмущается низкочастотными волнами и корпускулярными потоками. Диссертация посвящена исследованию процессов возбуждения и распространения вистлеров в плазме при наличии пространственно-неоднородных и нестационарных вариаций магнитного поля, не сопровождаемых модуляцией электронной концентрации.

В космических условиях амплитудно-частотные характеристики вистлеров часто искажаются из-за нестационарных возмущений параметров околоземной плазмы. Ранее предлагались разнообразные резонансные механизмы обогащения частотного спектра вистлеров при их параметрическом взаимодействии с ионосферными и магнитосферными колебаниями [26,27,105,106]. Между тем, большой интерес представляют нерезонансные параметрические явления, которые, по-видимому, более распространены в природе, и обычно не приводят к накоплению электромагнитной энергии на фиксированных частотах, но, напротив, могут сопровождаться преобразованием спектра в широкой полосе частот [28]. В диссертации экспериментально исследована нерезонансная параметрическая модуляция частоты вистлеров в плазме с нестационарными возмущениями магнитного поля, а также комплекс дисперсионных явлений, приводящих к компрессии частотно-модулированных свистовых волн.

По сложившимся к настоящему времени представлениям, неоднородности магнитосферы и ионосферы играют ключевую роль в процессе распространения ОНЧ сигналов, формируя для вистлеров специфические волноводные структуры. Чаще всего транспортировка излучения по длинным магнитосферным трассам объясняется наличием вытянутых областей, или дактов, с повышенной или пониженной плотностью плазмы. В диссертации экспериментально изучены неоднородности иного типа -пространственно-неоднородные возмущения магнитного поля, которые, как показывают эксперименты, фокусируют волны свистового диапазона, и могут эффективно их направлять. В космических условиях неоднородности данного типа могут возникать из-за диамагнитного эффекта, при возбуждении интенсивных МГД колебаний, за счет развития различных нелинейных процессов.

При проведении активных экспериментов в околоземной плазме остро стоят вопросы увеличения эффективности возбуждения вистлеров с помощью компактных антенн спутникового базирования. Один из путей решения проблемы заключается в использовании электродинамических методов управления излучением, реализуемых при изменении электродинамических параметров системы «фидер-антенна-плазма» сторонним источником, либо за счет нелинейных эффектов в собственном поле антенны. К настоящему времени известно достаточное число таких методов, связанных с локальной модификацией плотности плазмы или параметров слоя пространственного заряда у поверхности излучателя. В диссертации предложен способ управления эффективностью рамочной антенны, используемой для излучения или приема вистлеров, за счет формирования около антенны неоднородности внешнего магнитного поля, без возмущения плотности плазмы.

Результаты, представленные в диссертации, могут использоваться для объяснения явлений, наблюдаемых как в магнитосфере и ионосфере Земли, так и в других плазменных системах, где возбуждаются волны свистового типа, и присутствуют магнитные возмущения с различными пространственными и временными масштабами.

Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения, заключения и списка литературы. Список литературы включает 140 наименований. Общий объем диссертации составляет 125 страниц, включая 58 рисунков и 3 таблицы.

Основные выводы по результатам, изложенным в Главе 3, следующие:

1. Неоднородности магнитного поля, формируемые в квазиоднородной плазме с помощью дополнительных витков с током, вызывают дифракцию излучения свистового диапазона частот, и приводят к увеличению, либо уменьшению амплитуды волновых полей, и изменению их пространственной структуры. Показано, что области с увеличенным магнитным полем эффективно «фокусируют» волновое поле. Области с пониженным магнитным полем, напротив, приводят к уменьшению амплитуды волновых полей и уширению диаграммы направленности излучения.

2. Вытянутые вдоль направления магнитного поля неоднородности, на размере которых укладывается несколько длин свистовых волн (дакты магнитного поля), существенно изменяют структуру волновых полей при относительно небольших уровнях возмущения (Д5/Во~ 0.1), и способствуют эффективной транспортировке электромагнитного излучения вдоль магнитного поля. Показано, что влияние неоднородностей магнитного поля на волновое поле тем сильнее, чем больше отношение частоты излучения к электронной циклотронной частоте.

3. В процессе динамического формирования и релаксации неоднородностей магнитного поля наблюдаются эффекты параметрического преобразования частоты волн, распространяющихся в возмущенной области, аналогичные изученным в Главе 2 настоящей диссертации.

4. Предложен способ электродинамического управления излучением волн свистового диапазона частот рамочной антенной, заключающийся в создании искусственной околоантенной неоднородности магнитного поля. Для формирования локальной неоднородности предложено пропускать по антенне, наряду с током на рабочей частоте, дополнительный постоянный ток. Показано, что создание локального максимума магнитного поля приводит к повышению эффективности рамочной антенны, при этом мощность, излучаемая в свистовую моду, может быть увеличена более чем в 10 раз.

5. Изучены зависимости коэффициента усиления волновых полей от частоты сигнала, подводимого к антенне, и от силы дополнительного постоянного тока. Эффективность предложенного метода управления излучением антенны возрастает с увеличением отношения частоты излучения к электронной циклотронной частоте. Коэффициент усиления волновых полей, по мере увеличения постоянного тока в антенне, сначала возрастает по линейному закону, затем наблюдается насыщение.

6. Предложена качественная модель, объясняющая характер изменения импеданса антенны при локальном возмущении (увеличении или уменьшении) магнитного поля, в рамках которой изменение эффективности антенны связано с изменением структуры ближнего поля рамки. Повышение эффективности антенны при локальном увеличении магнитного поля связано с увеличением глубины, на которую ВЧ поля антенны проникают поперек направления внешнего магнитного поля.

Глава 4 МОДУЛЯЦИЯ СВИСТОВЫХ ВОЛН НЕСТАЦИОНАРНЫМИ И НЕОДНОРОДНЫМИ ВОЗМУЩЕНИЯМИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

Лабораторные эксперименты по изучению волновых процессов в свистовом диапазоне частот, результаты которых могут быть сопоставлены с данными магнитосферных исследований, проводятся научными коллективами из разных стран уже на протяжении нескольких десятилетий. На установках, предназначенных для моделирования явлений в космической плазме, ранее успешно изучались такие процессы, как трансформация вистлеров в коротковолновые нижнегибридные колебания [112], динамика нижнегибридной турбулентности [138], возбуждение свистовых волн пучками заряженных частиц, инжектируемыми в плазму [135-136], резонансное усиление вистлеров при взаимодействии с электронными потоками [137]. Значительные успехи достигнуты в изучении импедансных характеристик и волновых полей антенн, работающих в свистовом диапазоне частот [94-99]. В лабораторной плазме наблюдаются специфические эффекты взаимодействия электромагнитных волн и заряженных частиц, аналогичные магнитосферным процессам, приводящим к генерации излучений вспьплечного типа и импульсным высыпаниям электронов [139].

В данном разделе обсуждаются условия, в которых в околоземной плазме могут наблюдаться изученные эффекты нерезонансной параметрической модуляции и рассеяния вистлеров. Рассмотренные в диссертации механизмы взаимодействия излучения с вариациями магнитного поля достаточно универсальны, и приводят к развитию сходных процессов в различных частотных диапазонах. В частности, как показано ниже, результаты, полученные при исследовании электронных вистлеров, могут применяться для объяснения эффектов, наблюдаемых в магнитосферных условиях в УНЧ диапазоне.

4.1. УНЧ волны и проблема формирования структурированных пульсаций Pel жемчужин»)

Ионно-циклотронные волны (ионные вистлеры) возбуждаются в магнитосфере на частотах ниже экваториальной гирочастоты протонов, они регистрируются наземными станциями и аппаратурой, установленной на спутниках. Волны данного типа относятся к геомагнитным пульсациям классов Pel и Рс2: их частота не превышает нескольких герц, а амплитуда волнового магнитного поля достаточно велика (0.1-1 нТл). Проведение лабораторных экспериментов по изучению волн этого класса сопряжено с серьезными трудностями, поскольку для адекватного моделирования необходимо создавать плазму с размерами, значительно превышающими длину ионно-циклотронных волн. При типичных для лабораторных установок плотностях плазмы и магнитных полях длина таких волн составляет величину порядка 1 м. Однако для качественного объяснения некоторых эффектов в ионно-циклотронном диапазоне можно использовать формальную и физическую общность ионных и электронных свистовых волн, неоднократно отмечавшуюся в литературе [117,118]. В частности, их дисперсионные свойства очень близки, что иллюстрируется Таблицей 4.1. На частотах, близких к электронному или ионному циклотронному резонансу, выражения для показателя преломления и групповой скорости практически идентичны, с точностью до замены электронных частот (плазменной и циклотронной) на соответствующие ионные частоты. Схожесть зависимостей показателей преломления, групповых и фазовых скоростей волн обоих типов от плотности плазмы, величины магнитного поля и частоты излучения позволяет использовать результаты, полученные в экспериментах с электронными вистлерами, для объяснения явлений, наблюдаемых в диапазоне ионных свистов.

Формирование структурированных пульсаций диапазона Pel (также называемых «жемчужинами») является одним из наиболее интересных магнитосферных явлений, которые до сих пор не получили общепринятого объяснения [120]. Эти пульсации представляют собой последовательности частотно-модулированных всплесков излучения, длящиеся в среднем около получаса. Полоса Дсо/<щ, в которой обычно наблюдаются «жемчужины», невелика, и не превышает 10-20%. Структурированные пульсации Pel могут регистрироваться одновременно в нескольких полосах, в которых периоды следования всплесков практически одинаковы. По сложившимся к настоящему времени представлениям, возбуждение «жемчужин» связано с развитием в магнитосфере ионно-циклотронной неустойчивости. Но как режимы генерации, так и причины амплитудно-частотной модуляции излучения до сих пор вызывают споры. Измерения, выполненные на спутниках в последнее десятилетие, показывают, что источник пульсаций Pel находится вблизи геомагнитного экватора, и наблюдаемые сигналы формируются на одном проходе волной трассы от вершины силовой линии геомагнитного поля до поверхности Земли [121]. Что касается амплитудно-частотной модуляции «жемчужин», то ее причиной, согласно одной из сложившихся точек зрения, являются низкочастотные пульсации классов РсЗ-5 [70,122-125]. Действительно, последовательности структурированных пульсаций Pel часто наблюдаются одновременно с длиннопериодными геомагнитными колебаниями (рис. 4.1). В некоторых работах отмечается совпадение амплитудных огибающих Pel и магнитных пульсаций диапазона Рс5 «пик в пик» (рис.4.2). Для объяснения наблюдаемых корреляций было выдвинуто предположение о том, что пульсации РсЗ-5 обеспечивают внешнюю модуляцию экваториального источника излучения диапазона Pel [70]. Однако можно предположить, что амплитудно-частотная модуляция возникает (либо значительно усиливается) не непосредственно в области источника, а на трассе распространения ионно-циклотронных волн из-за нерезонансного параметрического преобразования частоты в нестационарном магнитном поле, а также за счет дисперсионных эффектов. Процесс формирования «жемчужин» в этом случае включает две стадии: (1) непрерывную генерацию исходного квазимонохроматического излучения в районе геомагнитного экватора и (2) модуляцию волны в магнитосферной плазме, возмущенной низкочастотными МГД колебаниями.

Ниже для обоснования высказанного предположения приводятся оценки характерных параметров волн Pel и РсЗ-5, интересных с точки зрения реализации нерезонансных параметрических эффектов, и обсуждается возможность масштабного моделирования взаимодействия волн диапазона Pel с длиннопериодными гидромагнитными колебаниями в лабораторных экспериментах, выполняемых в диапазоне электронных свистов.

Во-первых, преобразование спектра ионно-циклотронной волны, распространяющейся в плазме с интенсивными МГД возмущениями, можно оценивать по формулам, полученным для электронных вистлеров в Главе 2 настоящей диссертации. При этом максимальная относительная ширина полосы частотной модуляции излучения составляет величину порядка относительной амплитуды возмущения магнитного поля. Амплитуда вариаций магнитного поля в пульсациях РсЗ-5 может быть очень велика, и достигает 10-30%. Типичные амплитуды таких пульсаций составляют 1-10нТл, на высоких широтах (геомагнитные оболочки L~5-l) указанные значения соответствуют возмущению геомагнитного поля в экваториальной области Д5/5о ~ 1 -10%. Эти величины близки к экспериментально наблюдаемой ширине частотного спектра «жемчужин» AcoIcoq. Сильные (порядка нескольких процентов) колебания магнитного поля и плотности плазмы в диапазоне Рс5, период которых совпадает с интервалами следования «жемчужин», зафиксированы на наземных станциях [70], на спутниках «CRRES» [125] и «Polar» [122].

IVA pulsation data. 1986/04/11

I оА^-лЛ^АДМЛГ -tF !>0,01 Hi ■

0648 0651 0654 0657

Рис. 4.1 Запись одновременно наблюдаемых пульсаций Pel (нижняя панель) и РсЗ (верхняя и средняя панели) [124].

1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30

1 I [ 1 1 1 1 1 1 f f ]\ ! И 1 1 1 1 1 1 | 1 ггт ? 1 1 II и | II ы 1 1 [ Mill I II П [Т-| 1 1 (а) 1И ! II I I II 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 i 1 1 1 1 I II 1 1 И 1 1 1 II 1 (Ь) лЛ/ч 111 г г 11111

1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30

Рис. 4.2 Спектрограмма всплесков Pel и осциллограмма одновременно регистрируемых пульсаций Рс5 большой амплитуды [70].

Ионно-циклотронные волны Электронные вистлеры

Диапазон частот <o<QH«&p й) < Он «сор

Показатель преломления, п С1н(С1н-а>) й)(со„-й))

Групповая скорость, Vg ^ W(nH-cof2 1/2 / \3'2 а» к-©)

ПрПн(2-а/Пн)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении сформулированы основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы.

1. Экспериментально показано, что при распространении волн свистового диапазона частот в магнитоактивной плазме нестационарность магнитного поля приводит к нерезонансным параметрическим эффектам, проявляющимся в частотной модуляции электромагнитного излучения. Установлено, что эффективность частотной модуляции свистовых волн возрастает в области аномальной дисперсии; при этом относительная девиация частоты может достигать значений порядка относительной амплитуды возмущения магнитного поля.

2. Обнаружено два механизма амплитудной модуляции излучения, которые, при наличии в плазме нестационарных вариаций магнитного поля, приводят к формированию из непрерывных волн последовательностей отдельных волновых пакетов. Первый механизм представляет собой компрессию частотно-модулированных вистлеров из-за сильной дисперсии их групповой скорости, и приводит к формированию сжимающихся импульсов с понижающейся во времени частотой заполнения. Второй механизм, проявляющийся при высоких значениях индекса частотной модуляции, обусловлен возрастанием декремента затухания вистлеров с повышением частоты излучения.

3. На базе результатов лабораторных экспериментов, выполненных с электронными вистлерами, предложен механизм модуляции магнитосферных ионно-циклотронных волн - структурированных пульсаций Pel. В рамках модели модуляции ионно-циклотронных волн длиннопериодными гидромагнитными колебаниями классов РсЗ-5 показано, что интенсивные нестационарные вариации геомагнитного поля приводят к нерезонансной частотной модуляции излучения на уровне, соответствующем наблюдаемым в магнитосферных условиях значениям. Предложен способ регистрации низкочастотных геомагнитных колебаний, не наблюдаемых на поверхности Земли, по амплитудно-частотным характеристикам структурированных пульсаций Pel.

4. Исследовано распространение волн свистового диапазона в плазме с пространственно-неоднородными возмущениями магнитного поля различных конфигураций. Показано, что неоднородности магнитного поля с размерами порядка длины свистовой волны вызывают дифракцию излучения, могут играть роли фокусирующих, либо дефокусирующих «линз». Установлено, что косые вистлеры фокусируются локализованными областями с увеличенным магнитным полем. Показано, что вытянутые неоднородности с продольным масштабом порядка нескольких длин волн существенно модифицируют пространственное распределение амплитуды волновых полей, и способствуют эффективной транспортировке излучения свистового диапазона вдоль магнитного поля.

5. Изучен электродинамический способ управления эффективностью рамочной антенны, используемой для возбуждения и приема волн свистового диапазона, за счет модификации магнитного поля вблизи антенны. Предложен метод формирования локализованной неоднородности, заключающийся в пропускании по антенне, наряду с переменным током на рабочей частоте, постоянного тока. Показано, что при локальном увеличении магнитного поля мощность, передаваемая в плазму, может возрастать более чем на порядок за счет увеличения сопротивления излучения антенны.

В заключение автор считает своим долгом выразить благодарность всем тем, кто оказывал ему помощь в получении и оформлении представленных в диссертации результатов. В первую очередь, автор глубоко благодарит своего учителя и научного руководителя диссертационной работы А.В. Кострова, обучившего его физике плазмы и основам проведения экспериментальных исследований. Автор выражает глубокую признательность коллегам и соавторам А.В. Стриковскому, С.В. Коробкову, Т.М. Заборонковой, а также всему коллективу Лаборатории моделирования космической плазмы Института прикладной физики РАН.

1. О.А. Молчанов. Низкочастотные волны и индуцированные излучения в околоземной плазме. М., «Наука» (1985)

2. Л. Лайонс, Д. Уильяме. Физика магнитосферы. М., «Мир» (1987)

3. R.W. Boswell, F.F. Chen. Helicons the early years. IEEE Trans. Plasma Sci., V.25, N.6,1229-1244(1997)

4. S.S. Sazhin, M. Hayakawa, K. Bullough. Whistler diagnostics of magnetospheric parameters: A review. Ann. Geophys., V.10, N.5,293-308 (1992)

5. V.S. Sonwalkar, D.L. Carpenter, T.F. Bell et al. Diagnostics of magnetospheric electron density and irregularities at altitudes <5000 km using whistler and Z mode echoes from radio sounding on the IMAGE satellite. J. Geophys. Res., V.109, Al 1212 (2004)

6. D.L. Carpenter, M.A. Spasojevic, T.F. Bell et al. Small-scale field-aligned plasmaspheric density structures inferred from the Radio Plasma Imager on IMAGE. J. Geophys. Res., V.107, N.A9, SMP22 (2002)

7. U.S. Inan, T.F. Bell, J. Bortnik, J.M. Albert. Controlled precipitation of radiation belt electrons. J. Geophys. Res., V.108 N.A5, SMP6 (2003)

8. A.G. Demekhov, V.Y. Trakhtengerts, M.M. Mogilevsky, L.M. Zelenyi. Current problems in studies of magnetospheric cyclotron masers and new space project "resonance". Adv. Sp. Res., V.32, N.3,355-374 (2003)

9. L.R.O. Storey. An investigation of whistling atmospherics. Philos. Trans. Roy. Soc., London, V.A246,113-141 (1953)

10. R.J. Strangeway. Whistler-mode propagation in the collisional ionosphere of Venus. Adv. Sp.Res., V.26,N.10,1613-1618. (2000)

11. P.A. Bespalov, O.N. Savina, S.W.H. Cowley. Synchronized oscillations in energetic electron fluxes and whistler wave intensity in Jupiter's middle magnetosphere. J. Geophys. Res., V.l 10, A09209 (2005)

12. D.A. Gurnett, W.S. Kurth, G.B. Hospodarsky, et al. Radio and plasma wave observations at Saturn from Cassini's approach and first orbit. Science, V.307, N.5713,1255-1259 (2005)

13. S.M.P. McKenna-Lawlor. Characteristic boundaries of the Hermean magnetosphere and energetic particles close to the planet. Planet. Sp. Sci., V.45,167-180 (1997)

14. D.S. Orlowski, C.T. Russell. Comparison of properties of upstream whistlers at different planets. Adv. Sp. Res., V.l6, N.4,137-141 (1995)15.