Нелинейная эволюция возмущений в ионосферной плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Введение

Источники и механизмы возникновения ионосферных неоднородностей . Восстановление параметров ионосферных неоднородностей по данным радиозондирования

Особенности диффузии ионосферных возмущений, создаваемых в результате выбросов химических реагентов.

Явления "предшествующие" ударной волне в плазме

Цель и характеристики работы.

Глава 1. Определение энергии взрыва в ионосфере и парметров плазмы точке взрыва по данным радиозондирования

1.1 Вводные замечания. Регистрация явления в естественных условиях. Физическая модель явления взрыва в разреженном газе

1.2 Постановка задачи о взрывном возмущении в условиях Г- области

1.3 Возмущение слабоионизированной анизотропной плазмы в результате точечного взрыва

1.4 Структура ионно-звуковой волны, возникающей перед автомодельной ударной волной в изотропной, слабоионизированной плазме.

1.5 Оценка амплитуды плотности плазменного возмущения.

1.6 Интерпретация доплеровских спектров возвратного зондирования ионосферных возмущений.

Выводы первой главы.

Глава 2. Ионно-звуковая ударная волна: диссипация и структура

2.1 Исчезновение критического числа Маха квазиударной волны при учете столкновительной диссипации.

2.2 Механизм генерации надтепловых частиц ударной волной в плазме

2.3 Ионяо-звуковая ударная волна в двухтемпературной плазме

Выводы второй главы.

Источники и механизмы возникновения ионосферных неоднородностей.

Ионосфера Земли подвержена разнообразным флуктуациям параметров. Неоднородную структуру ионосферы принято разделять на регулярную и нерегулярную части.

Регулярная неоднородная часть охватывает крупномасштабную неоднородную структуру ионосферы, например, регулярные высотные, широтные и долготные зависимости ее параметров, включая такие образования, как экваториальная аномалия, главный ионосферный провал, полярный и авроральные пики, полярная полость и т.п.

На состояние ионосферы Земли влияют помимо солнечной активности атмосферные [1] и литосферные [2] процессы, а также, во все возрастающих масштабах, деятельность человека [3, 4, 5].

Нерегулярную неоднородность ионосферы обычно определяют как вариации вектора параметров ионосферы относительно их средних значений в данной области ионосферы и в данное время.

В настоящее время наиболее распространенными являются два модельных представления о структуре нерегулярных неоднородных образований: облачная структура и волновая.

Согласно первому, неоднородности суть хаотические вкрапленные облака примерно эллипсоидальной формы [6]. Второе представление рассматривает неоднородности в ионосфере как сгущения и разряжения электронной концентрации волновой природы И

Формально, в рамках линейного описания эти представления идентичны. Однако при изучении нелинейных процессов выбор представления можно сделать лишь при глубоком анализе природы явлений. Например, облачная структура может быть интерпретирована как результат эволюции существенно нелинейной системы [8].

К естественным возмущениям относятся, например, вспышки "метеорной" ионизапии в Е слое [9], различные спорадаческие образования в Е, И и Е2 областях [10], "блуждающие" неоднородности, проникающие в слой Е из экзосферы и постепенно опускающиеся до области Е [11], авроралъная ионизация [12, 13], вргее^Е [14], разнообразные волновые возмущения, например, обусловленные движением солнечного терминатора [15]—[17].

Некоторые из этих типов неоднородностей обладают "четкой границей" с окружающей ионосферой, что иногда облегчает их исследование методами радиозондирования. Хотя вопрос о существовании плазменных образований с резкими границами в условиях Е области ионосферы остается дискуссионным [18].

Теория, объясняющая образование естественных возмущений разработана недостаточно. Для слоя Е известны механизмы турбуляции воздушных течений [19, 20], метеорной ионизации [21]. Образование слоев Еа на средних широтах связывают с перераспределением концентраций заряженных частиц в магнитном поле под воздействием ветровых систем со сдвигами цо высоте [10, 22]. Происхождение мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации средних широт, вызывающих Е- рассеяние на ионограммах вертикального зондирования, объясняют градиентно-дрейфовой неустойчивостью [18, 23, 24].

В области высокоширотной ионосферы появления спорадических слоев Е и Е различных типов связывают с высыпанием частиц. На высотах Е области появление неоднородностей с размерами 20 -г 80 км объясняют флуктуациями потоков высыпающихся низкознергичных частиц [25]. Интенсивные пучки энергичных электронов, вторгающиеся в Е область, вызывают образование узкого по высоте слоя плазменной турбулентности с повышенными значениями электронной концентрации [26, 27].

Возникновению неоднородностей в Е области способствует воздействие электростатического поля неоднородного слоя Е [26, 28, 18]. Перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ) в слое Е, имеющие скорости распространения 150 200 м/с, образуются путем увлечения ионов нейтральными частицами, участвующими в волновых атмосферных движениях [29, 11, 30]. Отметим также существенный прогресс в понимании механизмов появления слоя Е1 [31, 32].

Недавно [33] выдвинута интересная гипотеза о значительной роли в образовании спорадических ионосферных слоев надтепловых электронов, возникающих при различных процессах, и последующего возбуждением атмосферных компонент электронным ударом.

Объяснение причин возникновения мелкомасштабных неоднородностей (МН) с размерами меньшими порядка 10 км в области Р встречает наибольшие затруднения. На этих высотах числа Рейнольдса, определяющие наличие атмосферной турбулентности, очень малы, поскольку велика кинематическая молекулярная вязкость. Поэтому происхождение МН за счет атмосферной турбулентности в Р слое маловероятно. Имеется концепция плазменных механизмов возникновения неоднородностей вследствие эволюции неустойчивостей. Это направление теории к настоящему времени существенно продвинуто [18], [23], [24], [34]—[38]. Однако в последнее время появились работы [39]—[41], в которых ставится под сомнение реальность подобных механизмов, по крайней мере, для условий средних широт. Было показано [40], что хотя плазма и может быть неустойчивой по отношению к развитию малых начальных возмущений плотности, инкремент оказывается слишком малым для эффективного нарастания не-стабильностей до нелинейного уровня. Кроме того, в силу быстрого "растекания" потенциала вдоль постоянного магнитного поля, неустойчивыми могут быть только неоднородности с довольно большими продольными размерами. В то же время экспериментальные данные, в частности результаты измерений радиомерцаний сигналов ИСЗ [39], свидетельствуют о наличии в области Р среднеширотной ионосферы умерено-вытянутых нерегулярностей. С альтернативной точки зрения [25], уменьшение анизотропии неоднородностей может быть обусловлено нелинейным взаимодействием плазменных волн, на заключительных стадиях развития низкочастотной неустойчивости.

Здесь приведен лишь краткий обзор механизмов генерации неоднородностей. Его основные цели подчеркнуть результаты, полученные в последнее время, и выделить тенденции развития теории явлений. Более подробные сведения по этому вопросу можно найти в многочисленных публикациях, здесь, укажем лишь монографии [10, 13, 14, 15, 18, 25, 28, 30].

Существует несколько концепций, трактующих природу ионосферных неоднородностей, каждая из которых не в состоянии объяснить все разнообразие явлений.

Согласно одной из них (наиболее распространенной) ионосферные неоднородности суть проявления акустико-гравитационных волн (АГВ), причем роль ионосферы пассивна — она служит лишь индикатором проходящих волн. "Экспоненциальный" рост амплитуды АГВ при распространении вверх, наблюдаемый наклон фазовых фронтов говорят в пользу того, что источники ионосферных возмущений находятся главным образом в нижележащих средах. Ими, возможно, являются в тропосфере [29, 42, 43]: струйные течения, орография, линии шквалов, системы фронтов, ураганы и турбулентность, обусловленная проникающей конвекцией, цунами [44] и землетрясениями [45]. В стратосфере и мезосфере: модуляция озоносферного нагрева солнечными затмениями [46, 47]. В верхней атмосфере: приливные нелинейности на высотах свыше 100 км, обусловленные нагреванием озоносферы Солнцем [29]; колебания интенсивности авроралъной и экваториальной электроструй [48]—[50]. Из-за большого числа возможных источников и их неконтролируемости, а также из-за ошибок в определении траектории перемещения волновой энергии, однозначно идентифицировать источник оказывается достаточно сложной технической задачей.

Значительное внимание исследователей к проблеме внутренних гравитационных волн (ВГВ) обусловлено их вероятной ролью в поддержании высокой термосферной температуры. В [51] было установлено, что нагревание крайним ультрафиолетом солнечного излучения недостаточно для обеспечения наблюдаемой температуры верхней атмосферы (около 700° К). Существует гипотеза, что высокая температура поддерживается за счет рассеивания в ней энергии АГВ, так же как температура солнечной короны обусловлена поглощением в ней МГД волн, распространяющихся из внутренних областей Солнца [52].

Действительно, вертикальный поток волновой энергии, переносимый АГВ, преобразование этого потока в тепло в результате поглощения обеспечивают по оценкам [53] значения термосферной температуры примерно в 100 раз превосходящие фактически наблюдаемые. Этого не происходит вследствие, например, отражения части энергии АГВ от фоновых ветровых структур и других эффектов [30].

В рамках теории ВГВ удалось объяснить свойства некоторых крупномасштабных ПИВ [29, 30]; интерпретировать явление Г-рассеяния умеренных широт [54, 55]. Маг-нитосдвиговая теория спорадического слоя Е [22] представляет собой, в сущности, теорию ионосферной неоднородности, вызванной атмосферными волнами, так как значительная доля вертикального сдвига ветра связана с волнами плавучести (ВГВ) [30].

Согласно альтернативной концепции источники ионосферных возмущений находятся в вышележащих слоях (например, нестабильности магнитосферной плазмы) или имеют внеземное происхождение. Так согласно [56] возмущения в ионосфере являются "откликом" на гидромагнитные волны, зарождающиеся в магнитосфере, при этом ионосфера выполняет функции неподвижного экрана по отношению к падающей на него электро-магнитной волне. Предполагается, что поле волны затухает, проникая в экран, а сама волна диспергирует по законам скин-эффекта.

Автор [57] пытался объяснить возникновение МН в Е области проникновением в нее межзвездной материи. В [41], исходя из предположения о том, что плазмосфера и магнитосфера являются источниками неоднородных потоков плазмы, движущейся в скрещенных электрическом и магнитном полях, обосновывается формирование неод-нородностей умеренных масштабов в области Р среднеширотной ионосферы. Полярная суббуря представляет собой взрывообразный выброс в верхние слои высокоширотной ионосферы энергии, накапливающейся в магнитосфере Земли [58].

При использовании этой концепции возникают энергетические затруднения, поскольку для образования в сравнительно плотном слое Р возмущений наблюдаемых амплитуд необходимо наличие достаточно больших амплитуд в разреженной внешней магнитосфере. В то же время имеются факты, свидетельствующие о тесной связи ионосферных неоднородностей с магнитосферно-плазмосферными возмущениями. Например, автор [59] заметил, что дисперсионные характеристики наблюденных ПИВ лучше согласуются с моделью их образования гидромагнитными волнами, чем с моделью АГВ.

Основные трудности объяснения природы ПИВ гравитационными волнами связаны, по мнению авторов [58], с большой скоростью распространения ПИВ, достигающей 1.3 км/с [60]. Однако подобный эффект, видимо, можно интерпретировать и с помощью нелинейной теории распространения ВГВ (солитонные решения) [61, 62]. Концепция образования ПИВ должна объяснять также существующую связь волновых возмущений электронной концентрации с вариациями геомагнитного поля и сезонные вариации направления распространения среднемасштабных ПИВ. Поэтому многие исследователи, например [58, 63, 64], идут по пути слияния обеих концепций. Так в работе [63] сделана попытка (используются достаточно жесткие ограничения) построения теории распространения крупномасштабных низкочастотных волн в неоднородной атмосфере с конечной проводимостью, включающую теории АГВ и МЗВ как частные случаи.

Наконец, имеется концепция "спускового механизма", опирающаяся на возможность формирования МН неустойчивостями термодинамически неравновесной ионосферной плазмы. При этом энергетика источника возмущения не играет решающей роли, а сам источник может быть даже принципиально не идентифицируем.

Для установления адекватности этой концепции критическое значение имеет величина анизотропии неоднородностей, равная отношению продольного к постоянному магнитному полю и поперечного размеров. О неясности этого вопроса свидетельствует хотя бы то, что на основании результатов одной и той же работы [39] разные авторы делают прямо противоположные выводы: существование в Р области МН с большими продольными размерами подтверждается спектральными методами [25] и в среднепшротной области имеются умеренно-вытянутые нерегулярности [41].

Экспериментальное определение конкретных механизмов образования МН в Р области затруднительно, поскольку ионосферная плазма неравновесна одновременно по многим параметрам. Низкочастотные неустойчивости генерируют плазменные волны одного типа. Фазовые скорости волн определяются, в основном, внешним электрическим полем, а темп их роста — совокупным действием различных неустойчиво-стей. Вклад каждой из них в суммарный инкремент примерно одного порядка, и для сопоставления их относительного вклада необходимы тщательные измерения многих параметров ионосферной плазмы.

Экспериментальных работ, специально направленных на изучение процессов возникновения и эволюции естественных локальных ионосферных возмущений, довольно мало. Это связано со спецификой их появления, которое, как правило, эпизодично и весьма плохо прогнозируется. Попытки связать естественные явления с конкретными событиями в ионосфере иногда дают удовлетворительные результаты. Поэтому понятен интерес к прямым экспериментам по образованию на ионосферных высотах искусственных плазменных неоднородностей. А именно, наземным взрывам, выбросам в ионосферу различных химических веществ, инжектированиям энергичных пучков частиц, искусственному нагреву ионосферной плазмы с помощью мощных радиопередатчиков, возмущениям плазмы в окрестности движущихся тел с различными скоростями, а также к возмущениям, связанным с работой двигателей ракет.

Наблюдения за их эволюцией (оптические, радиолокационные и другие) позволяют исследовать ряд важных закономерностей, присущих и "естественным" возмущениям. Однако вопрос об идентичности свойств "естественных" и "искусственных" ионосферных неоднородностей не вполне ясен. Более того, искусственное загрязнение атмосферы может вызвать процессы не наблюдаемые в естественных условиях. Наиболее яркий пример такого рода — возникновение озонных "дыр" над Антарктикой [3, 4]. В настоящее время можно считать установленным, что это явление спровоцировано выбросами в атмосферу большого количества фреона и других хлор- и бром-с о держащих соединений [4].

Восстановление параметров ионосферных неоднородно-стей по данным радиозондирования.

Наиболее распространение методы наблюдения за неоднородностями основаны на эффектах взаимодействия РЧ поля с плазмой. При этом возникает проблема восстановления параметров неоднородностей по характеристикам радиосигналов, распространяющихся в случайно неоднородной нестационарной среде. Такая обратная задача как правило имеет неоднозначное решение, зависящее как от методов восстановления, так и от способа описания неоднородной структуры [65, 66, Т].

Решение подобных задач в точной постановке практически невозможно. Поэтому широко используются различные модельные представления и идеализации. Очень часто пользуются линейными приближениями. Кроме этого делается допущение о том, что концентрация электронов представляет собой случайную величину с определенными статистическими свойствами. На этом основаны многие радиофизические методы восстановления параметров неоднородностей [6],[28],[67]-[77].

Отметим также несколько нетрадиционный для ионосферных исследований способ получения информации, основанный на эффекте параметрического взаимодействия волнового пакета со случайно-неоднородной средой [78]-[81]. Речь идет о возникновении положительного систематического сдвига частоты и уширении спектра квазимонохроматического сигнала в условиях многократного рассеяния на случайных неоднородностях ионосферной плазмы. В [80] было показано, что это может быть причиной появления некоторых характерных спектральных особенностей динамических спектров (сонограмм) декаметровых сигналов [82]: наличие преимущественно положительного доплеровского смещения частоты на дальних прямых и кругосветных трассах, возрастание положительного частотного сдвига на кругосветных трассах по сравнению с прямыми и высокоширотных по сравнению со среднеширотными. Было предложено [80] модельное выражение, связывающее положительный сдвиг частоты с интенсивностью плазменной турбулентности и длиной трассы.

Иногда можно отказаться от статистического подхода к задачам дифракции и пользоваться более детерминированным описанием. Один любопытный частный случай дифракции радиолуча анализируется в работе [83]. Обсуждается возможность осуществления дифракции Брэгга и Рамана-Ната в слоистонеоднородной среде. Сделан вывод об эффективности дифракции в брэгговском режиме при локализации неоднородной структуры вблизи радиоволновой каустики.

Особенности диффузии ионосферных возмущений, создаваемых в результате выбросов химических реагентов.

Изучению процессов диффузии и дрейфа искусственных плазменных облаков посвящено немало теоретических и экспериментальных работ [84]-[97]. Характерное время данных процессов намного превышает время первоначального разлета инжектированных веществ, установления квазинейтральности и изотермичности неоднородной плазмы, а также время релаксации электрических и магнитных полей. •

В ранних работах производились, в основном, оптические измерения спектров "меченных" атомов (чаще всего натрия, бария или стронция), инжектируемых на ионосферных высотах [86]-{89]. Уже в этих экспериментах были получены надежные оценки коэффициентов турбулентной диффузии для нейтральных компонент сильных ионосферных неоднородностей. С помощью этих оценок иногда удавалось интерпретировать радиолокационные эксперименты по наблюдению диффузии плазменной компоненты [86].

Внимание исследователей привлекают два основных явления в эволюции искусственных образований — деформация ионного облака и его расслоение на страты, являющиеся плазменными образованиями с высокой плотностью заряженных частиц, которые со временем растягиваются вдоль магнитного поля. Первоначально возникновение страт связывали с градиентно-дрейфовой Е0 х Щ неустойчивостью [90]—[92]. Однако против механизмов, основанных на эволюции неустойчивостей, имеются веские возражения [93]—[95]. В настоящее время считается [84], что периодическая структура впереди дрейфующей в скрещенных электрическом и магнитном полях неоднородности возникает благодаря линейному дисперсионному эффекту. Линейность модели [84], по крайней мере на начальных стадиях развития страт, подтверждается экспериментальными наблюдениями [84], поскольку разделение исходного бариевого облака на ряд вытянутых вдоль магнитного поля сгустков, происходит на последних этапах эволюции ионного облака, когда плотность плазмы в облаке сравнима или меньше плотности фоновой плазмы. Нелинейные эффекты при эволюции страт, видимо, имеют место в образовании резко неоднородных участков профиля концентрации неоднородностей при дрейфовом механизме расплывания аналогично формированию ударной волны (УВ) в газодинамике [96].

Основные закономерности расплывания слабой неоднородности (линейное лриближеяие) были проанализированы в [97] на основе системы уравнений магнитной гидродинамики в амбиполярном приближении. Закон дисперсии для Фурье компонент возмущения плотности плазмы имеет вид = Щ^) - И)а(м2)к2, (0.1) где ш — частота, к — волновой вектор, ^ — косинус угла между к и Но] скорость ам-биполярного дрейфа Уа и коэффициент амбиполярной диффузии йа довольно сложные функции /¿2 [97].

На начальном этапе эволюция возмущения определяется диффузией (второй член правой части (0.1)). Затем, становится существенным дисперсионный механизм рас-плывания неоднородности, выражающийся в зависимости скорости амбиполярного дрейфа УЦ/х2) от направления вектора к. Он приводит к новым эффектам: разделению квазинейтрального возмущения на три движущихся плазменных сгустка, каждый из которых определенным образом ориентирован относительно Но, и к увеличению скорости их расплывания по сравнению со случаем отсутствия дрейфа.

В отличии от диффузии в анизотропной среде при амбиполярной диффузии в замаг-ниченной плазме могут течь вихревые токи. При этом требование квазинейтральности приводит к уравнению для тока проводимости з м(з) = 0, частным случаем которого является з — 0, характерное для анизотропной среды. Возможность существования замкнутых токов при расплывании неоднородности связана с различной подвижностью заряженных частиц. При этом определяющую роль играет параметр р = г^/^етм имеющий смысл степени ионизации плазмы {уа@ — частота столкновений частиц сорта а с частицами сорта /3).

В сильноионизированной плазме р > 1 электроны и ионы диффундируют поперек Но одинаково и характер расплывания приближается к обычной диффузии в анизотропной среде. Это в какой-то мере оправдывает использование условия = 0 в ряде работ [26, 98].

Наличие замкнутых токов значительно меняет механизм расплывания неоднородности. В этом случае диффузия неоднородности достаточно малого поперечного масштаба контролируется наиболее подвижными частицами — электронами — вдоль Но и ионами поперек Но, а квазинейтральность обеспечивается за счет перемещения заряженных частиц фоновой плазмы (механизм "короткого замыкания").

В случае "сильного" ветра нейтралов влияние степени ионизации и магнитного поля на характер расплывания неоднородности ослабевает, диффузия становится изотропной (До = 0) [84]. Это объясняется тем, что при больших скоростях движения нейтралов последние за счет трения с заряженными частицами эффективно увлекаются.

Учет влияния "волн высокого порядка" в следующем приближении, за счет удержания инерциальных слагаемых в уравнении движения ионной компоненты, приводит, как показано в [93], к модуляции плотности плазменного потока.

Эволюция так называемых "ионосферных дыр" или областей низкой концентрации электронов (ОНК), образованных при инжекции плазмогасящих смесей, исследована значительно меньше, чем динамика облаков с высокой относительно фоновой концентрации электронов (ОВК областей). Аналогичного типа возмущения образуются в ионосфере под воздействием мощных двигателей ракет-носителей [5, 99, 100]. Радиозондирование — один из наиболее мощных методов их экспериментального наблюдения. Тем не менее нам неизвестны работы, в которых осуществлялась бы количественная привязка параметров радиосигналов, рефрагирующих в возмущенной области, с характеристиками плазменного возмущения.

Если поперечный к Яо масштаб ионосферной "дыры" достаточно большой, то механизм диффузии с участием фоновой плазмы (или "короткого замыкания") становится не эффективным. Эволюцию такой ионосферной неоднородности можно исследовать приближенно на основе одномерных уравнений переноса плазмы вдоль магнитного поля в амбиполярном режиме. При этом поперечные размеры возмущения определяются скоростью расширения инжектированного газа, а не динамикой плазменных компонент. Такой подход позволил авторам [102] смоделировать эффекты, сопровождающие выбросы плазмогасящих веществ на высотах области Р [101, 102].

Численные результаты [102] качественно согласуются с результатами эксперимента [103] при коэффициенте диффузии ионов равном коэффициенту диффузии нейтральных частиц.

В некоторых экспериментах по образованию ОНК был замечен относительно редко наблюдаемый эффект кратковременного повышения концентрации электронов относительно фонового значения в первые секунды после инжекции. Уже в самых ранних работах [85] отмечалось его сходство с явлениями, сопровождающими выбросы взрывного типа, приводящие к образованию ОВК. Например, при выбросе 20 кг в районе ионосферы, где плазменная частота составляла «3,8 Мгц, были зарегистрированы

85] отражения от "границы" ОНК на частотах 5-^6 Мгц. Этот эффект был интерпретирован возникновением волны сжатия при расширении "оболочки" искусственной ОНК [104]. Причем предполагалось, что расширение "оболочки", выполняющей роль сферического поршня, происходит с дозвуковой скоростью и ударной волны не возникает. Такое объяснение не вполне адекватно физическому явлению, так как имеются экспериментальные подтверждения наличия сверхзвукового этапа развития возмущения [85, 84, 105, 106]. Так уже в цитируемой работе [85] отмечалось, что облако SFs расширяется до сферы диаметром примерно 3 км за~ время самое большое нескольких секунд после инжекции. Примерно такие же средние скорости первоначального расширения нейтрального облака 1.2 км/с) были зарегистрированы оптическими методами при взрывах на ионосферных высотах смеси порошков, содержащих барий [107, 108, 84]. Таким образом, имеются веские основания предполагать, что начальная фаза расширения продуктов выпуска имеет взрывной характер. На некоторой стадии разлет газа, образованного в результате процессов взрывного типа, может быть интерпретирован с помощью представлений о разлете газа в вакуум [105, 109]. Дальнейшая эволюция облака, как это показано в первой главе, определяется конкретными физическими условиями эксперимента. Сейчас отметим только, что в рамках этих представлений кажутся естественными известные факты полного отсутствия отражений от ОВК [85], создаваемых при разнообразных искусственных химических воздействиях на ионосферу.

Следовательно, начальный этап развития возмущений от различного типа выбросов можно моделировать на основе теории взрыва в сильноразреженном газе. Заметим, что такая теория даже в случае однородной, первоначально неионизированной среды еще далека от завершения.

В отличии от большинства ионосферных неоднородностей ионосферное возмущение, образующееся в первые секунды после взрыва, обладает границей с высокой степенью регулярности, что упрощает интерпретацию параметров отраженных радиочастотных сигналов. Появляется крайне редкая в ионосферных исследованиях возможность, наблюдая за эволюцией плазменного возмущения, проверить теорию.

Таким образом, исследования механизмов появления и эволюции возмущений плазмы разнообразными контролируемыми источниками достаточно актуальны.

Явления "предшествующие" ударной волне в плазме.

Отклик ионосферы на наземные искусственные взрывы интенсивно исследуется. Акустический импульс, имеющий профиль N-волны [110], содержащей две слабые ударные волны на переднем и заднем фронтах, распространяется на большие расстояния от места взрыва, испытывает значительное усиление при распространении вверх к Е и F областям ионосферы из-за близкого к экспоненциальному уменьшению плотности атмосферы с высотой. Такая волна порождает в ионосфере сильные неоднородности электронной концентрации с разнообразными пространственно-временными масштабами [111, 112]. При распространении вверх из-за взаимодействия со средой импульс испытывает достаточно сложную эволюцию. Например, до настоящего времени нет единого мнения о величине его скорости распространения. В [113], предполагая, что момент начала сигнала совладает с моментом достижения акустическим импульсом от наземного взрыва мощностью порядка 250 т ТНТ высот отражения зондирующего сигнала частотой 2 Мгц, была получена оценка для средней скорости распространения около 1 км/с. Однако при иной интерпретации тех же экспериментов [114], предполагающей, что отклик возникает при достижении УВ слоя максимального градиента электронной концентрации, средняя скорость оказалась равной 330 м/с, то есть волна распространяется со скоростью близкой к локальной скорости звука.

Авторы [115] провели тщательные измерения локальной скорости УВ, возникающей в результате наземного взрыва 5000 т нитрата аммония, на высоте спорадического слоя Еа (около 110 км) с помощью анализа доплеровских спектров наклонного зондирования с базой примерно 150 км, а также с помощью измерений зенитных углов, отраженных от неоднородности радиоволн. В итоге было получено значение примерно на 100 м/с большее локальной скорости звука. Такая разница может быть результатом действия ветра и(или) нелинейности, приводящей к небольшому увеличению скорости передней и уменьшению скорости задней УВ по сравнению со скоростью звука [115]. Согласно [112] последняя причина, видимо, основная.

Основываясь на результатах работ [114, 115], можно сделать вывод о том, что по-крайней мере до высот области Е, распространение акустического импульса, вызванного наземным взрывом, удовлетворительно интерпретируется теорией распространения акустических волн в нейтральной неоднородной атмосфере без учета плазменных эффектов.

Наблюдения [116] вертикального распространения УВ от наземных взрывов в несколько килотонн показали, что на высотах больших 100 -г 150 км УВ разделяется на две компоненты, имеющие различные скорости распространения. Эффект аномального увеличения скорости УВ был также зарегистрирован в лабораторных условиях газоразрядной плазмы [117, 118]. Можно предположить, что оба эффекта вызваны одними физическими причинами.

Автор [119] объясняет данные наблюдений [116] на основе совместного решения линейного уравнения Эйлера и уравнений Максвелла с учетом упругих и неупругих столкновений заряженных частиц с нейтральными. Получены выражения для скоростей медленной звуковой компоненты аа — л/^квТп/тг ж ионно-звуковой "быстрой" компоненты as = у/у3кв(Те + Тг)/(тг + ше) (кв — постоянная Больцмана). Оценки этих скоростей удовлетворительно соответствуют экспериментальным данным [116]. В [119] это объясняется тем, что частота неупругих столкновений на высотах 160 -f 200 км становится больше частоты упругих. Нарастает амплитуда ионно-звуковой волны, которая, в свою очередь, может стать источником ионно-звуковых пакетов волн со-литонного типа, распространяющихся на большие расстояния с малым затуханием. Такая картина качественно согласуется с наблюдениями формы профиля УВ в лабораторных экспериментах, показывающими появление предвестников УВ в слабоиони-зированной плазме [120]—[122]. В [123] сообщается о наблюдении методом доплеровско-го наклонного зондирования возмущения солитонного типа на расстоянии примерно 2300 км и высоте около 200 км после мощного наземного взрыва, средняя скорость распространения которого составила примерно 1.6 км/с.

Альтернативная интерпретация эффектов "ускорения" акустических импульсов при их квазигоризонтальном распространении в ионосфере на большие расстояния основывается на возможную трансформацию их в возмущение магнитозвукового типа [58, 123, 124]. После появления монографии [58] появилось значительное количество работ, сообщающих о наблюдениях аномалий волновых возмущений естественного или искусственного происхождения с точки зрения концепции ВГВ, связанных с малыми периодами регистрируемых ВВ [17, 111, 124, 125], с вариациями магнитного поля [124, 126, 127] и с большими скоростями распространения [125, 126]. Даже при наблюдениях волновых возмущений, вызванных прохождением солнечного терминатора, традиционно интерпретируемых в рамках теории ВГВ [34, 15, 16] появляются свидетельства физических процессов иного рода. Например, в [17] описано явление смещения максимумов спектров колебаний в сторону уменьшения периодов (до 5 4-10 мин.), коррелирующее с прохождением терминатора, и, объясняемое авторами

17] возникновением градиентно-дрейфовой или Рэлей-Тейлоровской неустойчивости и турбулентности. Обнаружены [125] возмущения в Е и Р областях на расстоянии 1000 км от источника-установки мощного радиоизлучения. Первая группа волн с периодами 5 -г- 15 мин. имеет средние скорости распространения 1 -т- 2 км/с; скорость волн второй группы 400 4- 600 м/с. Такие результаты объясняются [125] генерацией двух видов волн: медленных МГД и обычных АГВ.

Интерпретация на основе теории медленных МГД волн применима для достаточно крупномасштабных возмущений (не менее чем десятки километров) с большими периодами Т . В последнее время имеются успешные попытки ее приложения к недавно открытым магнитоионосферным волновым возмущениям (МИВВ) [124, 126], имеющим периоды от десятков секунд. Однако, такие пространственно-временные ограничения не позволяют использовать эту концепцию для объяснения характеристик акустических импульсов с "резкими" фронтами.

Представляют интерес результаты [128, 129], где изучаются волновые процессы в зоне непосредственно примыкающей к области резонанса мощной радиоволны. В [128] показано, что на начальной стадии нагрева из-за стрикционного вытеснения ионосферной плазмы полем высокочастотных плазменных волн возникают положительные возмущения плотности, распространяющиеся вверх и вниз от зоны возбуждения плазменной турбулентности со скоростью ионного звука К. Это может привести к кратковременному росту частоты пробных волн, отражающихся несколько ниже уровня резонанса. Последнее условие было соблюдено в эксперименте [129], где наблюдался подобный предсказанному в [128] эффект, причем была получена экспериментальная оценка скорости вертикального распространения возмущения порядка 2 км/с. Однако в [129] такое значение скорости объясняется скоростью электронного прогрева ионосферы вдоль силовых линий геомагнитного поля (~ 3 км/с) в рамках модели линейной теплопроводности. Нам представляется, что обнаруженное явление можно объяснить в рамках представлений [128] с учетом наличия прогрева электронного газа в достаточно большой пространственной области, окружающей зону искусственной плазменной турбулентности. Это создает условия для распространения ионно-звукового возмущения на большие расстояния и увеличивает их скорость распространения до наблюдаемой величины 2 км/с.

Механизмы возникновения температурной неравновесности ионосферной плазмы при разнообразных воздействиях на ионосферу, роль " надтепловых" электронов в различных "аномальных" явлениях в ионосфере еще только начинают исследоваться.

К настоящему времени в основном создана теория явлений полярного сияния (ПС) и искусственного полярного сияния (ИПС) [27], которая, в частности, объясняет наличие аномально высокой концентрации молекул N0 в дугах ПС и ИПС по сравнению со степенью ионизации атмосферы на высотах около 120 км. Установлено, что это следствие колебательного возбуждения молекул N2 электронным ударом и протекания следующих химических реакций:

12) + 0 ^ N0 + Ш

Однако, возбуждение молекул N2 электронами возможно лишь при достаточно высокой температуре Те > 1 эв. Высказывается предположение, что высокая неравновесная электронная температура поддерживаться благодаря ионно-звуковой турбулентности, которая может возникнуть в результате развития токовой неустойчивости [27].

При создании искусственных ионосферных облаков неоднократно наблюдалась "засветка" плазмы в области с размерами превышающими размеры исходного облака на первоначальной стадии установления термодинамического равновесия со средой [130]—[133]. В эксперименте "Сполох" [131, 132] (масса ВВ ~ 5 кг) обнаружено пульсирующее высыпание энергичных частиц в областях ионосферы, размер которой поперек силовых линий магнитного поля превышал диаметр инжектированного облака паров Ва в несколько раз. В эксперименте "Триггер" [133] с термическим испарением Се зарегистрировано длительное высыпание на большом расстоянии от места ияжекции.

Не исключено, что заметную роль в описанных выше явлениях играют и надте-пловые электроны. Следует подчеркнуть, что подобные эксперименты сложно интерпретировать, поскольку стимулируются явления разнообразные по своей физической природе, производящие похожие эффекты. Так некоторые виды высыпаний можно успешно объяснить вторжением частиц, ранее захваченных в геомагнитосфере за счет развития циклотронной неустойчивости [134,135]. Наблюдаемые в первые секунды эффекты могут быть также проявлением генерации в ионосфере МГД-полей [136].

По мнению автора [33] механизмы разогрева электронов с последующим возбуждением атмосферных компонент электронным ударом играют значительную роль в образовании различных естественных неоднородностей. В результате сопоставления данных наблюдений светящихся областей в окрестности различных быстродвижущих-ся космических тел естественной или искусственной природы был сделан [33] вывод о том, что в некоторых случаях в ионосфере создаются условия, когда небольшое возмущение может привести к разогреву электронов, возбуждению свечения и ионизации среды. Например, область свечения (кома) для слабого метеора в некоторых случаях может достигать 1 км и более при характерных размерах метеорита 1 см и менее. Отметим, что такое поведение характерно для определенного вида нелинейных систем [8] и имеются попытки объяснения некоторых свойств слоя ES1 а именно, пространственно временную неустойчивость и быстрое усиление малых возмущений, наличием низкоразмерного странного аттрактора в вариациях Еа слоя [137].

В одной из первых монографий [138], обобщающей теоретические и экспериментальные результаты по возмущениям плазмы в окрестности космического тела, обсуждаются лишь самые простейшие модели явлений. Кроме того, пространственные масштабы рассматриваемых плазменных возмущений и характерные размеры тел считаются меньшими длин свободного пробега частиц. Поэтому используются бесстолк-новительные модели плазмы, к тому же, как правило, в линейном приближении, и анализируются результаты экспериментов in situ на высотах внешней ионосферы и выше.

Впервые экспериментально было замечено увеличение отношения Те/Т; в окрестности быстро (г>о VTi) движущегося тела в разреженной плазме в [139,140]. Вследствие этого возможно нарастание малых отклонений от стационарного состояния плазмы с помощью, например, механизма пучковой неустойчивости [141]. Впереди тела, двигающегося со "сверхзвуковой" скоростью v0 >> vTi в верхней ионосфере, возмущения, подобного газодинамической У В не обнаруживается [138]. Однако, в следе тела из-за фокусирующего действия электрического поля, появляющегося вследствии малого разделения заряда, возникает область уплотнения плазмы, похожая на конус Маха, с углом раствора примерно равного 2arcsm(i>rj/-uo). При увеличении отношения Te/Ti граница области фокусировки ("конуса Маха") становится резче, ее форма напоминает УВ, которой, однако, предшествует область с сильным разрежением плазмы, а угол раствора конуса увеличивается: 2 arcsin^/uo) Возможность описания этого эффекта в рамках теории бесстолкновительных УВ [142] еще требует специального анализа. В [143] анализируются данные наблюдения плазменной турбулентности (ПТ) около станции Spacelab-2 [144]. Наблюдалось резкое увеличение уровня ПТ во время выброса с борта космоплана паров воды, в то время как выброс Н20 в жидкой фазе приводил к незначительному возрастанию интенсивности ПТ. Это объясняется [144] с помощью механизма быстрого формирования сверхзвукового потока молекулярных ионов Н2О+ и связанной с ним неустойчивостью. В [143] предполагается, что развитие ПТ происходит в результате значительного роста Те на больших расстояниях от космоплана, причем высокая Те поддерживается за счет передачи электронам энергии при раскачке ионно-циклотронных волн. Именно с ростом Те, по мнению автора [143], связаны такие явления как появление свечения ионосферной плазмы на больших расстояниях от аппарата [145] и увеличение отражения радиоволн от окружающей области ионосферы [146] в моменты включения и выключения систем выброса.

Интересно сопоставить эти результаты с данными наблюдений похожих эффектов в лабораторных условиях. Ниже приводиться краткое описание явлений ионизации невозмущенного У В аргона [147] и "начальной вспышки" аргона [148].

В [147] исследовалось пространственно-временное распределение проводимости впереди фронта УВ, образуемой при взрыве заряда ВВ в аргоне различной начальной плотности. Увеличение проводимости при взрывах зарядов в воздухе замечено не было. Было установлено, что в начальные моменты времени после детонации заряда в аргоне возникает проводящая область, существенно превышающая по размерам область, охваченную гидродинамическим возмущением. Эффект исчезал при помещении ВВ в центр металлической сетки, на которую подавался отрицательный относительно заряда потенциал. Это объясняется "запиранием" электронов в центральной области.

Проводимость впереди фронта УВ не возникала также в случае помещения ВВ в стеклянную сферу, прозрачную для рентгеновского излучения, но, задерживающую ультрафиолет и "горячие" электроны. Этот факт говорит в пользу того, что одной лишь предыонизацией окружающего аргона рентгеновским излучением не возможно объяснить наблюдаемые характеристики эффекта.

Существенная роль жесткого излучения установлена в [148] при аналогичных [147] условиях эксперимента. Регистрировалось свечение аргона из области с размерами в 20 4- 30 раз превышающими радиус фронта У В. Свечение появляется примерно синхронно с увеличением проводимости газа перед УВ, если подобное увеличение электронной концентрации происходит (например, в тормозящем электроны электрическом поле свечение есть, а проводимости нет). Свечение исчезает при начальных давлениях в аргоне меньших 0.3 атм. Эксперименты показали, что начальная вспышка инициируется, скорее всего, рентгеновским излучением из-за фронта У В.

Авторы [147] считают, что проводимость впереди фронта У В в аргоне появляется "вследствие диффузии электронов из высоконагретой области за фронтом УВ в невозмущенный газ". Этот вывод представляется не обоснованным, а термин "диффузия электронов", по-сути, не точен. В условиях эксперимента речь может идти лишь об амбиполярной диффузии плазмы (электронный дебаевский радиус rD много меньше пространственного масштаба возмущения). Однако амбиполярное расплывание плазмы — процесс значительно более "медленный", чем движение УВ. Поэтому массовым переносом плазмы вряд ли можно объяснить возрастание проводимости перед УВ. Ниже, в главе 1 будет построена приближенная количественная модель "амбиполяр-ного" эффекта, приводящего к некоторому расплыванию фронта УВ в слабоионизиро-ванной плазме. Однако, оказывается, что пространственный масштаб такого плазменного возмущения значительно меньше чем размер наблюдаемой проводящей области перед УВ. Кроме ионизации холодного газа в области, не охваченной газодинамическим возмущением, излучением горячего газа (Те — 1 -f 2 1040К) из-за фронта УВ, видимо, существенную роль играет перенос тепла электронами, "поддерживающий" наблюдаемую нредыонизацию.

Явление вспышки невозмущенного УВ аргона не получило никакой авторской интерпретации [148]. Известен аналогичный эффект "избыточного" излучения [149], связанного с воздействием УВ на молекулярный газ, в котором времена релаксации различных степеней свободы существенно различаются. Непосредственно за фронтом УВ имеется зона релаксации, в которой происходит передача энергии от поступательных степеней свободы частиц к колебательным степеням свободы молекул, идут также процессы диссоциации и ионизации. Избыточное излучение газа из этой неравновесной области наблюдается в том случае, если характерное время диссоциации молекул намного превышает время жизни возбужденного колебательного состояния.

Анализ результатов [147, 148] показывает, что свечение аргона связано с действием ионизирующего излучения и возникает при наличии в газе свободных электронов, то есть в том случае если газ представляет собой рекомбинирующую плазму. Такая неравновесная среда, в которой температура электронов меньше равновесной при фактически имеющейся степени ионизации, используется в плазменных лазерах [150].

Таким образом, физика "предшествующих" ударной волне явлений представляет собой самостоятельную научную проблему, имеющую значительный интерес как в общетеоретическом плане, так и для разнообразных практических приложений, в том числе для ионосферных исследований. Объем знаний в данной области еще далеко недостаточен для разработки стройной физической теории явлений. В ряде случаев отсутствует даже качественная интерпретация наблюдаемых эффектов. Кроме того, количество экспериментального материала и его системность нуждаются в дальнейшем наращивании.

В диссертации под термином ударная волна понимается диссипативная структура, характеризующая асимптотическое состояние открытой нелинейной системы. Действительно, для создания стационарной ударной волны требуется затратить бесконечно большую энергию, что эквивалентно предположению о незамкнутости системы. В реальных условиях выход на стационар осуществляется под воздействием внешнего источника энергии и диссипации в системе (так же как это происходит в генераторе).

Ниже под структурой ударной волны подразумевается система вложенных друг в друга слоев, которой соответствует некоторая иерархия пространственно-временных масштабов. Каждый из этих слоев формируется под действием различных физических процессов. Вещество, при переходе из одного равновесного состояния в другое, может испытывать достаточно сложную эволюцию.

Цель и характеристики работы.

Целью работы ЯВЛЯетСЯ исследование плазменного возмущения в результате взрыва на высотах Г-области ионосферы.

• теоретическое изучение основных закономерностей эволюции возникающей при этом искуственной неоднородности

• построение нелинейной модели возмущения плазменной компоненты, учитывающей влияние магнитного поля, вязкости, неизотермичности и дисперсии.

• оценка энергии источника возмущения.

• обоснование значительного влияния кинетических эффектов на структуру ударной волны в плазме

АктуаЛЬНОСТЬ темы обусловлена большим интересом к исследованию воздействий мощных источников в газах и плазме. Отклик среды на возмущение обладает сложной эволюцией, связанной с нелинейностью и неравновесностью протекающих при этом процессов. С подобными вопросами все чаще сталкиваются во многих разделах физики. Исследование эволюции ударной волны в плазме представляет собой классическую задачу такого рода.

Можно назвать следующие быстроразвивающиеся отрасли, в которых необходимо знание закономерностей исследуемых явлений

• Ионосферные и космические исследования.

• Аэродинамические задачи.

• Создание неравновесных сред для генерации лазерного излучения.

Научная новизна работы:

• Исследована структура ионно-звукового возмущения перед ударной волной в нейтральном компоненте в следующих случаях:

- Точечный взрыв на высотах Г-области ионосферы

- Автомодельная ударная волна произвольной симметрии в изотропной двух-температурной плазме.

• На основе учета кинетических эффектов предложен новый механизм возникновения надтепловых частиц далеко впереди фронта ударной волны.

• Впервые теоретически исследуется влияние кинетики многопотокового движения в условиях самосогласованного электрического поля, вызванного разделением заряда, на формирование сильной ударной волны в двухтемпературной плазме.

Теоретическая И практическая ценность работы определяется современным уровнем понимания предшествующих явлений, роли неравновесных эффектов при развитии нелинейных возмущений, в частности, при формировании структуры ударной волны в плазме.

Необходимость кинетического рассмотрения вытекает прежде всего из того факта, что в сильной ударной волне значительное возрастание потенциала электрического поля происходит на пространственном масштабе порядка длины свободного пробега ионов. Отражение частиц от потенциального барьера приводит к возникновению перед фронтом двухпотокового движения. Применение метода Мотт-Смита в этом случае не достаточно обосновано, поскольку не учитывается взаимное влияние электрического поля и параметров потоков ионов.

Впервые получена приближенная зависимость плазменных полей от координаты, времени и размерных параметров задачи.

Выводы работы могут быть использованы практически во многих физико-технических областях: космических исследованиях, задачах уменьшения аэродинамического сопротивления тел в плазме и лазерных технологиях.

Обоснованность И достоверность результатов достигается применением теории размерности, асимптотических методов и численных расчетов тогда, когда не удается аналитическое представление решения.

Исследуемые приближенные решения являются главными членами соответствующих асимптотических разложений по малому параметру. Например, обратное число Маха, число Кнудсена, малый характерный масштаб плазменного возмущения по сравнению с радиусом ударной волны. Имеется принципиальная возможность построения членов следующего приближения. Более сложным представляется оценка точности описания ионно-звуковой ударной волны, использующего кинетические уравнения с самогласованным электрическим полем. Делается это на основе сопоставления полученных результатов с численными решениями для бесстолкновительного случая ("квазиударная" волна).

Физические результаты работы не содержат противоречий, согласуются с общетеоретическими представлениями об исследуемых явлениях и результатами других авторов. Решения различных задач совпадают между собой в общих областях применимости. Часть результатов диссертации подтверждается экспериментальными данными.

Защищаются следующие положения:

1. Методика определения энергии взрыва на высотах Р области ионосферы и параметров плазмы в точке взрыва по данным возвратного радиозондирования неоднородности: a) Оценка влияния магнитного поля на эволюцию возмущения плазмы перед сферической ударной волной по сравнению с диффузией слабой плазменной неоднородности. b) Построение нелинейной модели плазменного возмущения, вызванного источником конечной энергии. c) Решение задачи восстановления величины энергии, выделенной источником, и определения ионосферных параметров в точке взрыва.

2. Обоснование влияния кинетических эффектов на образование и структуру сильной ударной волны в плазме: a) Обнаружение эффекта отсутствия критического числа Маха ионно-звуковой ударной волны при учете столкновительной диссипации отраженных ионов. b) Описание механизма возникновения метеорной предыонизации и свечения окружающей плазмы в результате релаксации надтепловых частиц, образованных ударной волной. c) Теоретическое обоснование возможности формирования ударной волны за счет диссипации потока отраженных ионов и построение ее структуры.

Результаты исследований по тематике первой главы опубликованы работах: [173, 176, 179, 180], второй главы — [191, 192, 193, 203, 204, 205].

Заключение: выводы и рекомендации по их использованию.

Исследованы основные закономерности движения плазмы, возникающего в результате сильного взрыва на высотах Р области ионосферы. Первостепенное внимание уделялось проблеме структуры ударного перехода в слабоионизированной плазме. Выводы работы сделаны на основе использования нелинейных уравнений гидродинамики и применения кинетического описания в области фронта плазменного возмущения.