Образование неоднородностей электронной концентрации градиентно-дрейфовой и конвергентной неустойчивостями в ионосфере Земли тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Р Г Б ОД

Государственный комитет России по высшему

- 3 МАИ |9В5 ■

образованию Нижегородский ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательский радиофизический институт

На правах рукописи

УДК 550.388

Понятое Алексей Александрович

Образование неоднородностей электронной концентрации градиентно-дрейфовой и конвергентной неустойчивостлми в ионосфере Земли

(01.04.03 — ргьдиофизика)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород, 1995

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамена Научно-исследовательском радиофизическом институте (г.Н.Новгород)

Научные руководители: доктор фиоико-иатеиатических наук,

профессор

Гершиан В.Н.

доктор фкаико-натеиатических наук, ведущий научный сотрудник Игнатьев Ю.А.

Официальные оппоненты: доктор фиоико-иатекатических наук,

ведущий научный сотрудник Беспалов П.А.

Кандидат фнаико-матекатических ваук, старший научный сотрудник Мдсиихов E.H.

Ведущ&к органпааши: Нижегородский ГЪсударсгвенный университ

Защита состоится ОАСХЛ_ 1006 г. в ' ' чь-

сов на оаседании спецк&лиоированпого совета Д064.05.01 при Нлучао-вссяедовательскои радиофизической институте по адресу: г. Нежный Новгород, 603000 ГСП-В1, ул. Большая Печерская, 25-14.

С диссертацией можно оонахокитьса в библиотеке ННРФИ.

»

Автореферат разослан * Ш * (ХАЛ/^ Хо-, 1995 г.

Ученый секретарь спецналнонрованного совета Д064.05.01 при НИРФИ кандидат фиоихо-иатеыатическнх наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Исследование вооникновения н еволюции неоднородностен епектрон-ной концентрации является одним но основных вопросов фиоихи ионосферы. Общепринятый« основныии механиомами их обрапованнд в HV стоящее время считаются плапменные неустойчивости, что и предопределяет их интенсивное теоретическое яоучение во всей иире. Наиболее важными но них являются градиентно-дрейфовая, Ролея-Тейлора и конвергентная неустойчивости, которые и рассматриваются в представленной работе (далее они именуются неустойчивостями градиеытно-дрейфового типа).

Решение отой проблемы имеет большое научное и прикладное оначе-ние. Первое связано с иоучениеи фиоичесхнх процессов в ионосферной ппаоме, приводящих г ее турбулиоации, что является одной ио составляющих фундаментальных исследований по фиоихе плаомы. В ©том смысле ионосфера может рассматриваться хах естественная, постоянно действующая плаоыеннад лаборатория. Получаемые теоретические реоультаты нужны для юррехтной интерпретации нахопленного □& последние десятилетия огромного охспериментального материала и постановки самих экспериментов, а тахже для интенсивно раовивающегося моделирования н прогнооирования состояния ионосферы. Кроме того появление неоднородностен может служить индикатором порождающих их динамичесхих процессов в ионосфере.

Прикладное аначение этих исследования определяется тем, что информация об внергетичесхих н динамических характеристиках плаоменной ионосферной турбулентности (спектрах, скоростях переноса неоднород-ностей и пр.) необходима для решения многих практических вопросов радиосвяои^ радиолокации и т.п. Посхолму именно неоднородности концентрации ионосферной плаомы во многом определяют условия распространения радиоволн декаметрового и метрового диапааоиов. Несмотря на достаточно большое количество работ по »той тематике, одесь, тем не менее, имеется много "белых пятен", осооенно при рассмотрения сред-неширотиой ионосферы. Все ото определяет актуальность дальнейших теоретических исследований раштичных механиомов формирования неоднородной структуры ионосферы и, в частности, данной диссертации.

Целью работы является теоретическое исследование ряда аспектов образования неоднородной структуры срсднеширотной ионосферы на высотах Е и Р слоев плаоменными неустойчивостями градиентно-дрейфового типа. В частности, диссертация посвящена

— исследованию неустойчивостей в неолектростатичесжом приближении.

— аналиоу обнаруженного автором нового механиома генерации не-однородиостей, являющегося частный случаем конвергентной неустойчивости.

— раовитию нелинейной теории неустойчивостей, с цепью объяснения ряда особенностей пространственных спектров мощностей неодпородно-стей.

— исследованию градиентно-дрейфовой неустойчивости в среднеши-ротном спорадической слое Б.

Научи ал новизна.

В диссертационной работе получен ряд оригинальных фиоических ре-оупьтатов и уточнены некоторые уже иовестные. Выведен теноор ди-електрической проницаемости для воомущений в плаоые в общей случае -магнитоактианой неоднородной плаоиы с то хеш, что посволкло провести исследование неустойчивостей градиентно-дрейфового типа в неолектро-статическои приближении. Рассмотрена самая общая геометрия оадачи, что пооволило описать среднеширотную плаому. Обнаружен новый вид неустойчивое!'** ионосферной плаомы. Проведен более точный учет диффузионных движений опектронов в нелинейной теории неустойчивостей, что привело к принципиально новому реоультату - и ал о и у спектра. Осуществлена интерпретация рядг новостных ранее окспериментальных ре-оультатов.

В диссертации выносятся на оахцнту

1) Реоультаты исследования неустойчивостей градиентно-дрейфового типа в неолектростатическом приближении в Б и Р слоях среднеширотной ионосферы. В том числе

а) вывод тензора диелектрической проницаемости для воомущений холодной магнитоьктивной, неоднородной плаомы с током

б) получение наиболее общих выражений для инкремента неустойчивостей для проиовольных широт.

в) исследование неустойчивости, связанной со слагаемыми вида (к • Ьо)(Ко • Ьо) в инкременте (одесь к - волновой вектор неоднородности, Ко = ^^о/Ло и Ьо — единичный вектор в направлении геомагнитного поля), при малой аниоотропии неоднородностей.

г) оценка вклада вихревых поправок в раовитие неустойчивостей градиентно-дрейфового типа в изотермической неоднородной ппаоме и обоснование применимости в отои случае електростагичесюго ацШЗвд-

зкеннл.

3) Реоутгьт&ты исатедованил нового вида неустойчввост* пл&пмы, от-жрытого автором н нааванного сносовой неустойчивостью, х смоавхыЁ. с отим вывод инкремента обобщенной конвергентной неустойчивости, определлемын потоком оарлженных частиц. А также рассмотрение прн-мененнл традиционной конвергентной неустойчмаостн дпл описжянл спорадического ело* Е я влилние на ее инкремент высотных о&висямостей частот соударений.

3) Реоультаты исследованил неустойчивостей градментно-дрейфового типа в нелинейной приближении а среднеширотной ионосфере. В той числе

а) исследование формы пространственного спектра мощности флуктуации олектроннон концентрации и доказательство пиличнл налом».

б) анално свяои пространственных спектров мощности флуктуации електронной концентрации и олектрического пол*.

4) Реоультаты применения общей теории неустойчивостей градиентно-дрейфового типа для интерпретации рлд» известных ранее оксперкме.чт&лъных данных. В том числе

а) евлоь появления мелкомасштабных неоднородностей с вооликнове-нием спорадического слоя Е

б) наличие иолома спектра па масштабах порлдка 1 км; кроме того предложена методика идентификации градиентно-дрейфовой неустойчивости по величине масштаба, на котором происходит иплом.

в) (зависимость величины спектрального индекса от амплитуды спектра.

Практическая ценпостъ

Полученные в диссертации реоультаты расширлют представления о фиоических процессах приводящих к турбупиоации ионосферной- плммы, раовивают линейную и нелинейную теории неустойчивостей ионосферной плаоыы и обобщают ужо новостные реоультаты на проиовольные широты. Реоультаты диссертации могут испольооватьсл в целлх диагностики ионосферы и интерпретадии окспериментальных рсоупьтатов.

Лнчпый вклад автора в проведенные исследованил. В работах [1-5] на основании поставленных автором совместно с научным руководителем оадач диссертантом были выполнены все аналитические выводы и численные расчеты. Работы [в-10] выполнены диссертантом полностью самостоятельно.

Лпра&щця реоудьтатоп в публикации

Оскозиыс результаты диссертации докладывались tía. Международном caunoauyue "Неустойчивости и волновые явления в системе ионосфера -*«рыосфер&а (К&пугь, 1089 г.), на Международной школе по фкзике кос-Hit ческой шг&омы (Россия, 1993), на УП и VIII Всесоюзных совещаниях по неоднородной структуре ионосферы (Яхутск, 1989 г.; Абрау-Дюрсо, 1991 Г.), XVI В XVII Всесоюоных конференциях по распространению радиоволн (Х&рькоо, 1990 Г.; Ульяновск, 1993 г.). & также на научных семинарах НИРФК. По теие диссертации имеется 5 публикаций в центральных жур-ВШьх, 2 публикации в сборниках АН СССР и 3 публикации в материалах всесоюзных совещаний в конференций.

Структура ti объем работы

Диссертация состоит ва введения, четырех разделов и оаключенкя. Онл содержит 146 стр&нец и&шннопксиого текста, в том числе 21 стра-йацу «шсх& литературы (203 иышоноэышй), а также 15 рисунков (10 стракид).

.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосков&Нй. актуальность темы, дана общая характера-стиха работы и современного состояния научаемой проблемы, а также приведена аннотация содержания диссертации.

Первая глава диссертации посвящена линейной теории неустойчиво-стей градиентно-дрейфового типа в ионосферной плаоые как в влектро-статичесхом, так и в неолектростатическом приближениях.

В п. 1.1 осуществлен вывод общего вида дисперсионного уравнения для ниакочастотных воомущений в неоднородной аниоотропной плаоце дня проиовольных высот и широт. При отом в п. 1.1.1 на основе литературных данных обосновано испольоуеыое жваоигидродинамичесхое приближение, и приведены исходные уравнения, в линеариоованнои виде модифицированные путем оамены переменных, предложенной автором. В П. 1.1.2 на основании електростатичесхого приближения получены наибо-• лее общие дисперсионное уравнение и выражение для инкремента неустой-чявостей для произвольных широт и высот. Аналогичные соотношения в неелектростатичесхои случае получены в п. 1.1.3, где осуществлен вывод теноора диэлектрической проницаемости для воомущений холодной маг-нитоактнвной, неоднородной ппаомы с током.

В п. 1.2 исследуется развитие градиентно-дрейфовой неустойчивости (ГДН) в среднеширотной ионосфере в условиях Е (п. 1.2.2), и F (п. 1.2.3)

областей. Прозедено сравнение реоультатоа ©лектростатнчестого я не-«электростатического приближений при раоличнон аниоотропии неоднородностей. Выявлено их раоличие наиболее существенное дна слабой аниоотропии неоднородностей в Е слое. Общие соотношения для обоих подходов, вместе с кратким обоором литературы по втой тематике а ан&-лиоом фиоичесхих иеханиомов вооникновения этой неустойчивости приведены в п. 1.2.1. Исследована неустойчивость, свяоанная со слагаемыми Блда (к -Ьо)(Ко -Ьо) в инкременте , которая существенна при малой аниоотропии неоднородностей. Проведены численные расчеты оначонпй инкремента и минимальной аниоотропии.

В п. 1.3 выясняется влияние вихревых полей воомущеннй на вооняк-новение ГДН в слоях Е и Р. Поскольку решение отой оадачн в общем виде очень громоодхо, то рассмотрение проведено для двух предельных случаев сильной и слабой вытянутостей неоднородностей. Потадана юс несущественность при аналиое р&овитиа мелко-масштабной градиентно-дрейфовой неустойчивости в иоотермической плаоме.

Вторая глава посвящена линейной теории конвергентной неустойчивости (КН),свяоанной с неоднородностью регулярных движений ионосферной плаомы.

В п. 2.1 приведен обоор уже иовестных реоупьтатов, и покаоано, что полный инхремент КН оависит от дивергенции потока оаряженных частиц, а не только скорости, как ©то полагалось ранее. Полученная поправка, фиоически имеющая смысл нового иеханиома нестабильности ппаоыы, названа сносовой неустойчивостью (СН). СН воонихает в ре-оультате сноса первичных неоднородностей вдоль регулярного градиента впехтронной гонцентрации при наличии направленной вдоль него компоненты регулярной скорости оаряженных частиц.

В п. 2,2 и 2.3 проведеп аналио условий вооникновения СН соответственно в Е и Р слоях ионосферы для движений оаряженных частиц рао-личной фиоичесхой природы ( увлечение нейтральный ветром, диффуои-онное расплываниеи слоев, гравитационный дрейф). Покяоана достаточно высохая оффехтивность этого иеханиома при обраоовании мепхомасштаб-ной структуры ионосферы. Продемонстрирована вооыожность описания вооникновения спорадичесхого слоя Б в оюм подходе. Полученные пря отоы реоультаты совпадают с аналогичными в теории ветрового сдвига. Проведены оценки влияния высотной оависииости частот столкновений оаряженных частиц с нейтральными.

Третья глава посвящена нелинейной теории ГДН на основе приближения слабой свяои при сильной турбулентности, предложенного В.В. Кадомцевым.

В п. 3.1 проведена постановка оадачи и на основе краткого обоора работ похаоаны раоличные пути ее решения.

В п. 3.3 приведен» общи теория приближения слабой салон при рассмотрении сильной плаоменной турбулентности и полученное на ее основе уравнение для спектра мощности флуктуации. Показана вооыожность ко польаования феноменологического подхода, аналогичного применяемому в гндродвнаинхе.

В п. 3.3 получен вид спектра флуктуаций концентрации електронов при ГДН в ионосфере. Покааано существование ишгома спектра, на которой покаоатель степенного спектра меняется со оначення у (Колмогоровский спектр инерционного интервала) на у.

В п. 34 проаналиоирована свяоь пространственных спектров флуктуаций влектроннои концентрации и потенциального ©пектрического поля в рамках предложенного подхода при ГДН в Б и Р слоях ионосферы. Установлены интервалы совпадения спектральных индексов.

Четвертая глава посвящена приложению представленной общей теории ГДН к интерпретации ряда иовестных, но не получивших своего окончательного объяснения, экспериментальных реоультатов.

В п. 4.1 раскрывается свяоь существования ГДН в срерчеширотной Е области с наличием спорадических слоев. Проведены численные расчеты необходимых критических скоростей дрейфа електронов и минимальные всаникающне масштабы для различных ситуаций. Оценена роль металлических ионов.

Ь □. 4.2 получена форма спектра флуктуации концентрации для слоев Б и Р ионосферы, хорошо совпадающая с оксперимент&льными, и объяснено наличие иоломов на масштабах порядка 1 км. Предложена методика идентификации вида неустойчивости (собственно ГДН или неустойчивость Ролея-Тейлора) по оначению масштаба иолоыа.

В п. 4.3 на основе предложенного подхода объяснено явление уменьшения значения спектрального индекса при увеличении амплитуды спектра.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В представленной диссертации получен общий вид дисперсионного уравнения для низкочастотных плаоменных воомущеннй.в холодной неоднородной магнитоактивной плазме с током как в впектростатическом приближении (воомущенное епектрическое поле считается потенциальным), так и в неопектростатичесхом (с учетом вихревых поправок). Для рассмотрения неолектростатического приближения получен тенаор диэлектрической проницаемости для плаоменных воомущений.

Рассмотрена произвольная геометрия оадачи и получены наиболее о& щие выражения для инкремента неустоичивостей гр&диентно-дрейфовогс типа в ионосферной ппаоме на высотах областей Ей К произвольны* шипот.

3. Теоретически исследована градиентно-дрейфовал неустойчивость в условиях, характерных для Е и F областей среднеширотной ионосферы, в частности, в условиях среднеширотного спорадического слоя Е. Похаоано,—-что при несильной вытлнутости неоднородностей большую роль играет неустойчивость свяоишая с членами вида (к -ha^Ko - ho) в инхременте.

3. Про&налиоированьг условия применимости олектростатического приближения при рассмотрении градиентно-дрейфовой неустойчивости в иоотермичесхой плаоме, и сделал вывод о его корректности при исследовании генерации мелкомасштабных неоднородностей как для Е, тах и для F областей ионосферы.

4. Теоретически найден н исследован новый механиом неустойчивости ионосферной плаоны, который может рассматриваться как компонента конвергентной неустойчивости, что поаволдет уточнить выражение для инкремента последней.

5. Проведено дальнейшее развитие уже иовестной методики исследования нелинейной стадии раовития градиентно-дрейфовой неустойчивости, на основании которой получен принципиально новый вид двумерного, иоо-тропного в плоскости ортогональной к геомагнитному полю пространственного спехтра мощности флухтуаций олектронной концентрации -имеющий иолом. Показано, что модифицированная автором нелинейная теория может объяснить целый ряд наблюдаемых окспериментально явлений. В частности, наличие иолома спектра на масштабах от нескольких сот метров до деелтка километров, а также езяаь спектрального индекса с амплитудой спектра.

Предложен метод идентификации достаточно сильной собственно градиентно-дрейфовой неустойчивости (Е X В неустойчивости) по величине масштаба, на котором происходит иолом спектр».

Проведено теоретическое исследование салон пространственных спектров мощности флуктуации олектронной концентрации и олектрического поля в елехтростатическом приближении.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гершыан Б.Н., Понлтоэ A.A. О градиентно-дрейфовой неустойчивости в среднеширотном ионосферном спорадическом слое Е. -Иов. вуоов. Радиофизика, 1987, т. 30, N б, с. 711-719.

2. Гершман Б.II., Понлтоэ A.A. Об олектромагнитных оффектах для градиентно-дрейфовой и неустойчивости ионосферном спорадическом слое Е. - Ное. вуоов. Р&диофиоика, 1987, т. SO , N 8, с. 1038 - 1040.

3. Понлтов A.A. О спектре градиентно-дрейфовой неустойчивости в среднеширотной области Е ионосферы. - ГЬомагнетиом и аороно-мия, 1988, т. 33, N 1, с. 33 - 39.

i. Герщман Б.Н., Понятов A.A. О свяои пространственных спектров флуктуации олектронной концентрации и опектрического поля при градиентно-дрейфовой неустойчивости в ионосфере. - Геомагне-тиои и аорономия, 1988, т. 28, N 3, с. 490 - 488.

5. Гершыан В.Н., Понятов A.A. Градиентно-дрейфовые неустойчивости ионосферной ппаомы. - В кн. Неустойчивости и волновые явления в системе ионосфера - термосфера. Горький: ИПФ АН СССР, 1980, с.145 - 1Б5.

в. Понятов A.A. Спектр неоднородностеи в Р области ионосферы.-Теоисы докладов на XVI Всесоюоной конференции по распространению радиоволн, Харьков, 1990, с. 9.

7. Понятов A.A. О спектре градиентно-дрейфовых неустойчивостей в F области ионосферы. - Веб. Неоднородная структура ионосферы, Якутск: ЯНЦ СО АН СССР, 1991, с. 27-35.

8. Понятов A.A. О конвергентной неустойчивости в ионосфере. -VIII совещание семинар по проблеме "Неоднородная структура ионосферы", теоисы докладов, Нижний Новгород, 1991, с. 78-79.

9. Понятов A.A. Конвергентная неустойчивость в ионосфере. - XVII конференция по распространению радиоволн, теоисы докладов, секция 1, Ульяновск, 1993, с. 3.

10.-Понятов A.A." Конвергентная неустойчивость в ионосфере. - Иов. вуоов. Радиофиоика, 1993, т. 36, N 10, с. 921 - 928.