Образование неоднородностей электроннойконцентрации градиентно-дрейфовой иконвергентной неустойчивостями в ионосфере Земли тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Государственный комитет России по высшему образованию

Нижегородский ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательский радиофиои^^жии институт

УДК 550.388

Понятов Алексей Александрович

Образование неоднородностей олезстронной гонцентрации градиентно-дрейфовой и конвергентной неустойчивостями в ионосфере Земли

(01.04.03 — раднофнонха)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород, 1995

Работа выполвева в ордена Трудового Краевого Звамевв Научно-всследовательском радвофвовчесхом институте (г.Н.Новгород)

Шучны* рухо»од«телж: доктор фиоихо-иатематичесхнх в »ух,

профессор Гврти&н В.Н.

доктор фиаико-иатеиатическхх наук, ведущий научный сотрудник Игнатьев Ю.А.

Официальные оппоненты: доктор фноико-натекатичеехк наук,

ведущий научным сотрудник Весп&лов H.A.

Кандидат фноихо-натематичесхих наук, старший научный сотрудннх Мдсниюв E.H.

Begymai органиаацм:

Нижегородский Государственный университет

Защита состоится * * V СХаХ 1005 г. в соа на оаседании специапиоировашюго совета Д084.05.01 яри Научно* исследовательском раднофвоическои институте по адресу: г. Нижний Новгород, 003600 ГСП-51, ул. Болыпа* Печерсхая, 25-14.

С диссертацией можно оонахоиитьел в библиотеке НИРФИ.

Автореферат раоосяан * N * Ш5 г-

Ученый секретарь специалипированного совета Д<Ж.05.01 при НИРФИ ,,

-ханиияшЬиоико-иатеыатических наук /и^ Е.Н.Винкйкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Исследование вооникновения и эволюции неоднородностей электронной концентрации является одним но основных вопросов фиоики ионосферы. Общепринятыми основныии механизмами их обраоования в настоящее время считаются плаоменные неустойчивости, что и предопределяет их интенсивное теоретическое научение во всей даре. Наиболее важными ио них являются градиентно-дрейфовая, Ролел-Тейлора и конвергентная неустойчивости, которые и рассматриваются в представленной работе (далее они именуются неустойчивостями градиентно-дрейфового типа).

Решение втой проблемы имеет большое научное я прикладное стечение. Первое свяаано с иоучением фиаических процессов в ионосферной ппаоме, приводящих х ее турбулиоации, что является одной ио составляющих фундаментальных исследований по фиоихе пл&оиы. В етои смысле ионосфера может рассматриваться хах естественная, постоянно действующая плаоыенная лаборатория. Получаемые теоретические реоупьтаты нужны для корректной интерпретации накопленного оа последние десятилетня огромного охсперяиентального материала и постановки самих експерииентов, а тахже для интенсивно раовнвающегося моделирования и прогвооирования состояния ионосферы. Кроме того появление неоднородностей может служить индикатором порождающих их динамических процессов в ионосфере.

Прикладное оначение этих исследований определяется тем, что информация об энергетических и динамических характеристиках плгишенной ионосферной турбулентности (спектрах, скоростях переноса неоднородностей и йр.) необходима для решения многих практических вопросов радиосвяои\ радиолокации и т.п. Поскольку именно неоднородности концентрации ионосферной плаомы во многом определяют условия распространения радиоволн декацетроэого и метрового диалааонов. Несмотря на достаточно большое количество работ по &той тематике, одесь, тем не менее, имеется много "белых пятен", осооенно при рассмотрении сред-неширотной 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 средиеширотной ионосферы на высотах Б и Р слоев плаоменнымн неустойчивостями градиентно-дрейфового типа. В частности, диссертация посвящена

— исследованию неустойчивостей в неолехтростатичесхом приближении.

— ан&пноу обнаруженного автором нового иеханиама генерации це-однородностей, являющегося частным случаем конвергентной неустойчивости.

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

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

Научная новяова.

В диссертационной работе получен ряд оригинальиых фиоичесхих ре-оупьтатов и уточнены некоторые уже известные. Выведен теноор ди-елехтрической проницаемости для вооыущений в плапме в общем случае -магнхтоахтивной неоднородной плаамы с тохом, что поеволило провести исследование неустойчивостей градиентно-дрейфового типа в неопектро-статичесгом приближении. Рассмотрена самая общая геометрия «задачи, что поовопило описать среднеширотную плааму. Обнаружен новый вид неустойчивосш ионосферной ппаомы. Проведен бопее точный учет диф-фуоионных движений олегтронов в нелинейной теории неустойчивостей, что привело х принципиально новому реоультату - иолому спектра. Осуществлена интерпретация рядг известных ранее оксперименталышх рс-оультатов.

В диссертации выносится иа оахциту

1) Результаты исследования неустойчивостей градиентно-дрейфового типа & неопехтростатичесхом приближении в Е и Р слоях среднеширотиой ионосферы. В том числе

а) вывод теноора диепехтрической проницаемости рртя воамущений холодной ыагнитоахтивяой, неоднородной плазмы с тохом

6} получение наиболее общих выражений для инкремента неустойчивостей для проиоаольных широт.

в) исследование неустойчивости, связанной со слагаемыми вида (к • Ьо)(Ко * Ьо) в инхременте (сдесь к - волновой вектор неоднородности, Ко = У-АГоА^Ь и Ьо - единичный вехтор в направлении геомагнитного поля), при малой аниоотропии неоднородностей.

г) оценка вклада вихревых поправок в р&овнтие неустойчивостей градиентно-дрейфового типа в ииотермнчесхои неоднородной ппьоме и обоснование применимости в отом случае елехтростатическога ц.»йбвд-

хення.

3) Реоультаты нсатедовалия нового айда неустойчивости ппаомы, открытого автором а названного сносовой неустойчивостью, и евлаалмый с етим вывод инкремента обобщенном конвергентной неустойчивости, определяемый потоком оаряакенных частиц. А также рассмотрение применения традиционной конвергентной неустойчивости дпл описания спорадического слоя £ я влияние на ее инкремент высотных оавнсимостей частот соударений.

3) Реоультаты исследования неустойчивостей граднентно-дрейфового типа в нелинейном приближении в среднеширотиой ионосфере. В той чнеле

а) исследование формы пространственного спектра мощности флуктуации олектроннон концентрации и доказательство наличия излом».

б) аналио свяои пространственных спектров мощности флуктуацай епектронной концентрации и опектричсского поля.

4) Реоультаты применения общей теории неустойчивостей градиентно-дрейфового типа для интерпретации ряда нпвестных ранее экспериментальных данных. В том числе

а) евлоь появления мелкомасштабных неоднородмостея с воонияиове-нием спорадического слоя В

6} наличие иолома спектра па масштабах порядка 1 км; кроме того предложена методика идентификации граднентно-дремфовой неустойчивости по величине масштаба, на котором происходит иолом.

в) (зависимость величины спектрального индекса от амплитуды спектра.

Практическая ценность

Полученные в диссертации реоультаты расширяют представлены* о фиоических процессах приводящих к турбупиоацин ионосферной» плаомы, раовивают линейную и нелинейную теории неустойчивостей ионосферной плаоыы и обобщают ужо новостные реоультаты на проиовольные широты. Реоультаты диссертации могут испольооваться в целях диагностики ионосферы и интерпретации окспериыентальных реоультатов.

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

Апроблдшг результатов в иуСликацмн

Осношшс реаукьтдты диссертации докладывались на Международном сашюоауие ^Неустойчивости в волновые явления в системе ионосфера, -««риосферь" (Калуга, 1989 г.), на Международной школе по фкзике кос-штсхой тшшы (Россия, 1993), на VII в VIII Всесоюоных совещаниях по неоднородной структур« ионосферы (Якутск, 1989 г.; Абрау-Дюрсо, 1991 Г.), XYI И XVII Всесоюоных конференциях по распространению радиоволн (Харьков, 1990 Г.; >^1ЫП0ВСГ, 1993 г.), а также на научных семинарах ННРФИ. По одие диссертации ииеетса Б публикаций в центральных журналах, 3 публикации а сборниках АН СССР в 3 публикации в материалах есесокхшых совещаний в конференций.

Структура в объем работы

Диссертация состоит т введения, четырех расдетгов в оаключенкя. Ова содержит 148 страяац и&швнопксного текста, в той числе 31 страницу COSCS& литературы (205 нышеноэышй), к также 15 рисунков (10

стр«шц)<

^СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во васдамши обоекоа&ыа актуальность темы, дана общая характеристика работы и современного состояния изучаемой проблемы, а тахже приведена аннотация содержания диссертации.

Первая глава диссертации посвящена линейной теории неустойчиво-стей градиентно-дрейфового типа в ионосферной плаоме как в олектро-статическом, так и в неолектростатическом приближениях.

В п. 1.1 осуществлен вывод общего вида дисперсионного уравнения для ниакочастотных воомущений в неоднородной анноотропной плаоме для проиовопьных высот и широт. При OTOU в п. 1.1.1 на основе литературных данных обосновано испольоуемое кваокгидродинамическое приближение, и приведены исходные уравнения, в линеаризованной виде модифицированные путей; оамены переменных, предложенной автором. В п. 1.1.2 на основании електростатического приближения получены наибо-• лее общие дисперсионное уравнение и выражение для инкремента неустой-чивостей для проиовопьных широт и высот. Аналогичные соотношения в нешектростатическок случае получены а п. 1.1.3, где осуществлен вывод теноора диэлектрической проницаемости для воомущений холодной маг-нитоактивнон, неоднородной плапмы 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. Прозедепо сравнение результатов епехтростатичесхого п не-олектростатичесхого приближении пря раолнчной анвоотропии неоднородностей. Выявлено их раоличие наиболее существенное для слабой анн-иотропин неоднородностей в Е слое. Общие соотношения для обоих подходов, вместе с кратким обоороц литературы по втой тематике а аяа-лноои фиоичесхнх иеханноиов возникновения ото5 неустойчивости приведены в п. 1.2.1. Исследована неустойчивость, свяо&ннал со сл&г&еиыхга Елда (к -Ьо)(Ко -Ьо) в инкременте , которая существенна при иапой «ша-оотропии неоднородностей. Проведены численные расчеты оначвнай инкремента и минимальной аниоотропии.

В п. 1.3 выясняется влияние вихревых попей воомущений яа вооняк-новение ГДН в слоях Е и Р. Поскольку решение ©той оадачп в общем виде очень гроиоодхо, то рассмотрение проведено для двух предельных случаев сильной и слабой вытянутостей неоднородностей. Потааан* ах несущественность пря аналиое раовития мелко-масштабной гр&диентно-дрейфовой неустойчивости в ноотермичесхой плаоме.

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

В п. 2.1 приведен обоор уже известных реоупьтатов, и покапано, что полный инхремент КН ¡зависит от дивергенция потока оарлженных частиц, а не толыо схорости, хаж ето полагалось ранее. Полученная поправка, фноичесхи имеющая смысл нового механизма нестабильности плаоыы, н&ована сносозой неустойчивостью (СН). СН вооникает в ре-оультате сноса первичных неоднородностей вдоль регулярного градиента влехтронной хонцентрации при наличии направленной вдоль него компоненты регулярной схорости оаряженных частиц.

В п. 2,2 и 2.3 проведен анализ условий воонихновения СН соответственно в Е н Р слоях ионосферы для движений оаряженных члстац рво-личнон фиоичесхой природы ( увлечение нейтральный аетрои, диффуои-онное расллываниеи слоев, гравитационный дрейф). Покаоана достаточно высокая еффективность этого механиома при образовании иепкомасштаб-ной структуры ионосферы. Продемонстрирована вооможность описания вооникновения спорадического слоя Е в пои подходе. Полученные пря этом реоупьтаты совпадают с аналогичными в теории ветрового сдвига. Проведены оценхи влияния высотной оависимости частот столкновений оаряженных частиц с нейтральными.

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

В п. 3.1 проведена постановка оадачи и на основе краткого обоора работ покаоаны р&оличные пути ее решения.

В п. 3.3 праведен» общи теория приближения слабой свяов при рассмотрении сильной плазменной турбулентности и полученное на ееоснове уравнение дня спектра мощности флуктуации. Показана вооможность ис-польаования феноменологического подхода, аналогичного применяемому в гидродинамике.

В п. 3.3 получен вид спектра флуктуацнй концентрации електронов при ГДН в ионосфере. Покапано существование излома спектра, на котором показатель степенного спектра меняется со оначения у (Копмогоровскии спектр инерционного интервала) на

В □. 3.4 проанализирована связь пространственных спектров флуктуации электронной концентрации в потенциального олектрического поля в райках предложенного подхода при ГДН в Е и Р слоях ионосферы. Установлены интервалы совпадения спектральных индексов.

Четвертая глава посвящена приложению представленной общей теории ГДН к интерпретации ряда известных, но не получивших своего окончательного объяснения, експерниентапьных реоупьтатов. - В п. 4.1 раскрывается связь существования ГДН в срерчеширотной Б области с наличием спорадических слоев. Проведены численные расчеты необходимых критических скоростей дрейфа влектроно» и минимальные возникающие масштабы для различных ситуаций. Оценена роль металлических ионов.

В п. 4.2 получена форма спектра флуктуации концентрации для слоев Б и Р ионосферы, хорошо совпадающая с експеримент&пьнымн, и объяснено наличие изломов на масштабах порядка 1 км. Предложена методика идентификации вида неустойчивости (собственно ГДН или неустойчивость Рвлея-Тейлора) по значению масштаба излома.

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

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В представленной диссертации получен общий вид дисперсионного уравнения для низкочастотных ппаоменных возмущений, в холодной неоднородной иагнитоактивной плазме с током хах в олектростатическом приближении (возмущенное оиектрическое попе считается потенциальным), так и в нешектростатичесхои (с учетом вихревых поправок). Для рассмотрения неолектростатического приближения получен тензор диолек-трической проницаемости для плазменных возмущений.

Рассмотрена произвольная геометрия задачи и получены наиболее общие выражения для инкремента неустойчивостей градиентно-дрейфового типа в ионосферной плазме на высотах областей Еи ? произвольных

ШИРОТ.

3. Теоретически исследована градиентно-дрейфовая неустойчивость о условиях, характерных для Е и F областей среднеширотиой ионосферы, в частности, в условиях среднеширотного спорадичесхого слоя Е. Покапано,--что при несильной вытянутости неоднородностей большую роль играет неустойчивость связишая с членами вида (k -he^Ko • ho) в инкроменте.

3. Проанализированы условия применимости олоктростатичесхого приближения при рассмотрении градиентно-дрейфовой неустойчивости в иоотермнчесхой плазме, и сделан вывод о его хоррехтности при исследовании генерации мелкомасштабных неоднородностей хак для Е, тах и для F областей ионосферы.

4. Теоретически найден и исследован новый механиом неустойчивости ионосферной плазмы, хоторый может рассматриваться как компонента конвергентной неустойчивости, что позволяет уточнить выражение для инкремента последней.

5. Проведено дальнейшее развитие уже известной методики исследования нелинейной стадии развития градиентно-дрейфовой неустойчивости, на основании которой получен принципиально новый вид двумерного, иоо-тропного в плоскости ортогональной к геомагнитному полю пространственного спектра мощности флуктуации олехтронной концентрации -имеющий иолом. Показано, что модифицированная автором нелинейная теория может объяснить целый ряд наблюдаемых охспериментально явлений. В частности, наличие излома спектра на масштабах от нескольких сот метров до десятка километров, а также свяоь спехтраль.чого индекса с амплитудой спектра.

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

Проведено теоретическое исследование свяон пространственных спектров мощности флукту&цнй олехтронной концентрации и олехтрического поля в олехтростатичесхом приближении.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гершыан Б.Н., Понятое A.A. О градиентно-дрейфовой неустойчивости в сре-днеширотном ионосферном спорадическом слое Е. -Иов. вузов. Радиофиоиха, 1987, т. 30, N 6, с. 711-719.

2. Гершман В.П., Понятов A.A. Об опехтромагнитных оффехтах для градиентно-дрейфовой и неустойчивости ионосферном спорадическом слое Е. - Иов. вуооа. Радиофизика, 1987, т. 30 , N 8, с. 1033 - 1040.

3. Понятов A.A. О спектре градиентно-дрейфовой неустойчивости в среднешаротнон области Е ионосферы. - Геомагнетизм и аэрономия, 1083, т. 28, N 1, с. 33 - 39.

2. Гершыал В.Н., Понятов A.A. О сплои пространственных спектров флуктуации електронной концентрации и электрического поля при градиентно-дрейфовой неустойчивости в ионосфере. - Геоыагие-тиом и аороноыия, 1988, т. 28, N 3, с. 490 - 498.

5. Герпшан В.Н., Понятов A.A. Градиентно-дрейфовые неустойчивости ионосферной плаомы. - В кн. Неустойчивости и волновые явления в системе ионосфера - термосфера. Горький: ИПФ АН СССР, 1989, с.145 - 1Б5.

в. Понятое A.A. Спектр неоднородностей в F 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. - В сб. Неоднородная структура ионосферы, Якутск: ЯНЦ СО АН СССР, 1991, с. 27-35.

8. Понятов A.A. О конвергентной неустойчивости в ионосфере. -VHI 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 со распространению радиоволн, теоисы докладов, секция 1, Ульяновск, 1993, с. 3.

10. Понлтов A.A. Конвергентная неустойчивость в ионосфере. - Иов. вуоов. Радиофиоига, 1993, т. 38, N 10, с. 921 - 928.