Тепловая параметрическая турбулентность ионосферной плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Министерство образования России Ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательский радиофизический институт

На правах рукописи

Грач Савелий Максимович

ТЕПЛОВАЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ

Специальность /01.04-03/радиофизика.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нижний Новгород-1998

Работа выполнена в Нижегородском научно-исследовательском радиофизическом институте

Официальные оппоненты: докт. физ.-мат. наук,

профессор Ерохин Н. С.

докт. физ.-мат. наук, профессор .Литвак А. Г.

Ведущая организация:

докт. физ.-мат. наук, профессор Степанов Н. С.

Физический институт РАН

Защита диссертации состоится " 15 " декабря 1998 г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 064.05.01 при Научно-исследовательском радиофизическом институте (НИРФИ). Адрес: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Большая Печерская, 25.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИРФИ.

Автореферат разослан " 12 " ноября 1998 г. Ученый секретарь

диссертационного совета ^^

канд. физ.-мат. наук, с.н.с. Виняйкин Е. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Интерес к проблеме нелинейного взаимодействия электромагнитных полей с плазмой возник достаточно давно в связи с термоядерными исследованиями и разнообразными геофизическими и астрофизическими приложениями. С начала 70-х гг. в США, СССР (затем в России и на Украине) и Западной Европе проводятся интенсивные исследования нелинейных эффектов в ионосфере и магнитосфере Земли, возникающих под действием излучения мощных наземных радиопередатчиков. При этом обнаружен целый ряд новых явлений, важных как для дальнейшего понимания физики нелинейных процессов в плазме, так и для различных практических приложений. Проблема построения физических моделей процессов, происходящих в возмущенной мощным радиоизлучением ионосферной плазме, их теоретическое и экспериментальные исследования представляются поэтому весьма актуальными.

Характер нелинейных явлений в ионосферной пйазме чрезвычайно разнообразен. Изучаются, в частности, самовоздействие и самофокусировка электромагнитных волн, модуляция ионосферных токов и генерация сигналов комбинационных частот, дополнительная ионизация и нарушение ионизационно-рекомбинационного баланса и т. п.

Целый класс нелинейных явлений возникает при приближении частоты воздействующей волны к одной из собственных частот ионосферной плазмы, например к ленгмюровской, когда осцилляции частиц в поле волны попадают в резонанс с собственными колебаниями. Такие явления получили названия параметрических неустойчивостей. Традиционно (в том числе в приложении к ионосферной плазме) изучались параметрические неустойчивости, обусловленные стрикционной нелинейностью. Диссертантом совместно с В. Ю. Трахтенгерцем было показано, что в ионосферной плазме наряду со стрикционными параметрическими неустойчи-востями действует другой, более эффективный механизм возбуждения турбулентности — параметрическая неустойчивость, обусловленная тепловой нелинейностью (тепловая параметрическая неустойчивость, ТПН) ( Изв. вузов. Радиофизика. 1975. Т. 18. С. 1288-1296, [1]). Отметим, что близкий по природе механизм расслоения магнитоактивной столкновительной плазмы, который авторы назвали резонансной неустойчивостью, был независимо предложен В. В. Васьковым и А. В. Гуревичем (ЖЭТФ, 1975. Т. 69. С. 176-178), а впервые на возможность теплового расслоения изотропной плазмы во внешнем электромагнитном поле в области плазменного резонанса указал В. А. Миронов (Изв. вузов. Радиофизика. 1969. Т. 12. С. 1765). Эти работы положили начало новому научному направлению — исследованиям тепловой параметрической турбулентности, — в рамках

которого удается построить непротиворечивую картину явлений, происходящих в ионосферной плазме под воздействием мощного коротковолнового радиоизлучения. Отметим, что в настоящее время число публикаций, посвященных различным экспериментальным проявлениям возбуждения параметрических неустойчивостей в ионосфере и их теоретической интерпретации далеко превышает тысячу. Краткий обзор состояния проблемы дан в первой главе диссертации.

Целью диссертационной работы является исследование физических свойств тепловой параметрической турбулентности (высокочастотных плазменных волн и низкочастотных возмущений плотности), а также таких следствий ее возбуждения, как ускорение электронов и дополнительная ионизация нейтральной компоненты, генерация искусственного радиоизлучения ионосферы, модификация профиля электронной концентрации.

Научную новизну работы характеризуют следующие основные моменты:

• Предложен новый механизм возбуждения турбулентности в столк-новительной магнитоактивной плазме — тепловая параметрическая неустойчивость (ТПН), приводящая к возбуждению плазменных волн и сильно вытянутых вдоль магнитного поля мелкомасштабных неод-нородностей плотности плазмы. Построена линейная и нелинейная (в приближении слабой турбулентности) теория ТПН. Изучены условия возбуждения ТПН в случае частот воздействующей волны (волны накачки, ВН), близких к кратной электронной циклотронной частоте.

• Исслсцовано ускорение электронов при параметрическом нагреве ограниченного; слоя плазмы. Проанализированы условия, при которых такое ускорение приводит к заметной дополнительной ионизации нейтральной компоненты ионосферы, а также к формированию неравновесной функции распределения ускоренных электронов.

• Предложен и разработан механизм генерации искусственного радиоизлучения ионосферы (ИРИ) — двойная трансформация электромагнитных волн, в рамках которого удалось объяснить основные свойства некоторых спектральных компонент ИРИ.

• Экспериментально исследована зависимость структуры стационарных спектров ИРИ от соотношения частоты ВН и гармоник электронной циклотронной частоты, предложено объяснение зависимости интенсивности ИРИ от такого соотношения.

• Теоретически исследована модификация профиля электронной концентрации в ионосфере за счет стрикционного давления плазменных волн, возбужденных в процессе ТПН, и влияние такой модификации

на аномальное ослабление пробных радиоволн. Получено экспериментальное подтверждение теоретически предсказанной зависимости аномального ослабления от частоты пробной волны.

• Обнаружен эффект смены знака индуцированных волной накачки изменений плотности ионосферной плазмы в области возбуждения ТПН при переходе частоты ВН через электронную гирогармоииху.

Научная и практическая ценность. Проведенные исследования расширяют представления о физике нелинейного взаимодействия высокочастотного радиоизлучения с плазмой, о генерации электромагнитного излучения в плазме. Результаты, полученные в диссертации, используются в работах по изучению искусственных ионосферных возмущений, ведущихся в Россия и за рубежом. Они позволили построить физическую картину целого комплекса явлений, возникающих при взаимодействии мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой и связанных с возбуждением тепловой параметрической турбулентности (высокочастотных плазменных волн и вытянутых вдоль магнитного поля неоднороцностей плотности) и различными ее проявлениями, такими как вытеснение плазмы из области локализации плазменных волн, ускорение электронов и дополнительная ионизация нейтральной компоненты, генерация искусственного радиоизлучения ионосферы.

Проведенные исследования открывают новые возможности дистанционной диагностики плазмы по ее излучению. В частности использование численного моделирования п комбинации с измерениями широкополосной компоненты ИРЙ создают возможность изучения параметров турбулентности ионосферной плазмы искусственного и естественного происхождения, а измерения ИРИ вблизи электронных циклотронных гармоник позволяет с высокой точностью измерять концентрацию плазмы и величину магнитного поля.

Личный вклад. Экспериментальные работы, включенные в диссертацию, выполнены в больших авторских коллективах. В диссертации подробно излагаются только те результаты, вклад автора в которые был существенным на всех этапах включая постановку задачи, непосредственно проведение эксперимента, анализ и обсуждение полученных данных, подготовку публикаций. Исключение составляет работа [28], где по инициативе диссертанта был проведен анализ ранее полученных экспериментальных данных. В работе [30] автору принадлежит теоретическая интерпретация результатов, в [23, 24, 29] для сопоставления с результатами численного моделирования использовались экспериментальные данные, полученные Е. Н. Сергеевым и В. Л. Фроловым. Во всех других случаях используемые в диссертации экспериментальные результаты приводятся с соответствую-, щими ссылками на их авторство и приоритетные публикации. Программ-

ное обеспечение для численного моделирования, результаты которого излагаются в диссертации, было разработано М. М. Шварцем.

Апробация результатов. Данная диссертация выполнена в Научно-исследовательском радиофизическом институте. Основное ее содержание опубликовано в работах [1-40] и докладывалось на Генеральных ассамблеях URSI (XXIII, Прага, 1990; XXIV, Киото, 1993; XXV, Лилль, 1996), на Международных Суздальских симпозиумах URSI по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (Суздаль, 1983, 1986, 1991; Уппсала, 1994; Москва, 1998), на Международной школе по физике ионосферы (Сочи, 1987), на Международных летних школах по физике космической плазмы (Нижний Новгород, 1993, 1995, 1997), на XXX и XXXII Научных ассамблеях COSPAR (Гамбург, 1994; Бирменгем, 1996), на на VII Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (Ростов, 1977), на Всесоюзной конференции "Волны в плазме" (Ленинград, 1978), на Всесоюзных и Всероссийских конференциях по-распространению радиоволн (XII, Томск, 1978; XIII, Горький, 1981; XIV, Ленинград, 1984; XV, Алма-Ата, 1987; XVI, Харьков, 1990; XVII, Ульяновск, 1993; XVIII, Санкт-Петербург, 1996), на Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитного излучения с плазмой (Ташкент, 1985), на Всесоюзном симпозиуме "Ионосфера и взаимодействие дехаметровых волн с ионосферной плазмой" (Звенигород, 1989), на научных семинарах НИРФИ, ФИ РАН, ИКИ РАН, Института космической физики (Швеция).

Всего по теме диссертации опубликовано 72 работы, в том числе 1 книга, 28 статей в отечественных и зарубежных научных журналах и тематических сборниках, 35 тезисов докладов в трудах международных и отечественных конференций, симпозиумов и школ, 9 препринтов НИРФИ и Института космической физики (Швеция).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения. Работа содержит 290 страниц основного текста, 81 рисунок на 57 страницах и 26 страниц списка цитируемой литературы (252 названия).

Завершающая часть работы выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 94-02-03253, 96-0218499, 97-02-16397, INTAS-RFBR 95-0434).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дана общая характеристика работы и кратко изложено ее основное содержание.

Первая глава посвящена постановке рассматриваемой проблемы. В разделе 1.1 дан краткий обзор результатов исследований искусственной турбулентности плазмы F-слоя ионосферы, возникающей в поле мощных КВ

радиоволк; определено место задач, рассматриваемых в диссертации, в общем круге проблем. В разделе 1.2 обсуждаются лилейные дисперсионные свойства электромагнитных и плазменных волн в ^-области ионосферы, которые используются в последующих главах работы.

В разделе 1.3 рассматриваются параметрические неустойчивости однородной плазмы с параметрами, близкими к параметрам .Р-слоя ионосферы, возникающие при воздействии на нее высокочастотного электрического поля с частотой, близкой к одной из собственных частот плазмы. В подразделе 1.3.1 обсуждается дисперсионное уравнение для возмущений, связанных с возбуждением потенциального электрического поля, полученное на основе простых гидродинамических уравнений, с учетом как стрик-ционного, так и теплового воздействия ВЧ поля на плазму. Тепловые эффекты являются преобладающими, когда продольные (вдоль магнитного поля) масштабы возмущений превышают длину свободного пробега, поперечные — радиус циклотронного вращения электронов, а характерные времена процесса — время свободного пробега электронов. В противном случае преобладают стрикцнонные эффекты.

В подразделе 1.3.2 кратко обсуждаются стрикционные параметрические неустойчивости, которые могут развиваться в ионосферной плазме: индуцированное рассеяние, апериодическая и распадная неустойчивости. Показано, что в ионосферной плазме, где температуры электронов и ионов близки, распад может эффективно возбуждаться .только в области верхнего гибридного резонанса волны накачки, где волновые векторы возбуждаемых ВЧ и НЧ плазменных волн ортогональны магнитному полю, и поэтому существуют слабозатухающие НЧ плазменные волны (нижнегибридные и ионно-циклотронные). Индуцированное рассеяние и апериодическая неустойчивости, наоборот, более эффективно должны развиваться вблизи точки отражения отражения ВН, где электрическое поле ВН усиливается за счет эффекта разбухания.

В подразделе 1.3.3 изучается параметрическая неустойчивость, обусловленная тепловой нелинейностью (ТПН). При ТПН низкочастотные возмущения плотности образуются путем нагрева плазмы в суммарном попе электромагнитной и плазменной волн и вытеснения плазмы из прогретых областей вследствие процесса термодиффузии. Резко анизотропный характер термодиффузии и теплопроводности в магнитном поле В приводит к тому, что низкочастотные возмущения (мелкомасштабные неоднородности, МН) оказываются сильно вытянутыми вдоль В. Плазменные волны при этом должны распространяться почти поперек В, т. е. ТПН

должна развиваться вблизи уровня верхнего гибридного резонанса ВН, где 2 2 2,2 / ш0 ='<*>„], = о>ре + шсс (здесь шо, а>р<!, и ш„ь — соответственно частота

ВН, плазменная, электронная циклотронная и верхнегибридная частоты).

Определено пороговое поле ТПН, которое оказывается существенно ниже, нем пороги стрикционных неустойчивостей.

Л

Во второй гладе диссертации разрабатывается теория тепловой параметрической неустойчивости в ионосферной плазме.

В разделе 2.1 изучается линейная теория ТПН в неоднородной плазме. В реальных условиях, например в ^-области ионосферы, когда угол между направлениями градиента концентрации и магнитного поля В мал, продольные масштабы неоднородностей /ц сравнимы с масштабом регулярной неоднородности ионосферы Ьц. Кроме того, размер области взаимодействия электромагнитных и плазменных волн оказывается существенно меньшим, чем /ц, что, естественно, приводит к уменьшению эффективности нагрева. В подразделе 2.1.1 сформулированы исходные уравнения задачи. Дисперсионное уравнение ТПН в неоднородной плазме получено й подразделе 2.1.2. Здесь же определен порог ТПН в неоднородной среде, ширина пространственного спектра МН и плазменных волн, возникающих на линейной стадии неустойчивости, проанализирована зависимость инкремента ТПН от интенсивности волны накачки и поперечного масштаба неоднородностей.

Раздел 2.2 посвящен нелинейной теории ТПН в неоднородной плазме (линейный слой). Исходные уравнения теории сформулированы в подразделе 2.2.1. При построений нелинейной теории учитывались следующие факторы: 1) источник нагрева, связанный с взаимодействием плазменных волн между собой; 2) насыщение неустойчивости, обусловленное пространственным затуханием (аномальным ослаблением, АО) волны накачки из-за рассеяния на вытянутых неоднородностях; 3) многократное рассеяние плазменных волн на МН, приводящее к диффузионному растеканию энергии плазменных волн по большому фазовому объему пространственных масштабов. За основу взято приближение слабой турбулентности, когда все возмущения можно представить в виде набора слабо взаимодействующих квазисинусоидальных волн, а также приближение случайных фаз плазменных волн и неоднородностей. В результате в подразделе 2.2.2 для стационарной стадии получены выражения для интенсивности Лп3 и формы спектра МН, спектральной плотности энергии плазменных волн и величины АО волны накачки Гта в зависимости от плотности энергии последней Wй на входе в плазму. Спектр плазменных волн оказйвается существенно более широким, чем спектр МН, однако должен сужаться (а интенсивность плазменных волн — уменьшается) при приближении частоты волны накачки к гармонике шсс за счет бесстолкновительного затухания на границе области существования плазменных волн в к-лространстве. Показано, что имеет место гистерезисный характер зависимости Дп2 от плотности энергии накачки: срыв неустойчивости происходит при мень-

ших И'о, чем ее возбуждение. Порог ТПН в плазме с начальным уровнем флуктуации плотности бпо конечной амплитуды уменьшается с ростом Впо, а при 5п{I > о совпадает с порогом резонансной неустойчивости

— частота электронных столкновений). В подразделе 2.2.3 проводится -краткое сопоставление результатов теоретического рассмотрения с экспериментальными данными. Эдесь же обсуждаются пределы применимости используемого приближения слабой турбулентности и результаты исследований других авторов полученные за рамками такого приближения.

В ионосфере ниже максимума Г-слоя градиенты величины магнитного поля и электронной плотности направлены в противоположные стороны: плотность N нарастает, а величина магнитного поля В уменьшается с высотой г. При достаточно малых углах наклона магнитного поля к вертикали (в средних и высоких широтах) слабая зависимость магнитного поля от высоты 2 оказывает существенное влияние на свойства плазменных волн в области двойного резонанса, когда ш ~ шпь(г) ~ пьзСе(г). В разделе 2.3 рассмотрены свойства плазменных волн и возбуждение ТПН в в области двойного резонанса. При приближении частоты и к двойному резонансу область существования плазменных волн с к 1 В уменьшается как в реальном пространстве, так и в пространстве волновых векторов (подраздел 2.3.1). Для третьей гармоники п = 3 при точном попадании в двойной резонанс и> = и>ць(0) = пшсе(0) решений дисперсионного уравнения для плазменных волн с к 1 В не существует вовсе, а при п — 4 область их существования ограничивается в ионосферной плазме несколькими десятками метров. Рассмотрение, проведенное с учетом продольной составляющей волнового вектора для параметров, типичных для ^-области ионосферы (подраздел 2.3.2), показало, что для частот, близких к двойному резонансу, на плоскости (ы,к±) имеются запрещенные зоны, в которых существование плазменных волн невозможно. Эти зоны расположены при частотах плазменных волн, несколько превышающих частоту двойного резонанса, а размер зон уменьшается с увеличением номера гармоники.

Наличие запрещенных зон в области двойного резонанса в ионосфере служит одной из причин значительного ослабления взаимодействия мощных радиоволн с ионосферной плазмой при и>о ~ пи/Се• Однако, если частота волны накачки выходит за пределы запрещенной зоны, оставаясь при этом близкой к пи се, неоднородность магнитного поля в ионосфере может приводить к обратному эффекту — увеличению эффективности взаимодействия и, следовательно, к снижению порога ТПН за счет уменьшения градиента показателя преломления плазменных волн при УЛГ УВ. Такой эффект рассмотрен в подразделе 2.3.3 диссертации.

В 3-й главе диссертации исследуется ускорение электронов плазменными волнами и дополнительная ионизация Р-областн ионосферы.

При возбуждении тепловой параметрической турбулентности плазменные волны сосредоточены в узкой области вблизи верхнего гибридного резонанса 13Н, а распределение плотности энергии плазменных волн в к-пространстве носит существенно неодномерный характер. Эффективность ускорения электронов в узком слое плазмы во многом определяется временем пролета ими области турбулентности г. При неодномерном распределении плазменных волн частицы в результате взаимодействия с ними многократно меняют направление своего движения (рассеяние электронов на плазменных волнах) и "застревают" в области турбулентности, что приводит к заметному возрастанию т (турбулентное удержание). Ускорение, таким образом, сопровождается изотропизацией функции распределения быстрых электронов. Ускорение электронов плазменными волнами, сосредоточенными в ограниченном слое плазмы и изотропно распределенными в к-пространстве с учетом турбулентного удержания рассмотрено в разделе 3.1. Для условий экспериментов по воздействию мощных радиоволн на ионосферу характерная энергия ускоренных электронов Е* может существенно превышать потенциал ионизации Еу основных нейтральных компонент. Процесс дополнительной ионизации ионосферной пладмы с учетом ускорения вторичных электронов плазменной турбулентностью рассмотрен в разделе 3.2. Здесь проанализирована функция распределения частиц и показано, что существуют пороговые значения плотности энергии плазменных волн IV и (или) размера ускоряющего слоя £, при превышении которых возникает лавинообразное нарастание числа ускоренных до потенциала ионизации электронов. В разделе 3.3 проанализировано влияние упругих столкновений электронов с тяжелыми частицами на рассмотренную неустойчивость. Такие столкновения обеспечивают изотропизацию функции распределения ускоренных частиц эа пределами ускоряющего слоя и их возврат в ускоряющий слой. Время жизни электрона в нем т, таким образом, увеличивается. Это приводит к заметному снижению порога неустойчивости, н полученные пороговые значения IV и Ь становятся близкими к реальным. В разделе 3.4 (подраздел 3.4.1) показано, что стационарный уровень плазменной турбулентности ]У, соответствует порогу неустойчивости и не зависит от начального уровня У?. Здесь же через параметр надпороговости К = У/¡У/, дана оценка стационарной концентрации быстрых частиц .ЛГ», возникших в результате ускорения и ионизации. В процессе ионизации часть вторичных электронов попадает в интервал энергий 0 < Е < те(ио — фазовая скорость плазменных волн). Они не участвуют в процессе ускорения, а пополняют собой фоновую плазму. В подразделе 3.4.2 получены выражения для стационарной добавочной концентрации фоновой плазмы ^¿а ос ТУ», возникшей в результате дополнительной ионизации, сделаны оценки для условий ионосферных эксперимен-

тов.

В разделе 3.5 рассматривается ускорение электронов плазменными волнами при 01 ~ îiwce в ограниченном слое плазмы. В отличие от случая частот, далеких от электронных циклотронных гармоник ("изотропное ускорение"), здесь, во-первых, плазменные волны оказываются "прижатыми" к направлению поперек магнитного поля, k 1 В, и, во-вторых, существенным становится ускорение на кратном циклотронном резонансе (и — писс = /ец1>||), условие которого может выполняться для электронов с достаточно малыми (порядка тепловой скорости Ve) продольными скоростями. При этом знак продольной скорости частицы не меняется в процессе взаимодействия с волнами, и эффект турбулентного удержания оказывается несущественным. В то же время, величина г ~ L/v^ остается достаточной для заметного ускорения, которое происходит в направлении поперек В и приводит к появлению заметной анизотропии функции распределения в области больших энергий, Ejl ~> meV^/2. В разделе 3.6 рассмотрена столкновительная релаксация анизотропной функции распределения надтепловых электронов с Тх Гц во времени (Т — температура, индексы "±" и "||" относятся к направлению магнитного поля). Показано, что в силу характера зависимости частоты электрон-электронных и электрон-ионных столкновений от скорости частиц (и ос и-3) на промежуточной стадии релаксации возникает максимум функции распределения по поперечным ско-

велнчина umtx увеличивается со временем.

4-я глава диссертации посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиям искусственного радиоизлучения ионосферы (ПРИ). ИРИ было обнаружено в эксперименте на стенде в Тромсе в 1981 г (В. Thide, Н. Корка, P. Stubbe, Phys. Rev. Lett., 1982, v. 49. p. 1561) и наблюдается как шумоваи составляющая малой интенсивности (—50 -i—80 дБ) в спектре отраженного от ионосферы сигнала ВН, занимающая полосу частот в несколько десятков (в некоторых случаях до сотен) килогерц. В настоящее apevt известно около десятка спектральных компонент ИРИ. В диссертационной работе рассматриваются компоненты ИРИ, которые генернру-ютя в области тепловой параметрической турбулентности: широкополосная компонента (broad continuum, ВС), главный спектральный максимум (downshifted maximum, DM) и широкополосный максимум ИРИ в области положительных отстроек (broad upshifted maximum, BUM).

Явление, аналогичное ИРИ по своей природе —■ излучение из возмущенной области ионосферы, стимулированное пробным импульсным сигналом с малой средней мощностью ("зазеркальные" сигналы), было обнаружено несколько ранее в эксперименте на стенде "Зименки" [30]. В разделе 4.1 приведено краткое описание этого явления, а также предложена модель его

ростям

масса электрона), причем

интерпретации, связанная с.двойной трансформацией (в плазменные волны и обратно) электромагнитных волн на вытянутых неоднородностях. Здесь же решена задача о двойной трансформации короткого электромагнитного импульса на МН и показано, что в рамках предложенной модели можно объяснить основные качественные особенности появления вторичных электромагнитных сигналов. Это позволило использовать двойную трансформацию кад основу механизма генерации искусственного радиоизлучения ионосферы, а также для диагностики возмущенной области ионосферы.

Раздел 4.2 посвящен исследованиям ВС-компоненты ИРИ, которая представляет собой шумовое излучение в интервале частот /о -(100-120 кГц) < fs < /о с интенсивностью, убывающей с увеличением отстройки Д= /о — fs (fa = ua/2x, fs — частота ИРИ). В подразделе 4.2.1 кратко описаны наблюдаемые свойства ВС и предложена физическая модель генерации этой компоненты, основанная на явлении двойной трансформации с включением промежуточной стадии — формирования широкого частотного спектра плазменных волн за счет их стрикционного нелинейного взаимодействия, в данном случае индуцированного рассеяния на тепловых ионах. Здесь же получено выражение для амплитуды и спектра ВС-компоненты на выходе из области тепловой параметрической турбулентности. В подразделе 4.2.2 результаты численного моделирования ВС-компоненты, основанного на предложенной модели и на эмпирической модели спектральных и динамических характеристик МН (V. L. Frolov, L. М. Erukhimov, S. A. Metelev, and Е. N. Sergeev, J. Atm. Solar-Terr. Phys., 1997, v. 59, pp. -2317-2333, подпункт 4.2.2.1), сравниваются с экспериментом. В процессе моделирования для различных значений мощности накачки Р, in*, интегральной интенсивности МН при Р — 100 MW, индекса спектра МН и др. вычислялись значения интенсивности ИРИ и подбирались значения параметров, обеспечивающие наилучшее согласие с данными эксперимента. В п. 4.2.2.2 представлены результаты исследований поведения ВС-компоненты во времени, в п. 4.2.2.3 — изучена ее зависимость от мощности накачки, в п. 4.2.2.4 — от спектрального индекса. В подразделе 4.2.3 исследуется поведение ВС-компоненты на стадии релаксации плазменных волн после выключения накачки, когда в приближении слабой турбулентности процесс индуцированного рассеяния описывается уравнением простой волны в фазовом пространстве с диссипацией. Показано, в частности, что релаксация ИРИ должна начинаться спустя некоторое время задержки то, которое увеличивается с уменьшением частоты fs- Несомненное согласие с данными эксперимента позволяет рассматривать предложенную модель как адекватную, интерпретировать многие из наблюдаемых эффектов и и скучать роль различных частей спектра МН в генерации ИРИ на различных стадиях воздействия. В подразделе 4.2.4 обсуждаются полученные результаты и

перспективы диагностики параметров искусственной турбулентности ионосферы на основе измерений ИРИ.

В разделе 4.3 исследуются свойства DM-компоненты ИРИ — спектрального максимума, расположенного на частотах ниже волны накачки на отстройках Д~ 7-20 кГц. В подразделе 4.3.1 изложены результаты экспериментальных исследований DM-компоненты (в основном стационарных свойств) при различных частотах ВН. В частности на основе большого массива данных подтверждено, что отстройка высокочастотного края DM-компоненты остается практически неизменной для всех /о и приблизительно равна нижней гибридной частоте /и в F-области ионосферы; определены протяженности интервалов частот накачки вблизи электронных ги-рогармоник Д/oie», в которых DM полностью отсутствовал в спектре ИРИ, в зависимости от номера гармоники п; исследован характер уменьшения интенсивности и изменения формы спектра DM при приближении /о к п/се; доказан каскадный характер возбуждения компоненты 2DM. В подразделе 4.3.2 исследована зависимость инкремента распадной неустойчивости плазменной (верхнегибридной) волны на нижнегибридные и дочерние верхнегибридные волны от частот и взаимного расположения волновых векторов взаимодействующих волн. В подразделе 4.3.3 результаты теоретического рассмотрения сопоставляются с данными эксперимента. На основе сопоставления сделан вывод, что наиболее вероятным механизмом генерации DM является механизм двойной трансформации, при котором распадное взаимодействие формирует частотный спектр ИРИ. Здесь же обсуждаются причины ослабления DM при /о —► п/се, влияние вертикальных движений и горизонтальной неоднородности ионосферы на величину Д/оге», а также возможности измерений магнитного поля и концентрации плазмы с помощью эффекта пропадания DM.

В разделе 4.4 рассматриваются свойства BUM-компоненты ИРИ, существующей при /о nfCe в области положительных отстроек Д/+ = fs — /о — 15 - 200 кГц. В подразделах 4.4.1 и 4.4.2 представлены данные экспериментов по исследованию стационарных и динамических свойств BUM для различных гармоник как на нескольких фиксированных частотах, так и для спектра BUM в целом. В подразделе 4.4.3 на основе результатов большинства выполненных к настоящему времени исследований кратко сформулированы основные наблюдаемые свойства BUM. Здесь же обсуждается возможный механизм формирования спектра плазменных волн coi > ljo, ответственных за генерацию BUM в схеме двойной трансформации, который связан с циклотронной неустойчивостью электронов, ускоренных плазменными волнами CU^Ug.

В разделе 4.5 исследована зависимость структуры спектра ИРИ в целом от /о. При этом выяснилось, что имеет место зависимость структуры

стационарных спектров от соотношения /о и nfcc практически во всем диапазоне рабочих частот стенда "Сура", от 4300 до 9500 кГц (п = 3,4,5,6,7), причем изменение /0 на ~ (0.01-0.1)/се вблизи гирогармоник и на ^ 0.3/се между гармониками приводит к существенным изменениям спектров, и наблюдается повторяемость зависимости вида спектров ИРИ от величины /о —пfee при различных номерах гармоники п (подраздел 4.5.1). В подразделе 4.5.2 исследуется влияние нелинейного взаимодействия верхнегибридных и электронных бернштейновских волн на формирование обнаруженной зависимости.

В заключительном разделе главы (4.6) кратко обсуждаются полученные в гладе результаты, подчеркивается связь рассмотренных спектральных компонент ИРИ с возбуждением тепловой параметрической турбулентности и ключевые моменты схемы двойной трансформации, предложенной в качестве механизма генерации этих компонент.

5-я глава диссертации посвящена исследованиям модификации профиля электронной концентрация в ионосфере при возбуждении тепловой параметрической турбулентности.

В разделе 5.1 рассмотрена задача о стационарных параметрах плазмы и плазменной турбулентности на развитой стадии ТПН с учетом стрикцион-ного вытеснения плазмы из области локализации плазменных волн, обсуждается влияние такого вытеснения на аномальное ослабление, а также некоторые другие экспериментальные следствия такого явления. В подразделе 5.1.1 показано, что при некоторых параметрах тепловой параметрической турбулентности за счет стрикционного вытеснения величина dN/dz —» оо, и на профиле электронной концентрации в ионосфере может возникать скачок. В подразделе сформулированы уравнения задачи с учетом результатов, полученных в главе 2 для плотности энергии плазменных волн и формы спектра мелкомасштабных неоднородностей. В подразделе 5.1.2 численно и приближенно аналитически найден модифицированный профиль N(z). Показано, что при достаточно большой плотности энергии волны накачки вблизи ее верхнего гибридного резонанса существует интервал высот, где каждому фиксированному значению z соответствует три возможных значения концентрации Ni > N3 > N2, причем промежуточное состояние с N = N3 неустойчиво, поскольку квадрат скорости звука для него отрицателен. Переход между устойчивыми состояниями Ni и N2 при z = const должен осуществляться скачком. Ниже скачка устанавливается плато — область, где градиент концентрации оказывается существенно меньше, чем в немодифицированном слое. В рамках рассмотренной стационарной задачи не удается, однако, однозначно определить положение скачка на соответствующем интервале высот. В подразделе определены возможные позиции и параметры скачка, величины полного аномального ослабления Гт и

плотности энергии плазменных волн в зависимости от Ап2 и положения скачка. Показано, что при непрерывном изменении мощности накачки может иметь место гистерезисная зависимость Гт(И'о). В подразделе 5.1.3 в тех же приближениях, что и в разделе 2.2, определена зависимость Ап3 ,от \У0 и положения скачка в модифицированном слое. Зависимость Дп'(И'о) оказывается более резкой, чем в линейном слое, по крайней мере для максимальных значений перепада концентрации в скачке. В то же время, зависимость Гто(^о) (эта величина измеряется на эксперименте) оказывается существенно более медленной. В подразделе 5.1.4 вычислен коэффициент отражения пробной электромагнитной волны от скачка плотности. Такое отражение может служить причиной появления "дозеркальных" сигналов, наблюдавшихся в экспериментах [30]. В подразделе 5.1.5 полученные результаты обсуждаются, в частности, в свете существующих экспериментальных данных.

В разделе 5.2 рассмотрена зависимость АО пробных волн Гтр от их частоты / при / к /о. Поскольку рассеяние электромагнитной волны на МН наиболее эффективно в области плато (здесь плазма "более однородна") и отсутствует при плотностях плазмы N2 < N < N1 (область скачка), а при фиксированном N масштаб неоднородности, на которой происходит рассеяние, зависит от частоты /, существует характерная зависимость Гтр от /: Гтр(/ > /о) < Гт(/о) < ГтР(/ < /о), которая в ионосферных экспериментах должна проявляться при |/ — /о| < 20 кГц (подраздел 5.2.1). В подразделе 5.2.2 представлены данные экспериментов, из которых следует, что зависимость АО от частоты пробных волн, полученная теоретически, действительно имеет место на эксперименте, и, кроме того, соответствующим подбором параметров модельных расчетов удается достичь неплохого количественного согласия теории с экспериментом.

Наряду с уменьшением N вследствие вытеснения плазмы из области локализации плазменных волн, существует увеличение N за счет ионизации основных нейтральных компонент ускоренными электронами. Результирующий знак изменения N зависит, естественно, от того, какой из эффектов преобладает. В разделе 5.3 представлены результаты исследований модификации профиля электронной концентрации в ионосфере под воздействием мощного радиоизлучения с частотами /о ~ п/се методом многочасто!ного допплеровского зондирования, выполненных одновременно с измерениями аномального ослабления пробных волн и искусственного радиоизлучения ионосферы. В подразделе 5.3.1 описана методика проведения эксперимента, в частности указывается, что уменьшение частоты пробной волны пр! отражении от ионосферы соответствует уменьшению концентрации плазмы, а рост частоты — ее увеличению. В подразделе 5.3.2 представлены полученные результаты. Обнаружено, что при Уо п/с« изменения концен-

трации плазмы также, как величины аномального ослабления и обратного времени его развития минимальны, что обусловлено ослаблением взаимодействия мощных радиоволн с ионосферной плазмой при таких частотах. При /о > n/се для всех высот отражения ВН гц также, как при /о < п/се для zr & 220 км, вытеснение плазмы преобладает, тогда как при /о < п/се и zr ^ 220 км в области верхнего гибридного резонанса ВН преобладает дополнительная ионизация. В подразделе 5.3.3 на основе данных эксперимента сделаны оценки изменений плотности плазмы в области верхнего гибридного резонанса, а также оценки энергетических потерь ускоренных электронов на неупругие соударения, включая ионизирующие, в случае преобладания дополнительной ионизации. Показано, что минимальные потери энергии имеют место при ускорении плазменными волнами относительно небольшой группы электронов N^/N ~ Ю-4 до энергий порядка 15 эВ. При этом расход энергии ускоренных частиц составляет ~ 40% от поступающей энергии накачки. Обсуждаются возможные причины преобладания дополнительной ионизации при /о < п/се, связанные с возбуждением бернштей-новсих волн.

В Заключении сформулированы основные результаты работы. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Предложен новый механизм турбулизации магнитоактивной плазмы в высокочастотном поле мощной электромагнитной волны — тепловая параметрическая неустойчивость (ТПН). При ТПН плазменные волны возникают в результате рассеяния (трансформации) электромагнитной волны на сильно вытянутых вдоль магнитного поля неоднородностях плотности плазмы. Последние образуются вследствие нагрева электронов в суммарном поле электромагнитной и плазменной волн и последующего вытеснения плазмы из прогретых областей из-за процессов термодиффузии. Пороговые поля ТПН в однородной плазме оказываются существенно ниже порога стрикционных параметрических неустойчивостей.

2. Для случая регулярно неоднородной плазмы найдены пороги ТПН и проанализирована зависимость ее инкремента от поперечного магнитному полю масштаба неоднородностей. В приближении слабой турбулентности в неоднородной плазме проанализирована нелинейная стадия ТПН. Для стационарной турбулентности получены выражения для величины ано-малишго ослабления волны накачки, связанного с рассеянием на неоднородностях, пространственного спектра интенсивности неоднородностей и плазменных волн в зависимости от плотности энергии накачки на входе в плазму И'о. Характерная ширина спектра МН определяется поперечной к мапитному полю электронной теплопроводностью, к* ~ Спектр

плазменных волн оказывается существенно шире, и основная доля энергии сосредоточена в области масштабов кре ~ 1. Показано, что имеет место гистерезиснын характер зависимости интенсивности МН от плотности энергии накачки: срыв неустойчивости происходит при меньших ДОо, чем ее возбуждение.

3. Показано, что в ионосфере ниже максимума Р-слоя, где градиенты величины магнитного поля и электронной плотности антипараллельны, при приближении частоты плазменных волн к двойному резонансу область существования плазменных волн с к 1 В уменьшается как в реальном пространстве, так и в пространстве волновых векторов, и на плоскости (а>, к±) появляются запрещенные зоны, в которых существование плазменных волн невозможно. Наличие таких зон в области двойного резонанса в ионосфере служит одной из причин значительного ослабления взаимодействия мощных радиоволн с ионосферной плазмой при шо ~ пи„. Определена частотная полоса запрещенных зон в зависимости от п. Если частота волны накачки выходит за пределы запрещенной зоны, оставаясь при этом близкой к пи се, эффективность взаимодействия, наоборот, увеличивается, что приводит к снижению порога тепловой параметрической неустойчивости.

4. На основе кинетического уравнения в квазилинейном приближении рассмотрено ускорение электронов в области тепловой параметрической турбулентности. Характерная энергия ускоренных электронов оказывается существенно больше потенциала ионизации основных нейтральных компонент. Показано, что ускорение электронов, возникших в результате дополнительной ионизации, приводит при превышении некоторого порога по интенсивности плазменных волн и (или) размеру области турбулентности к лавинообразному нарастанию нх концентрации. Стабилизация неустойчивости связана с насыщением плотности энергии плазменных волн на пороговом уровне, что позволяет определить стационарную концентрацию ускоренных частиц и добавочную концентрацию фоновой плазмы. К дополнительному снижению порога неустойчивости приводит возврат электронов в ускоряющий спой за счет упругих столкновений с тяжелыми частицами за его пределами.

Показано, что при о> ~ пшсе в результате ускорения должна возникать функция распределения быстрых электронов с существенной поперечной анизотропией, а ее релаксация за счет столкновений с заряженными частицами за пределами ускоряющего слоя приводит к появлению максимума по поперечным скоростям на хвосте функции распределения.

5. Предложен механизм генерации ИРИ в области тепловой параметрической турбулентности: двойная трансформация электромагнитных волн (в плазменные волны и обратно) на мелкомасштабных вытянутых неод-нородностях, в рамках которого удается объяснить основные наблюдае-

мые свойства "зазеркальных" сигналов, возникающих при зондированиии области пробными волнами. Этот механизм с включением промежуточной стадии — формирования спектра плазменных волн за счет их нелинейного взаимодействия между собой —■ позволяет интерпретировать ряд спектральных компонент ИРИ. Различный частотный спектр'компонент ИРИ определяется при этом различными механизмами взаимодействия плазменных .(верхнегибридных) волн: индуцированное.рассеяние на ионах для ВС, трехволновое взаимодействие верхне- и нижнегибридных волн для БМ (2БМ, ИМ), циклотронная неустойчивость быстрых электронов'на двойном резонансе для В11М, неравновесная функция распределения которых формируется в результате ускорения электронов в области турбулентности.

6. Для ВС-компоненты ИРИ в рамках предложенного механизма получено выражение для спектральной плотности потока энергии излучения на выходе из области турбулентности. Проведенное численное моделирование с использованием эмпирической модели спектра МН продемонстрировало несомненное согласие с данными эксперимента и позволило дать интерпретацию многих наблюдаемых свойств ВС. В частности, показано, что появление максимумов ИРИ во времени на стадиях развития и релаксации МН (overlhootr■эффeí.'т) связан с балансом вклада МН различных масштабов (и, следовательно, имеющих различные времена развития и релаксации) в трансформацию плазменных волн в электромагнитные и в аномальное ослабление выходящего излучения, а времена задержки начала релаксации ИРИ после выключения ВН (большие для меньших частот) объясняются перекачкой энергии плазменных волн в область низких частот в процессе индуцированного рассеяния. Использование численного моделирования в комбинации с измерениями ИРИ создает возможность построения диагностики параметров области тепловой параметрической турбулентности, возникающей в ^-области ионосферы под воздействием мощного радиоизлучения.

7. Показано, что инкремент распадного взаимодействия верхнегибридных и нижнегибридных волн, привлекаемого для интерпретации формирования спектра плазменных волн при генерации Б М-компоненты, имеет два максимума на частотах иц ~ 1.1ыц1 и ~ 1.5ш)ь (и>ц, — нижнегибридная частота). Позиция второго максимума, соответствует наблюдаемому положению ОМ в спектре ИРИ и отвечает локальному минимуму затухания Ландау нижнегибридных волн.

8. Экспериментально исследованы свойства спектральных компонент ИРИ БМ и ВиМ, а также структра спектра ИРИ в целом в завсимости от частоты волны накачки /о. Показано, что наблюдается повторяемость зависимости вида спектров ИРИ от величины /о — п/сс при различных номерах гармоники п, а при изменении /о между п/се и (п + 1)/се можно условно выделить пять областей частоты накачки, где спектры ИРИ носят

различный характер: 1) "резонансная область" /о ~ пfcc, где компоненты ВС, DM и BUS (broad upshifted structure) в спектре ИРИ отсутствуют, а BUM имеет низкую интенсивность; 2) область "над гармоникой", где в спектре ИРИ присутствуют интенсивные DM (часто 2DM и 3DM) и BUM компоненты; 3) область "сильного излучения", где в спектре ИРИ присутствует DM, ВС и BUS с высокой интенсивностью; 4) область "слабого излучения", где компонента BUS исчезает, а интенсивность DM и ВС значительно уменьшается; 5) область "под гармошкой", где вновь нарастает интенсивность DM и ВС. Предложена интерпретация зависимости интенсивности ИРИ от /о в областях 3-5, связанная с характером нелинейного взаимодействия верхнегибридных и беркштейновских полн. Показано, что ширина резонансной области заметно уменьшается с номером гармоники и приблизительно совпадает с шириной запрещенных зон в области двойного резонанса при 0.1 к±рп 0.2. Эффект пропадания DM при /о « nfce создает возможность дистанционных измерений Магнитного поля и плотности плазмы с высокой точностью (вплоть до SB ~ 10~5 и SN ~ Ю-3).

9. Показано, что вытеснение плазмы из области верхнего гибридного резонанса волны накачки, обусловленное стрнкционным давлением плазменных волн, приводит к образованию ступенеобразного (плато и скачок) профиля электронной концентрации. Определены возможные положения скачка на профиле, значения перепада концентрации в скачке и размеры плато. Модификация профиля существенно влияет на свойства тепловой параметрической турбулентности, в частности, на характер зависимости интенсивности МН от мощности ВН, на аномальное ослабление BII Г,„. Величина Гт зависит от положения скачка на профиле, причем наименьшие значения соответствуют нижнему положению скачка, а наибольшие — верхнему. В модифицированном слое существенно увеличивается вклад мелкомасштабной части спектра МН в АО, а зависимость величины АО от Wo становится более медленной. Появляются гнстерезисная зависимость величины АО от Wo и дополнительное отражение электромагнитных волн от скачка плотности плазмы. Экспериментально подтверждена найденная теоретическая зависимость аномального ослабления пробных ВОЛН 1 trtj» ОТ их частоты /, когда Гтр(/ > /о) < Гт(/0) < Гтр(/ < /о).

10. Обнаружен и проанализирован эффект смены знака изменений концентрации плазмы, индуцированных волной накачки, в области верхнего гибридного резонанса при переходе /о через п/се, когда для частот /о < п/се преобладает дополнительная ионизация ускоренными электронами, а при /о > п/се — вытеснение плазмы из области ВГР. При /о ~ то/се возмущения концентрации минимальны, так же как величины аномального ослабления и обратного времени его развития.

СЛИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

[1] Гран С. М,, Трахтенгерц В. Ю. О параметрическом возбуждении ионосферных неоднородностей, вытянутых вдопь магнитного поля. Изв. вузов. Радиофизика, 1975, Т. 18. С. 1288-1296.

[2] Грач С. М. О параметрической неустойчивости ОНЧ волн в верхней ионосфере. Изв. вузов. Радиофизика, 1975, Т. 18. С. 1627-1637.

[3] Грач С. М., Коробков Ю. С., Юрин К. И. Сопоставление результатов нелинейного воздействия на F-слой ионосферы на частотах 5.75 и 1.34 МГц. Изв. вузов. Радиофизика, 1975, Т. 18. С. 1064 -1065.

[4] Грач С. М., Караштин А. Н., Митяков Н. А., Рапопорт В. О., Трахтен-герц В. Ю. Параметрическое взаимодействие электромагнитного излучения с ионосферной плазмой. Изв. вузов. Радиофизика, 1977, Т. 20. С. 1827-1833.

[5] Грач С. М., Караштин А. Н., Митяков Н. А., Рапопорт В. О., Трах-тенгерц В. Ю. К теории тепловой параметрической неустойчивости в неоднородной плазме. Физика плазмы. 1978. Т. 4. С. 1321-1329.

[6] Грач С. М., Караштин А. Н., Митяков Н. А., Рапопорт В. О., Трахтен-герд В. Ю. Тепловая параметрическая неустойчивость в неоднородной плазме (нелинейная теория). Физика плазмы. J978. Т. 4. С. 1330-1340.

[7] Грач С. М., Митяков Н. А., Рапопорт В. О., Трахтенгерц В. Ю. Тепловая параметрическая неустойчивость в ионосферной плазме. В кн.: "Тепловые нелинейные явления в плазме", ИПФ АН СССР, Горький, 1979, 46 - 80.

[8] Грач С. М. Тепловая параметрической неустойчивость в ионосферной плазме на частотах, близких к и>н и 2ад. Изв. вузов. Радиофизика, 1979, Т. 22. С. 521-530.

[9] Грач С. М., Поляков С. В., Рапопорт В. О. О влиянии рекоМбинаци-■ онных процессов и неизотермичности ионосферной плазмы на тепловую параметрическую неустойчивость. Изв. вузов. Радиофизика, 1979, Т. 22. С. 711-715.

[10] Grach S. М., Mityakov N. A., Rapoport V. О., Trakhtengertz V. Yu. Thermal parametric turbulence in a plasma. Physica 2D, 1981, pp. 102106.

[11] Грач С. M., Митяков Н. А., Трахтенгерц В. Ю. Ускорение электронов при параметрическом нагреве ограниченного слоя плазмы. Изв. вузов. Радиофизика, 1984. Т. 27. С. 1086-1101.

.[12] Грач С. М. Об электромагнитном излучении искусственной плазменной турбулентности ионосферы. Изв. вузов. Радиофизика. 1985. Т. 28. С. 684-09.!.

[13] Грач С. М., Митякоп Н. А., Трахтенгерц В. Ю. Ускорение электронов и дополнительная ионизация при параметрическом нагреве плазмы. Физика плазмы. 1986. Т. 12. С. 693-701.

[14] Грач С. М., Митяков Н. А., Шварц М. М. Скачок плотности плазмы на развитой стадии тепловой параметрической неустойчивости. Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т. 29. С. 500-596.

[15] Грач С. М., Шварц М. М. О влиянии искажений профиля в области верхнего гибридного резонанса на аномальное ослабление электромагнитных волн, Геомагнетизм и аэрономия. 1990. Т. 30. С. 1008 - 1010.

[16] Митяков Н. А., Грач С. М., Митяков С. Н. "Возмущение ионосферы мощными радиоволнами." Итоги науки и техники, Серия: Геомагнетизм и высокие слон атмосферы, М., ВИНИТИ, 1989.

[17] Bernhardt P. A., Scales W. A., Grach S. М., Karashtin A. N., Kotik D. S., Polyakov S. V. Excitation of artificial airglow by high power radio waves from the "Sura" ionospheric heating facility, Geophys. Res. Lett., 1991, v.18, pp. 1477-1480.

[18] Leyser Т. В., Thide В., Goodman S., Waldenvik M., Veszelei E., Grach S. M., Karashtin A. N., Komrakov G. P., and Kotik D. S. Narrow cyclotron harmonic absorption resonances of stimuluted electromagnetic emission in the ionosphere. Pliys. Rev. Lett, 1992, v. 68, pp. 3299-3302.

[19] Leyser Т. В., Thide В., Waldenvik M., Goodman S., Frolov V. L., Grach S. M., Karashtin A. N., Komrakov G. P., Kotik D. S. Spectral structure of stimulated electromagnetic emission between electron cyclotron harmonics, J. Geophys. Res., 98, 17597-17606, 1993.

[20] Leyser Т. В., Thide В., Waldenvik M., Veszelei E., Frolov V. L., Grach S. M., Komrakov G. P. Downshifted maximum features in stimulated electromagnetic emission spectra. J. Geophys. Res., 1994, v. A99. pp. 19555-19568.

[21] Грач С. M., Тиде Б., Лейзер Т. Плазменные волны в ионосфере вблизи уровня двойного резонанса. Изв. вузов. Радиофизика. 1994. Т. 37. С. 617-633. ,

[22] Шварц М. М., Грач С. М., Сергеев Е. Н., Фролов В. JI. Моделирование широкополосной компоненты искусственного радиоизлучения ионосферы. Изв. вузов. Радиофизика, 1994, Т. 37. С. 647-673.

[23] Shvarts M. M., Grach S. M., Frolov V. L., Setgeev E. N.. On the generation of the stimulated electromagnetic emission: the computer simulation results, Advances in Space Research, 1995, v. 15, pp. (12)59-(12)62.

[24] Sergeev E. N., Frolov V. L., Grach S. M., Shvarts M. M. Investigations of artificial HF plasma turbulence features using stimulated electromagnetic emission, Advances in Space Research, 1995, v. 15, pp. (12)63-(12)66.

[25] Фролов В. JI., Гран С. М-, Ерухимов Л. М., Комраков Г. П., Сергеев Е. Н., Тиде В., Кароази Т. Исследование особенностей развития широкополосного максимума ИРИ (BUM). Изв. вузов. Радиофизика. 1996, Т. 39. С. 352-671.

[26] Grach S. М., Komrakov G. P., Yurishchev М. A., Thide В., Leyser Т. В., Carozzi Т., Multifrequency doppler radar observation of electron gyroharmonic effects during electromagnetic pumping of the ionosphere, Phys. Rev. Lett., 1997, v. 78, pp. 883-886.

[27] Shvarts M. M., and Grach S. M., Interaction of upper and lower hybrid waves and generation of DM feature stimulated electromagnetic emission, J. Atm. Sol.-Terr. Phys., 1997, v. 59, pp. 2421-2429. г

[28] Грач С. M., Комраков Г. П., Шварц М. М., Юрищев М. А. О зависимости аномального ослабления пробных волн от частоты при воздействии мощным радиоизлучением на ионосферу. Изв. вузов. Радиофизика. 1998. Т. 41. С. 966-678. !

[29] Grach S. М., Shvarts М. М., Sergeev Е. N., and Frolov V. L., Broad continuum feature of stimulated electromagnetic emission, J. Atm. Terr. Phys., 1998, v. 60, pp. 1233-1246. "

[30] Беликович В. В., Бенедиктов Е. А., Грач С. М., Терина Г. И. Двойная трансформация волн при рассеянии на искусственных ионосферных неоднородностях. Тезисы докладов на XIII Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. Ч. I. М.: Наука, 1981. С. 107-109.

[31] Грач С. М., Метелев С. А., Шварц М. М. Об интерпретации результатов измерений искусственного радиоизлучения ионосферы. В кн.: Модификация ионосферы мощным радиоизлучением. (Материалы Меж-дунар. симпоз., Суздаль, 1986). М.: ИЗМИРАН, 1986. С. 86-87.

[32] Грач С. М., Кириллов А. А. Возбуждение потенциальных ионно-циклотронных1 волн при воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением. Тезисы докладов на XV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. Алма-Ата. М.: Наука, 1987. С. 117.

[33] Komrakov G. P., Grach S. М., Yurishchev М. A., Karashtin A. N., Kotik D. S., Thide В., Leyser Т. В., Waldenvik М., Veszelei Е.,

Ionospheric modification by powerful radio waves near cyclotron harmonics: Observations by different diagnostic tools, XXIVth General Assembly of the International Union of Radio Science, Abstracts, Kyoto, 1993, p. 398.

[34] Grach S. M., Theoretical analysis of stimulated electromagnetic emission spectral features in comparison with experimental data, IV Suzdal URSI Symposium on Artificial Modification of the Ionosphere, August 15-20, Uppsala, Sweden, Abstracts, 1994, 23.

[35] Shvarts M. M., Grach S. M., Frolov V. L., Sergeev E. N., Computer simulations of the broad continuum feature of the stimulated electromagnetic emission, IV Suzdal URSI Symposium on Artificial Modification of the Ionosphere, August 15-20, Uppsala, Sweden, Abstracts, 1994, pp. 73-74.

[36] Grach S. M., Frolov V. L., Sergeev E. N., Komrakov G. P., Thide В., Carozzi Т., Some new results on the spectral structure of stimulated electromagnetic emissions. Second Volga International Summer School on Space Plasma Physics, 13-21 June 1995, Abstracts, p. 38.

[37] Grach S. M. SEE spectral features: physical models and experimental evidences. XXVth General Assembly of the International Union of Radio Science, Abstracts, Lill, 1996, p. 704.

[38] Grach S. M., Kinetic effects in the modified volume of the ionosphere. Vth Suzdal URSI Symposium on the Modification of Ionosphere ISSMI'98, Book of Abstracts. Suzdal, August 26-29, 1998, pp. 5-6.

[39] Grach S. M., Shvarts M. M., Interaction between upper hybrid and Bernstein vaves and SEE dependence on the pump frequency, Vth Suzdal URSI Symposium on the Modification of Ionosphere ISSMI'98, Book of Abstracts. Suzdal, August 26-29, 1998, p. 39.

[40] Grach S. M., Fridman V. M., Podstrigach T.S., Snegirev S. D., Vybor-nov F. I. First observations of stimulated electromagnetic emissions of ionosphere in decimeter wavelength range. Vth Suzdal URSI Symposium on the Modification of Ionosphere ISSMI'98, Book of Abstracts. Suzdal, August 26-29, 1998, pp. 38.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ.

1.1. Искусственная турбулентность ионосферной плазмы в поле мощных КВ радиоволн (краткий обзор).

1.2. Электромагнитные и плазменные волны в Р-области ионосферы.

1.3. Параметрические неустойчивости в верхней ионосфере. Случай однородной плазмы. ч

1.3.1. Дисперсионное уравнение параметрической неустойчивости. ' . 1.3'.2. Стрикционные параметрические неустойчивости. 1.3.3. Тепловая параметрическая неустойчивость.

2. ТЕПЛОВАЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ В ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ.

2.1. Линейная стадия ТПН в неоднородной плазме. *,

2.1.1. Исходные уравнения. I

2.2.2. Анализ линейной стадии ТПН.

2.2. Нелинейная стадия ТПН в неоднородной плазме.

2.2.1. Исходные уравнения, приближение случайных фаз.

2.2.2. Стационарная тепловая параметрическая турбулентность.

2.2.3. Обсуждение результатов.

2.3. Плазменные волны и тепловая параметрическая неустойчивость в неоднородной ионосфере вблизи уровня двойного резонанса.

2.3.1. Неоднородная среда, поперечное распространение плазменных волн.

2.3.2. Неоднородная среда, наклонное распространение плазменных волн.

2.3.3. О развитии ТПН при ш ~ ио»Се.

3. УСКОРЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ И ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИОНИЗАЦИЯ ^-ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ ТЕПЛОВОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ. '

3.1. Ускорение электронов при параметрическом нагреве ограниченного слоя плазмы.

3.2. Дополнительная ионизация ускоренными электронами при параметрическом нагреве. ¡..

3.3. О влиянии соударений на ускорение электронов и дополнительную ионизацию.

3.4. Оценка интенсивности плазменных волн, концентрации быстрых частиц и степени дополнительной ионизации в стационарном состоянии.

3.4.1. Плазменные волны н концентрация быстрых частиц.

3.4.2. Дополнительная ионизация в стационарном состоянии.

3.5. Об ускорении электронов при модификации ионосферы с частотами й>0 И ПО) се.

3.6. С релаксации анизотропной функции распределения в столкно-вителыюй плазме.

4. ИСКУССТВЕННОЕ РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ ИОНОСФЕРЫ.

4.1. Двойная трансформация пробных радиоволн на вытянутых мелкомасштабных неоднородностях и генерация "зазеркальных" сигналов.

4.2. Широкополосная компонента ИРИ (broad continuum).

4.2.1. ВС-компонента ИРИ: наблюдаемые свойства и теоретическая модель.

4.2.2. Численное моделирование ВС компоненты.

4.2.2.1. Эмпирическая модель спектра вытянутых мелкомасштабных неоднородностей.

4.2.2.2. Поведение ВС-компоненты во времени и его интерпретация.

4.2.2.3. Зависимость интенсивности ВС-компоненты от мощности накачки.

4.2.2.4. Зависимость интенсивности ВС-компоненты от индекса спектра интенсивности неоднородностей.

4.2.3. ВС-компонента на стадии релаксации плазменных волн.

4.2.4. Обсуждение результатов.

4.3. Главный спектральный максимум (downshifted maximum) ИРИ.

4.3.1. Экспериментальные результаты.

4.3.2. Взаимодействие верхне- и нижнегибридных волн и генерация DM.

4.3.3. Обсуждение результатов.

4.4. Широкополосный максимум (broad upshifted maximum) ИРИ в области положительных отстроек.

4.4.1. Спектральные характеристики BUM.

4.4.2. Динамика BUM па фиксированных частотах.

4.4.3. Обсуждение результатов. О возможной модели генерации BUM.

4.5. Зависимость структуры спектров ИРИ от соотношения частоты какачки к электронных циклотронных гармоник.

4.5.1. Экспериментальные результаты.

4.5.2. О влиянии нелинейного взаимодействия верхнегибридных и электронных бернштейновских волн на зависимость интенсивности ИРИ от соотношения шо и ташсе.

4.6. Заключительные замечания.

5. МОДИФИКАЦИЯ ПРОФИЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ

В ИОНОСФЕРЕ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ ТЕПЛОВОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ.

5.1. "Ступенька" на профиле электронной концентрации при развитии ТПН.

5.1.1. Исходные уравнения.

5.1.2. Расчет модифицированного профиля электронной концентрации.

5.1.3. Зависимость интенсивности МН и аномального ослабления от мощности ВН в модифицированном слое.

5.1.4. Отражение электромагнитных волн от скачка электронной концентрации.

5.1.5. Обсуждение результатов.

5.2. О зависимости аномального ослабления пробных волн от частоты.

5.2.1. Расчет влияния "ступеньки" на профиле на аномальное ослабление пробных волн.

5.2.2. Экспериментальные исследования зависимости аномального ослабления пробных волн от частоты и сопоставление данных с результатами модельных расчетов.

5.2.3 Обсуждение результатов.

5.3. Исследование возмущенной области ионосферы при и>о ~ пшсе с помощью многочастотного допплеровского зондирования.

5.3.1. Методика эксперимента.

5.3.2. Результаты эксперимента.

5.3.3. Обсуждение результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Подписано в печать 27.10.1998 г. Формат 60 х 84/16. Бумага писчая. Объем 1.92 усл.п.л. Захао 5477. Тираж 100.

1Л " Vя 111

НИЖЕГОРОДСКИЙ Э^ЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИИ / РАДИОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (НИРФИ)

Министерства общего и профессионального образования РФ

77 ? >,

? / -V

На правах рукописи

Грач Савелий Максимович

ТЕПЛОВАЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ ИОНОСФЕРНОЙ

ПЛАЗМЫ

Специальность - 01.04.03 - Радиофизика

Диссертация

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нижний Новгород - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................7

1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ..............................28

1.1. Искусственная турбулентность ионосферной плазмы в поле мощных КВ радиоволн (краткий обзор)..................................................28

1.2. Электромагнитные и плазменные волны в .Р-области ионосферы......................................42

1.3. Параметрические неустойчивости в верхней ионосфере. Случай однородной плазмы...................54

1.3.1. Дисперсионное уравнение параметрической неустойчивости......................................54

1.3.2. Стрикционные параметрические неустойчивости ...................................................56

1.3.3. Тепловая параметрическая неустойчивость..........60

2. ТЕПЛОВАЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ В ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ.....................63

2.1. Линейная стадия ТПН в неоднородной плазме......... .63

2.1.1. Исходные уравнения.................................64

2.1.2. Анализ линейной стадии ТПН .......................68

2.2. Нелинейная стадия ТПН в неоднородной плазме........72

2.2.1. Исходные уравнения, приближение случайных

фаз...................................................72

2.2.2. Стационарная тепловая параметрическая турбулентность ..........................................82

2.2.3. Обсуждение результатов............................89

2.3. Плазменные волны и тепловая параметрическая неустойчивость в неоднородной ионосфере вблизи уровня двойного резонанса..............................93

2.3.1. Неоднородная среда, поперечное распространение плазменных волн..............................93

2.3.2. Неоднородная среда, наклонное распространение плазменных волн................................99

2.3.3. О развитии ТПН при и ~ пшсе.....................110

3. УСКОРЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ И ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИОНИЗАЦИЯ ^-ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ

ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ ТЕПЛОВОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ..........................115

3.1. Ускорение электронов при параметрическом нагреве ограниченного слоя плазмы..................... 116

3.2. Дополнительная ионизация ускоренными электронами при параметрическом нагреве...................123

3.3. О влиянии соударений на ускорение электронов и дополнительную ионизацию...........................130

3.4. Оценка интенсивности плазменных волн, концентрации быстрых частиц и степени дополнительной ионизации в стационарном состоянии............134

3.4.1. Плазменные волны и концентрация быстрых частиц.............................................134

3.4.2. Дополнительная ионизация в стационарном состоянии ............................................136

3.5. Об ускорении электронов при модификации ионосферы с частотами а;о ~ пш^..........................138

3.6. О релаксации анизотропной функции распределения в столкновительной плазме.......................146

4. ИСКУССТВЕННОЕ РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ ИОНО-.....154

СФЕРЫ..............................................

4.1. Двойная трансформация пробных радиоволн на

вытянутых мелкомасштабных неоднородностях и генерация "зазеркальных" сигналов...................154

4.2. Широкополосная компонента ИРИ (broad continuum).............................................165

4.2.1. ВС-компонента ИРИ: наблюдаемые свойства и

теоретическая модель..............................165

4.2.2. Численное моделирование ВС компоненты.........179

4.2.2.1. Эмпирическая модель спектра вытянутых

мелкомасштабных неоднородностей............181

4.2.2.2. Поведение ВС-компоненты во времени и его

интерпретация..................................184

4.2.2.3. Зависимость интенсивности ВС-компоненты от мощности накачки.......................193

4.2.2.4. Зависимость

интенсивности ВС-компоненты от индекса спектра интенсивности неоднородностей.......194

4.2.3. ВС-компонента на стадии релаксации плазменных волн...........................................199

4.2.4. Обсуждение результатов..........................205

4.3. Главный спектральный максимум (downshifted maximum) ИРИ........................................209

4.3.1. Экспериментальные результаты...................209

4.3.2. Взаимодействие верхне- и нижнегибридных

волн и генерация DM..............................217

4.3.3. Обсуждение результатов..........................231

4.4. Широкополосный максимум (broad upshifted maximum) ИРИ в области положительных отстроек..........................................243

4.4.1. Спектральные характеристики BUM..............244

4.4.2. Динамика BUM на фиксированных частотах......254

4.4.3. Обсуждение результатов. О возможной модели генерации BUM.................................263

4.5. Зависимость структуры спектров ИРИ от соотношения частоты накачки и электронных циклотронных гармоник....................................271

4.5.1. Экспериментальные результаты...................271

4.5.2. О влиянии нелинейного взаимодействия верхнегибридных и электронных бернштейновских волн на зависимость интенсивности ИРИ от соотношения и)о и пи>се.............................278

4.6. Заключительные замечания...........................282

5. МОДИФИКАЦИЯ

ПРОФИЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В ИОНОСФЕРЕ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ ТЕПЛОВОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ...........287

5.1. "Ступенька" на профиле электронной концентрации при развитии ТПН...............................287

5.1.1. Исходные уравнения...............................288

5.1.2. Расчет модифицированного профиля электронной концентрации..................................291

5.1.3. Зависимость интенсивности МН и аномального ослабления от мощности ВН в модифицированном слое............... .........................298

5.1.4. Отражение электромагнитных волн от скачка электронной концентрации.........................302

5.1.5. Обсуждение результатов..........................304

5.2. О зависимости аномального ослабления пробных

волн от частоты.......................................307

5.2.1. Расчет влияния "ступеньки" на профиле на аномальное ослабление пробных волн..............307

5.2.2. Экспериментальные исследования зависимости аномального ослабления пробных волн от частоты и сопоставление данных с результатами модельных расчетов..........................309

5.2.3 Обсуждение результатов..........................319

5.3. Исследование возмущенной области ионосферы при и>о « тосе с помощью многочастотного доп-плеровского зондирования.............................321

5.3.1. Методика эксперимента............................322

5.3.2. Результаты эксперимента.........................325

5.3.3. Обсуждение результатов..........................333

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................343

ЛИТЕРАТУРА............................................349

л

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к проблеме нелинейного взаимодействия электромагнитных полей с плазмой возник достаточно давно в связи с термоядерными исследованиями и разнообразными геофизическими и астрофизическими приложениями. С начала 70-х гг. в США, СССР (затем в России и на Украине) и Западной Европе проводятся интенсивные исследования нелинейных эффектов в ионосфере и магнитосфере Земли, возникающих под действием излучения мощных наземных радиопередатчиков. При этом обнаружен целый ряд новых явлений, важных как для дальнейшего понимания физики нелинейных процессов в плазме, так и для различных практических приложений.

Характер нелинейных явлений в ионосферной плазме чрезвычайно разнообразен (см. например [1]-[11]). Изучаются, в частности, самовоздействие и самофокусировка электромагнитных волн [6, 7, 12, 14], модуляция ионосферных токов и генерация сигналов комбинационных частот [9, 15, 16], дополнительная ионизация и нарушение ионизационно-рекомбинационного баланса [7, 17, 18] и т. п.

Целый класс нелинейных явлений возникает при приближении частоты воздействующей волны к одной из собственных частот ионосферной плазмы, например к ленгмюровской, когда осцилляции частиц в поле волны попадают в резонанс с собственными колебаниями. Такие явления получили названия параметрических неустойчивостей [5, 19]. Традиционно (в том числе в приложении к ионосферной плазме) изучались параметрические неустойчивости, обусловленные стрикционной нелинейностью [5, 19],[20]—[25], [26, 27]. Диссертантом совместно с В. Ю. Трахтенгерцем было показано, что в ионосферной плазме наряду со стрикционны-

ми параметрическими неустойчивостями действует другой, более эффективный механизм возбуждения турбулентности — параметрическая неустойчивость, обусловленная тепловой нелинейностью (тепловая параметрическая неустойчивость, ТПН) [28]. Отметим, что близкий по природе механизм расслоения магнитоактивной столкновительной плазмы, который авторы назвали резонансной неустойчивостью, был независимо предложен В. В. Васысовым и А. В. Гуревичем [29], а впервые на возможность теплового расслоения изотропной плазмы во внешнем электромагнитном поле в области плазменного резонанса указал В. А. Миронов [30]. Эти работы положили начало новому научному направлению — исследованиям тепловой параметрической турбулентности, — в рамках которого удается построить непротиворечивую картину явлений, происходящих в верхней ионосфере под воздействием мощного коротковолнового радиоизлучения.

Искусственная турбулентность ионосферы воздействует, в свою очередь, на характерные свойства ионосферной плазмы, в которой появляются ускоренные плазменными волнами электроны, приводящие к возникновению оптического излучения и дополнительной ионизации [31, 32], генерируется искусственное радиоизлучение ионосферы (ИРИ) вблизи первой и второй гармоник частоты воздействующей волны [33, 34], возникают искажения профиля электронной концентрации [35, 36].

Исследование физических свойств тепловой параметрической турбулентности (высокочастотных плазменных волн и низкочастотных возмущений плотности), а также таких ее проявлений, как генерация ИРИ, модификация профиля электронной концентрации, ускорение электронов и дополнительная ионизация и являются основной целью диссертационной работы.

На защиту выносятся:

• Механизм возбуждения турбулентности в столкновительной магнитоактивной плазме — тепловая параметрическая неустойчивость (ТПН); результаты линейной теории ТПН в однородной и неоднородной плазме; результаты нелинейной теория ТПН в неоднородной плазме.

• Результаты теоретический исследований дисперсионных свойств плазменных волн и условий возбуждения ТПН в ионосфере в случае частот воздействующей волны (волны накачки, ВН), близких к кратной электронной циклотронной частоте.

• Результаты теоретический исследований ускорения электронов и дополнительной ионизации нейтральной компоненты при параметрическом нагреве верхней ионосферы.

• Механизм генерации искусственного радиоизлучения ионосферы (ИРИ) — двойная трансформация электромагнитных волн на вытянутых неоднородностях. Результаты теоретических исследований широкополосной компоненты ИРИ и сопоставления результатов численного моделирования этой компоненты с данными натурного эксперимента.

• Результаты экспериментальных исследований спектральных компонент ИРИ "главный спектральный максимум" и "широкополосный" максимум, механизмы их генерации.

• Результаты экспериментальных исследований зависимости структуры стационарных спектров ИРИ от соотношения частоты ВН и гармоник электронной циклотронной частоты, интерпретация такой зависимости.

• Результаты теоретических исследований модификации профиля электронной концентрации в ионосфере за счет стрикцион-ного давления плазменных волн, возбужденных в процессе ТПН, и влияния такой модификации на аномальное ослабление пробных радиоволн; результаты экспериментальных исследований зависимости аномального ослабления от частоты пробной волны.

• Результаты экспериментальных исследований модификации профиля электронной концентрации в ионосфере в случае частот (волны накачки, ВН), близких к кратной электронной циклотронной частоте.

Перейдем к изложению содержания работы.

Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения.

Во Введении дана общая характеристика работы и кратко изложено ее основное содержание.

Первая глава посвящена постановке рассматриваемой проблемы. В разделе 1.1 дан краткий обзор результатов исследований искусственной турбулентности плазмы ^-с:лоя ионосферы, возникающей в поле мощных КВ радиоволн; определено место задач, рассматриваемых в диссертации, в общем круге проблем. В разделе 1.2 обсуждаются линейные дисперсионные свойства электромагнитных и плазменных волн в ^-области ионосферы, которые используются в последующих главах работы.

В разделе 1.3 рассматриваются параметрические неустойчивости однородной плазмы с параметрами, близкими к параметрам .Р-слоя ионосферы, возникающие при воздействии на нее высокочастотного электрического поля с частотой, близкой к одной из собственных частот плазмы. В подразделе 1.3.1 обсуждается дисперсионное уравнение для возмущений, связанных с возбуждением

потенциального электрического поля, полученное на основе простых гидродинамических уравнений, с учетом как стрикционного, так и теплового воздействия ВЧ поля на плазму [28]. Тепловые эффекты являются преобладающими, когда продольные (вдоль магнитного поля) масштабы возмущений превышают длину свободного пробега, поперечные — радиус циклотронного вращения электронов, а характерные времена процесса — время свободного пробега электронов. В противном случае преобладают стрикционные эффекты.

В подразделе 1.3.2 кратко обсуждаются стрикционные параметрические неустойчивости, которые могут развиваться в ионосферной плазме: индуцированное рассеяние, апериодическая и рас-падная неустойчивости [10, 28, 37]. Показано, что в ионосферной плазме, где температуры электронов и ионов близки, распад может эффективно возбуждаться только в области верхнего гибридного резонанса волны накачки, где волновые векторы возбуждаемых ВЧ и НЧ плазменных волн ортогональны магнитному полю, и поэтому существуют слабозатухающие НЧ плазменные волны (нижнегибридные и ионно-циклотронные). Индуцированное рассеяние и апериодическая неустойчивости, наоборот, более эффективно должны развиваться вблизи точки отражения ВН, где электрическое поле ВН усиливается за счет эффекта разбухания.

В подразделе 1.3.3 изучается параметрическая неустойчивость, обусловленная тепловой нелинейностью (ТПН) [28]. При ТПН низкочастотные возмущения плотности образуются путем нагрева плазмы в суммарном поле электромагнитной и плазменной волн и вытеснения плазмы из прогретых областей вследствие процесса термодиффузии. Резко анизотропный характер термодиффузии и теплопроводности в магнитном поле В приводит к тому,

что низкочастотные возмущения (мелкомасштабные неоднородности, МН) оказываются сильно вытянутыми вдоль В. Плазменные волны при этом должны распространяться почти поперек В, т. е. ТПН должна развиваться вблизи уровня верхнего гибридного резонанса ВН, где и>1 = и>5ь = + (здесь ш0, и?ре, сосе и — соответственно частота ВН, плазменная, электронная циклотронная и верхнегибридная частоты). Определено пороговое поле ТПН, которое оказывается существенно ниже, чем пороги стрикционных неуст ойчиво ст ей.

Во второй главе диссертации разрабатывается теория тепловой параметрической неустойчивости в ионосферной плазме.

В разделе 2.1 изучается линейная теория ТПН в неоднородной плазме [38]-[45]. В реальных условиях, например в ^-области ионосферы, когда угол между направлениями градиента концентрации VN и магнитного поля В мал, продольные масштабы неоднород-ностей /ц сравнимы с масштабом регулярной неоднородности ионосферы Кроме того, размер области взаимодействия электромагнитных и плазменных волн оказывается существенно меньшим, чем /ц, что, естественно, приводит к уменьшению эффективности нагрева. В подразделе 2.1.1 сформулированы исходные уравнения задачи. Дисперсионное уравнение ТПН в неоднородной плазме получено в подразделе 2.1.2. Здесь же определен порог ТПН в неоднородной среде, ширина пространственного спектра МН и плазменных волн, возникающих на линейной стадии неустойчивости, проанализирована зависимость инкремента ТПН от интенсивности волны накачки и поперечного масштаба неоднородностей. Раздел 2.2 посвящен нелинейной теории ТПН в неоднородной плазме (линейный слой) [43]—[46]. Исходные уравнения теории сформулированы в подразделе 2.2.1. При построении нелинейной теории

учитывались следующие факторы: 1) источник нагрева, связанный с взаимодействием плазменных волн между собой; 2) насыщение неустойчивости, обусловленное пространственным затуханием (аномальным ослаблением, АО) волны накачки из-за рассеяния на вытянутых неоднородностях; 3) многократное рассеяние плазменных волн на МН, приводящее к диффузионному растеканию энергии плазменных волн по большому фазовому объему пространственных масштабов. За основу взято приближение слабой турбулентности, когда все возмущения можно представить в виде набора слабо взаимодействующих квазисинусоидальных волн, а также приближение случайных фаз плазменных волн и неоднород-ностей. В результате в подразделе 2.2.2 для стационарной стадии получены выражения для интенсивности Ап2 и формы спектра МН, спектральной плотности энергии плазменных волн УУ^ и величины АО волны накачки Гт в зависимости от плотности эн�