Искусственные волноводные каналы в магнитоактивной плазме: лабораторные и натурные эксперименты

Актуальность темы

исследования.

Интерес к исследованиям нелинейного взаимодействия сильного электромагнитного поля с неоднородной плазмой возник сравнительно давно [1−5] и обусловлен с одной стороны задачами построения полной физической картины электромагнитных явлений в плазме, а с другой стороны необходимостью решения ряда прикладных задач радиофизики и физики плазмы и стимулируется, в первую очередь, потребностями и перспективами разнообразных приложений, включающих, в частности, активную волновую диагностику и мониторинг околоземного пространства, разработку новых каналов дальней радиосвязи, высокочастотный нагрев плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза и плазмохимии и т. д.

В магнитоактивной плазме нелинейные явления, возникающие при взаимодействии мощного радиоизлучения с плазмой, при определённых условиях могут привести к образованию ориентированных вдоль внешнего магнитного поля крупномасштабных плазменных неоднородностей с повышенной или пониженной плотностью плазмы [6−9] - так называемых дактов плотности (от английского слова duct — канал), играющих роль волноводов для распространения радиоволн. Такие плазменно-волновые каналы могут возникать и в естественных условиях, при этом их формирование связывают с полями грозовых облаков или с полями поляризации, возникающими при высыпаниях частиц в ионосферу [10−12].

Дакты плотности плазмы играют важную роль в динамике магнитосферного циклотронного мазера [13, 14]. Роль активного вещества в этом мазере выполняют частицы радиационных поясов, для которых из-за наличия конуса потерь в пространстве скоростей характерна инверсия населенностей, проявляющаяся в поперечной анизотропии функции распределения. Если количество таких частиц начинает превышать некий пороговый уровень, шумовые волновые поля, всегда присутствующие в магнитосфере, стимулируют возбуждение магнитосферного мазера. Положительная обратная связь обеспечивается частичным отражением волн от областей нарушения условий геометрической оптики для возбуждаемых полей (ионосферных «зеркал»). Порог генерации достигается при балансе усиления волн и потерь. Характерными признаками генерации магнитосферного мазера являются следующие факторы: заметное по сравнением с фоном увеличение шумовых излучений ОНЧ и КНЧ диапазонов и высыпания отработанных энергичных частиц из возмущенной силовой трубки.

Наличие в магнитосфере дактов плотности позволяет локализовать возбуждаемые волновые поля в окрестности узкой магнитной силовой трубки, что значительно снижает требования на интенсивность возбуждающих эти поля потоков энергичных электронов.

В последние годы при разработке программ активного воздействия на процессы генерации естественных магнитосферных излучений [15] и экспериментов по контролируемым высыпаниям энергичных частиц [16] всё возрастающее внимание уделяется определению возможностей и условий формирования на высотах внешней ионосферы и в магнитосфере Земли искусственных волноводных каналов (дактов плотности), позволяющих влиять на ионосферно-магнитосферные связи, и изучению волновых явлений, наблюдаемых в таких структурах.

Натурные исследования по созданию искусственных плазменно-волновых каналов проводятся методами, основанными на активном воздействии на параметры ионосферной и магнитосферной плазмы мощным электромагнитным излучением как с поверхности Земли, так и с борта спутников и ракет.

Наиболее адекватной методикой формирования искусственных дактов плотности, позволяющей многократно повторять создание плазменных возмущений с контролируемыми параметрами, является нагрев ионосферы мощными KB радиоволнами, излучаемыми наземным передатчиком. Очевидно, что подобного рода исследования удобнее проводить в спокойных геомагнитных условиях в среднеширотной ионосфере, чем в высокоширотной ионосфере с обычно достаточно высоким и быстро изменяющимся уровнем возмутцённости. При этом одним из наиболее достоверных методов определения характеристик таких плазменных возмущений являются непосредственные измерения с помощью бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли.

Техническая сложность и высокая стоимость программ космических исследований оправдывают изучение плазменных процессов в модельных экспериментах, проводимых в лаборатории. Обширный арсенал разработанных диагностических средств, позволяющих практически полностью контролировать условия эксперимента, делает лабораторное моделирование важной частью работ по изучению физических процессов в космической плазме, тем более что основные процессы, протекающие как в околоземной, так и в лабораторной плазме, подчиняются одним и тем же закономерностям.

Таким образом, суммируя все вышесказанное, можно заключить, что актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью изучения влияния искусственных волноводных каналов на локальные ионосферно-магнитосферньте связи и развитие неустойчивостей в магнитоактивной плазме, а также разработки методов активной волновой диагностики околоземного пространства.

Цель работы.

Целью настоящей диссертационной работы является проведение экспериментальных исследований плазменно-волновых каналов, формируемых мощным радиоизлучением в лабораторной и околоземной плазме, и изучение волновых явлений, наблюдаемых в таких структурах. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. лабораторные исследования нелинейных явлений в магнитоактивной плазме при наличии искусственной неоднородности в виде вытянутого вдоль внешнего магнитного поля плазменно-волнового канала;

2. определение возможностей и условий формирования искусственных волноводных каналов, влияющих на локальные ионосферно-магнитосферные связи, при нагреве ионосферы Земли мощным KB радиоизлучением наземных передатчиков;

3. натурные исследования влияния на процессы возбуждения и распространения низкочастотных электромагнитных волн искусственных плазменных каналов, вытянутых из ионосферы в магнитосферу Земли и создаваемых в результате взаимодействия радиоизлучения нагревного стенда «Сура» с плазмой F2-oблacти.

Научная новизна.

Научная новизна работы определяется полученными оригинальными результатами и заключается в следующем:

1. В лабораторных экспериментах, качественно моделирующих условия активных экспериментов по созданию искусственных периодических неоднородностей в нижней ионосфере Земли, проведены исследования вынужденного рассеяния волнового пучка, формирующего протяженный разрядный канал в пробочной магнитной ловушке, на релаксационных колебаниях решетки плазменных неоднородностей, создаваемой полем пучка.

2. Для условий плазменно-волнового разряда, соответствующих по параметрам подобия условиям во внешней ионосфере Земли, экспериментально исследована генерация ионно-звуковых волн, возбуждаемых в результате распада высокочастотной волны, формирующей разрядный канал.

3. В линейной пробочной конфигурации магнитного поля для ВЧ разряда, в котором распределение плотности плазмы и поперечного масштаба волнового канала качественно подобно распределению этих параметров в магнитосферном резонаторе с дактом повышенной плотности плазмы, обнаружена и исследована генерация электромагнитных излучений на частотах баунс колебаний потоков быстрых электронов плазмы разряда.

4. Путем непосредственных (in situ) измерений с помощью бортовой аппаратуры ИСЗ «DEMETER» определены характеристики электромагнитных и плазменных возмущений, индуцируемых во внешней ионосфере Земли при нагреве ее^{-области} мощным радиоизлучением среднеширотного стенда «Сура».

Научная и практическая ценность.

В научном плане результаты, полученные в работе, дают основу для более глубокого понимания особенностей взаимодействия мощного электромагнитного излучения с магнитоактивной плазмой, условий и механизмов формирования на высотах внешней ионосферы и магнитосферы Земли крупномасштабных, вытянутых вдоль геомагнитного поля, неоднородностей — дактов плотности, влияния плазменных каналов на развитие неустойчивостей в околоземном пространстве и возможностей моделирования подобных явлений в лабораторных условиях.

Проведенные исследования имеют большое практическое значение, а их результаты могут быть использованы для разработки программ новых активных космических экспериментов и интерпретации их данных, в задачах дальней радиосвязи для возбуждения и каналирования низкочастотных волн большой амплитуды в ионосфере и магнитосфере Земли.

Полученные в диссертации результаты могут представлять интерес для следующих научно-исследовательских учреждений: ИКИ РАН, ИПФ РАН, ИЗМИРАН, НИРФИ, ААНИИ, ПГИ КНЦ РАН.

Публикации и апробация результатов.

Результаты диссертации опубликованы в работах [17−38] и докладывались на XXI и XXII Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Йошкар-Ола, 2005; Ростов-на-Дону, 2008), 3-й Международной научной конференции «Фундаментальные проблемы физики» (Казань, 2005), 10-й и 11-й Научных конференциях по радиофизике (Нижний Новгород, 2006, 2007), XIII Научной школе «Нелинейные волны» (Нижний Новгород, 2006), XIII Международном конгрессе по физике плазмы (Киев, 2006), 5-й Международной школе молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» (Томск, 2006), Международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (Таганрог, 2007), Международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (Иркутск, 2007), VII Международном Суздальском симпозиуме URSI по искусственной модификации ионосферы (Москва,.

2007), Генеральной Ассамблее EGU (Вена, 2008), XV Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Красноярск,.

2008), XXIX Генеральной Ассамблее URSI (Чикаго, 2008), а также на семинарах НИРФИ и кафедры электродинамики радиофизического факультета ННГУ.

Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях в ведущих научных журналах, 5 работах в сборниках трудов международных и российских научных конференций, 11 тезисах докладов научных конференций, симпозиумов и школ.

Достоверность.

Достоверность полученных результатов и выводов работы определяется физической обоснованностью проводимых экспериментальных исследований, большим объемом полученных данных, на основе которых делаются соответствующие выводы, повторяемостью результатов измерений, а также сопоставлением результатов исследований с данными других экспериментов и разработанными теоретическими моделями.

Личный вклад автора.

Экспериментальные исследования, положенные в основу диссертационной работы, были выполнены на крупномасштабных экспериментальных установках.

Лабораторные исследования выполнены в Нижегородском государственном университете им. Н. И. Лобачевского на установке «Канал». Натурные эксперименты были выполнены на нагревном стенде «Сура» (НИРФИ, Н. Новгород).

Все эксперименты по лабораторному исследованию нелинейных волновых явлений в плазме ВЧ разряда были выполнены при непосредственном участии автора. Личный вклад его в этом направлении являлся определяющим при проведении численных расчётов и построении теоретических моделей наблюдаемых явлений.

В силу своей масштабности исследования воздействия мощного радиоизлучения на ионосферную плазму требовали привлечения для их выполнения большого научного коллектива. Личный вклад автора в эти исследования выразился в том, что автор принимал непосредственное участие в проведении основных экспериментов и интерпретации экспериментальных данных. Лично автором были проведены обработка и анализ спутниковой телеметрической информации.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. В лабораторных экспериментах, качественно моделирующих условия активных экспериментов по созданию искусственных периодических неоднородностей в нижней ионосфере Земли, наличие стоячей структуры волнового поля приводит к вынужденному рассеянию волнового пучка, формирующего разрядный канал, на релаксационных колебаниях решетки плазменных неоднородностей, создаваемой полем пучка.

2. В плазме с квазиоднородным распределением магнитного поля при малых давлениях газа, когда длина свободного пробега электронов превышает длину волны накачки и близка к продольному размеру системы, в результате распада высокочастотной волны накачки имеет место эффективное возбуждение ионно-звуковых волн. Многокаскадное рассеяние волн, формирующих разряд, на возбуждаемых ионно-звуковых колебаниях приводит к значительному уширению спектра сигнала накачки и влияет на величину высокочастотных потерь в плазме.

3. В линейной пробочной конфигурации магнитного поля для ВЧ разряда, позволяющего проводить качественное моделирование явлений в резонаторе магнитосферного типа с дактом повышенной плотности, присутствие достаточно интенсивных электронных потоков проявляется в шумовых излучениях в виде максимумов интенсивности сигнала на баунс частотах, соответствующих характерной энергии электронов. При наличии дополнительной накачки, по отношению к излучению, формирующему разряд, возможно возбуждение широкополосного шумового излучения с максимумом на частоте нижнегибридного резонанса. 4. При воздействии на /^-область ионосферы мощными KB радиоволнами О-поляризации, излучаемыми среднеширотным нагревным стендом «Сура», возможно формирование на высотах внешней ионосферы Земли вытянутых вдоль геомагнитного поля искусственных крупномасштабных возмущений (дактов плотности) с повышенной до 25 — 35% относительно фонового уровня плотностью плазмы, в которых наблюдается повышение уровня сигналов ОНЧ передатчиков и уширение их частотного спектра, а также значительное увеличение интенсивности низкочастотных флуктуаций электромагнитных полей.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 140 страниц, включая 42 рисунка и 4 таблицы. Список цитированной литературы содержит 136 наименований.

4.5 Выводы.

Путем прямых (in situ) измерений характеристик ионосферной плазмы на высотах внешней ионосферы Земли с помощью бортовой аппаратуры спутника DEMETER обнаружены крупномасштабные возмущения с повышенной плотностью плазмы, формирование которых связано с воздействием мощными KB радиоволнами О-поляризации нагревного стенда «Сура» на^{-область} ионосферы.

Сопоставление с результатами измерений, выполненных с помощью метода спутниковой радиотомографии [71, 72], показало, что искусственные крупномасштабные возмущения плотности плазмы пронизывают фактически всё тело ионосферы от области отражения волны накачки в F2-cnoe до высот внешней ионосферы и магнитосферы Земли.

По результатам выполненных измерений было установлено, что:

— избыток плотности ионной компоненты плазмы определяется более тяжелыми ионами 0+, превалирующими на высотах пролёта спутника, в то время как легкие ионы (Н* и Не+) показывают здесь наоборот уменьшение своей плотности, которое в процентном отношении сопоставимо или даже выше, чем рост плотности для ионов 0+;

— в области искусственного дакта плотности наблюдаются значительные вариации температуры электронов (ATJTe ~ 0.2). Искусственных возмущений температуры ионов зарегистрировано не было;

— при пролете ИСЗ через возмущённую магнитную силовую трубку наблюдаются вариации величины и направления вектора скорости ионов;

— отличительной чертой крупномасштабных возмущений с повышенной плотностью плазмы является присутствие в них высокого уровня флуктуаций электромагнитных полей от крайне низкочастотного до высокочастотного диапазона, а также наблюдающееся значительное увеличение интенсивности сигналов ОНЧ передатчиков и уширение их частотного спектра.

Из анализа всей совокупности полученных данных определены экспериментальные условия, при которых наблюдалось формирование искусственных дактов плотности плазмы. Условия заключаются в том, что нагрев ионосферы должен осуществляться в вечерние часы с наклоном диаграммы направленности антенны в направлении магнитного зенита при достаточно высокой эффективной мощностью излучения волны накачки Peg > 40 МВт на частоте на 0.5 — 1 МГц ниже критической частоты f0F2. Так как характерный поперечный масштаб таких плазменных возмущений составляет порядка 100 км, то их регистрация возможна только в том случае, если спутник пролетает на расстоянии < 50 км от оси возмущенной магнитной силовой трубки.

Заключение

.

В диссертации решалась комплексная задача по проведению экспериментальных исследований искусственных волновых каналов в магнитоактивной плазме, возбуждаемых как в лабораторных, так и в натурных условиях. В лабораторных условиях такие каналы были сформированы в результате ионизационного самоканалирования волновых полей в свистовом диапазоне частот. В натурных условиях формирование искусственных дактов плотности оказалось возможным при нагреве F2-области ионосферы Земли мощным радиоизлучением наземного нагревного стенда «Сура».

Проведённые исследования позволили сформулировать следующие результаты:

1. Показана сильная зависимость спектров вынужденных колебаний в плазменно-волновом канале от соотношения длины свободного пробега электронов 1е с характерным размером системы L и длинами волн пучка Я, формирующего разряд. Для параметров разряда (1е<�Л/ 2), качественно соответствующих условиям активных экспериментов по созданию искусственных периодических неоднородностей в нижней ионосфере Земли, обнаружено и исследовано вынужденное ионизационное рассеяние волнового пучка, формирующего протяжённый разрядный канал в пробочной магнитной ловушке, на релаксационных колебаниях решётки плазменных неоднородностей, создаваемой полем пучка.

2. Проведено исследование генерации ионно-звуковых волн, возбуждаемых в результате распада высокочастотной волны, формирующей разрядный канал. Показано, что эффективное возбуждение ионно-звуковых волн возможно когда длина свободного пробега электронов становится сравнимой с характерным размером системы (le~ L). Установлено, что дисперсионные свойства волновода накладывают определённые ограничения на частоты и длины волн, возбуждаемых в плазме, в результате чего генерация ионно-звуковых волн имеет «резонансный» характер.

3. В плазменно-волновом разряде в пробочной магнитной ловушке при моделировании явлений в магнитосферном резонаторе с дактом повышенной плотности плазмы (le>L) обнаружена генерация широкополосного шумового излучения на частотах баунс колебаний электронов плазмы разряда. При наличии дополнительной накачки, по отношению к излучению, формирующему разряд, показана возможность возбуждения широкополосного шумового электромагнитного излучения с максимумом на частоте нижнегибридного резонанса.

4. Путём непосредственных (ш situ) спутниковых измерений на высотах внешней ионосферы Земли экспериментально обнаружено формирование искусственных волноводных каналов в области возмущённой мощным KB радиоизлучением стенда «Сура» магнитной силовой трубки.

5. Определены экспериментальные условия формирования искусственных волноводных каналов на высотах внешней ионосфере Земли при нагреве её^{-области} мощными KB радиоволнами, излучаемыми наземным передатчиком.

6. Определены характеристики электромагнитных и плазменных возмущений, индуцируемых во внешней ионосфере Земли радиоизлучением стенда «Сура». Показано, что в области дакта плотности плазмы наблюдаются значительные вариации температуры электронов, имеет место повышение уровня сигналов ОНЧ передатчиков и уширение их частотного спектра, а также значительное увеличение интенсивности низкочастотных флуктуаций электромагнитных полей.

В основу диссертации положены результаты экспериментальных исследований, выполненных на лабораторной установке «Канал» (ННГУ) и на среднеширотном нагревном стенде «Сура» (НИРФИ, Н. Новгород) в период 2004 — 2009 гг.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность своему учителю и наставнику Г. А. Маркову, под руководством которого были получены все основные результаты диссертации.

Автор глубоко признателен B.JI. Фролову без поддержки и участия которого проведение спутниковых измерений характеристик электромагнитных и плазменных возмущений, индуцируемых во внешней ионосфере Земли при нагреве мощным радиоизлучением стенда «Сура», было бы невозможно.

Автор искренне благодарен своим соавторам: Г. П. Комракову, Е. В. Мишину, М. Парро, JI.JI. Поповой, В. О. Рапопорту, Ж. Л. Рош, Ю. В. Чугунову — за плодотворное сотрудничество при проведении исследований.