Ионосферные неоднородности, инициированные интенсивными магнитосферными токами и атмосферными волнами

Актуальность темы

Совершенствование техники геофизических экспериментов (расширение диапазона и пространственно-временного разрешения измерений), и проведение наблюдений с использованием измерительных комплексов (наземных и космических, включающих спутники, ионозонды, интерферометры, радары) позволили установить, что ионосфера, как посредник между магнитосферой и атмосферой, представляет собой открытую физическую систему и характеризуется широким спектром неоднородностей, связанных с различными видами воздействий — солнечными и магнитными бурями (внезапные ионосферные возмущения, поглощение радиоволн в полярной шапке, авроральное поглощение радиоволн, ионосферные бури, перемещающиеся ионосферные возмущения), метеорологической и сейсмической активностью, искусственными воздействиями (нагрев мощными радиоволнами, выбросы химически активных веществ, взрывы и др.). Неоднородности охватывают все слои ионосферы и распространяются на все широты.

Сильная неоднородность ионосферы (особенно полярной), связанная со сложностью и разноообразием протекающих в ней физических процессов, затрудняет прогнозирование параметров радиосвязи, радионавигации, искажает характеристики геомагнитных вариаций, используемых при волновой диагностике околоземной плазмы. Поэтому на протяжении многих лет исследование ионосферных неоднородностей находится в ряду фундаментальных проблем геофизики и по-прежнему актуально в связи с продолжающимся использованием ионосферы как тракта передачи информации и размещением в ней глобальных телекоммуникационных систем.

Считается, что возникновение крупномасштабных ионосферных возмущений связано с непосредственным влиянием электромагнитных и корпускулярных потоков от Солнца, джоулевой диссипацией магнитосферных токов и атмосферных волн, столкновительным и химическим взаимодействием заряженных и нейтральных компонент ионосферной плазмы.

Следует, однако, учесть, что не вся энергия возмущений переходит в тепло. Часть ее, перехватываемая ионосферой, служит источником для формирования структур и неоднородностей более мелких масштабов, связанных с развитием плазменных неустойчивостей. Поскольку ионосферные неоднородности возбуждаются за счет источников свободной энергии (крупномасштабных возмущений), а затем затухают, то развитие плазменных неустойчивостей и структур можно рассматривать как процесс дополнительной или аномальной диссипации энергии возмущения. При этом связанные с ионосферной турбулентностью аномальные процессы (турбулентный нагрев, аномальные диффузия и сопротивление) могут стать основными в динамике возмущений.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению проблемы взаимодействия с ионосферой (посредством механизмов аномальной диссипации) крупномасштабных возмущений, связанных с протеканием интенсивных магнитосферных токов и прохождением атмосферных волн. Круг явлений, подлежащих теоретическому анализу, здесь достаточно широк, поскольку к рассматриваемым воздействиям на ионосферу приводят различные виды геофизической активности (геомагнитная, метеорологическая, сейсмическая), а также ряд техногенных процессов. Вместе с тем, на период начала исследования адекватные механизмы аномальной диссипации крупномасштабных токов и атмосферных волн в ионосферной плазме были еще либо недостаточно разработаны, либо отсутствовали вообще.

По-видимому, впервые на данную проблему обратили внимание в 1963 году в связи с исследованием известного к тому времени явления в полярной ионосфере — эффективного обратного рассеяния радиоволн КВ и УКВ диапазона. Периоды интенсивных радиоотражений, как правило, совпадали с появлением видимых форм полярных сияний, и это явление получило название радиосияний. В отличие от Г. Букера, который рассматривал возможные модели рассеяния радиолокационного сигнала отражающими областями, Д. Фарлей и О. Бунеман стали выяснять физический механизм образования неоднородностей и показали, что достаточно интенсивные возмущения магнитосферного электрического поля (в периоды высокой геомагнитной активности) могут приводить к развитию плазменной неустойчивости в области протекания ионосферного поперечного тока (электроджета). Хотя неустойчивость Фарлея-Бунемана хорошо описывала ряд экспериментальных фактов, но по мере их накопления стало ясно, что картина явления сложнее, чем предсказывала теория, и что, в частности, необходим учет турбулентного нагрева в электроджете.

Сами электроджеты — часть аврорального овала, где фокусируется энергия, передаваемая от магнитосферы к ионосфере с помощью альвеновских волн или продольных токовэто вынуждает ионосферу перестраиваться так, чтобы пропустить большой ток с его последующей диссипацией, вследствие которой происходит нарушение эквипотенциальности силовых линий магнитного поля и расслоение вытекающего из ионосферы продольного тока. Оказалось, что указанные явления также принципиально нельзя понять без представлений о развитии ряда плазменных неустойчивостей и связанных с ними эффектов аномального сопротивления, аномальной диффузии и турбулентного нагрева в областях протекания интенсивных продольных токов.

Генерация мелкомасштабных неоднородностей интенсивными крупномасштабными возмущениями ионосферы отмечалась также в исследованиях по воздействию на ионосферу мощными радиоволнами, выбросами бариевых облаков и при прохождении монохроматических внутренних гравитационных волн (явления Е и Е рассеяния), где основополагающие работы принадлежат школам А. В. Гуревича, Б. Н. Гершмана и Л. М. Ерухимова.

Распространение через ионосферную плазму атмосферных волн, вызываемых метеорологической или сейсмической активностью, также принадлежит к рассматриваемому кругу вопросов. Здесь энергия, передаваемая от атмосферы к ионосфере с помощью акустикогравитационных волн, может усиливаться, так как ионосфера оказывается в неравновесном состоянии для воздействий такого рода. При учете неоднородности параметров атмосферы, ее сжимаемости и наличии диссипативных и нелинейных эффектов, соответственно меняются условия генерации ионосферных неоднородностей по сравнению со случаем взаимодействия монохроматических волн с ионосферной плазмой. Последствия такого взаимодействия могут существенно отличаться от предсказаний традиционно используемой теории ветрового сдвига.

Актуальность проблемы связана и с необходимостью решения ряда практических задач, в частности, созданием дополнительных (к сейсмическим) электромагнитных методов контроля (основанных на мониторинге ионосферы) за проведением подземных ядерных испытаний, обеспечением надежности спутниковой радиосвязи и т. д. Эти методы должны опираться на соответствующую теорию процессов генерации ионосферных неоднородностей неплазменными источниками. Поэтому в настоящее время назрела необходимость построения теории этих явлений.

Целью работы является теоретическая разработка механизмов аномальной диссипации интенсивных токов и акустико-гравитационных волн в ионосферной плазме. При этом исследования направлены на выделение условий формирования плазменных (магнитосферных) и неплазменных (атмосферных) источников ионосферных возмущенийопределение типов плазменных неустойчивостей, приводящих к образованию неоднородностей в ионосфере, исследование их механизмов и характеристикопределение изменений в эволюции возмущений, вносимых ионосферной турбулентностьюисследование структур в ионосфере, в том числе с применением модельных нелинейных уравнений.

Научная новизна. В работе впервые предложены новые механизмы процессов, которые сопровождают диссипацию интенсивных продольных токов в турбулентной плазме полярной верхней ионосферы (расслоение продольного тока, замыкание продольного тока, возникновение электростатических скачков, насыщение плотности турбулентной энергии, установление крупномасштабного градиента электронной температуры);

— рассмотрены новые механизмы диссипации поперечных токов (электроджетов) в полярной нижней ионосфере (радиоотражения 3 и 4 типов), а также условия развития неустойчивостей в спорадических электроджетах ионосферы средних широт (генерация сильных электрических полей) и предсказаны области локализации радиоотражений;

— в рамках электронной магнитной гидродинамики получено и исследовано модельное нелинейное уравнение, описывающие воздействие АГВ на нижнюю ионосферу и обоснована возможность возбуждения ионосферной турбулентности неплазменными источниками;

— для сжимаемой и неоднородной атмосферы получено нелинейное уравнение, описывающее распространение и воздействие внутренних гравитационных волн (ВГВ) на верхнюю ионосферу;

— исследован эффект фокусировки ВГВ в сжимаемой двумерно-неоднородной атмосфере;

— предложен и исследован механизм создания вертикальной структуры ионосферных возмущений при диссипации ВГВ в неоднородно стратифицированной (по температуре и ветру) атмосфере;

— проанализированы характерные неоднородности, возникающие в ионосфере сейсмически активных регионов при прохождении ВГВ.

Научная и практическая значимость. Выполненные в диссертации исследования направлены на создание теоретической основы механизмов формирования мелкомасштабных ионосферных неоднородностей, возникающих при протекании магнитосферных токов и распространении атмосферных волн через плазму ионосферы при активизации геомагнитных, метеорологических или сейсмических процессов.

Полученные теоретические результаты позволяют объяснить ведущую роль тонкой структуры продольных токов в ряде основных авроральных процессов, выяснить механизмы формирования неоднородностей различных типов, возникающих при протекании поперечных токов в высокоширотной и среднеширотной ионосфере и предсказать их характерные особенности, рассмотреть трансформацию интенсивного акустического импульса в плазменные возмущения, распространяющиеся в магнитосферу, учесть реальные условия взаимодействия внутренних волн с ионосферой, а также могут быть применены для решения практических задач совершенствования электромагнитных методов контроля и дискриминации подземных ядерных взрывов, предупреждения о сейсмической и экологической опасности.

Личный вклад автора. В монографиях «Физические явления в дневных полярных каспах» (совместно с Пудовкиным М. И., Клейменовой Н. Г., Троицкой В.А.) и «Ионосферные предвестники землетрясений» (совместно с Липеровским В. А., Похотеловым O.A.) автором написаны по две главы в каждой из монографий. В работах с соавторами вклад автора паритетный.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Диссипация интенсивного продольного тока в авроральной области (при развитой электростатической ионно-цикпотронной или ионно-звуковой неустойчивостях) сопровождается его расслоением (вследствие тепловой неустойчивости), частичным замыканием и формированием электростатических скачков на неоднородных границах токовых слоев, причем предельный уровень турбулентной энергии и продольный градиент электронной температуры в магнитосфере определяются тонкой структурой тока.

2. При выполнении определенных условий в авроральном электроджете развитие электронной термодиффузионной неустойчивости и возникновение сильных разрывов при сверхзвуковом движении замагниченной плазмы являются основными механизмами формирования неоднородностей, приводящих к наблюдаемым радиоотражениямна средних широтах в спорадических электроджетах условием развития Фарлей-Бунемановской и градиентно-дрейфовой неустойчивостей является генерация достаточно сильных поляризационных электрических полей.

3. Нелинейный отклик нижней ионосферы на воздействие интенсивных акустических волн сопровождается сжатием фоновых неоднородностей, перестройкой диссипативной области их спектра, генерацией мощного импульса продольного тока и развитием ряда низкочастотных плазменных неустойчивостей в магнитосфере.

4. Распространение внутренних гравитационных волн в сжимаемой неоднородной атмосфере характеризуется нелинейной генерацией гармоник, а при определенных условиях — фокусировкой и диссипативными эффектами, которые могут приводить, соответственно, к нелинейному отклику ионосферы и развитию вертикальной структуры крупномасштабных ионосферных неоднородностей.

Краткое содержание диссертации.

В первой главе рассмотрены вопросы аномальной диссипации интенсивного продольного тока и формирование неоднородностей в полярной верхней ионосфере.

При передаче энергии от магнитосферы к ионосфере посредством продольных и замыкающих их поперечных токов, локализованных в авроральной зоне, определяющим процессом является такая перестройка ионосферной плазмы, которая позволяет ей проводить большой ток, требуемый внешними условиями. Согласно измерениям на высотах ~Re (Mozer et al., 1980), плотность продольного тока настолько интенсивна, что возбуждается ряд неустойчивостей, и прежде всего неустойчивость с наименьшим порогом — электростатическая ионно-циклотронная (ЕЮ). Эффективный нагрев ЕЮ-волнами ионов (в основном поперек геомагнитного поля) позволяет ввести ионные температуры, соответствующие продольной и поперечной степеням свободы. Поскольку неустойчивость развивается только если токовая скорость u>ucr, а критическая скорость ucr пропорциональна поперечной температуре ионов Ту., то с ростом поперечной температуры имеем ucr-" и, и неустойчивость должна была бы выключаться, что противоречит наблюдениям. По оценкам, эффективный диффузионный отвод нагретых ионов из области турбулентности, обеспечивающий квазистационарность, был бы возможен лишь при наличии тонких токовых слоев с масштабом <1 км, поэтому должен существовать соответствующий механизм расслоения крупномасштабного тока в турбулентной плазме.

Такой механизм рассмотрен в разделе 1.1. При учете релаксации энергии нагретых ионов за счет ион-ионных столкновений показано, что развивается апериодическая тепловая неустойчивость, в результате которой выше максимума F слоя возникает характерный масштаб токовых слоев порядка «длины остывания» горячих ионов ~ л/Дуг~, где DXiкоэффициент поперечной диффузии ионов в турбулентной плазме, — характерное время обмена энергией за счет ион-ионных соударений. Ниже максимума F слоя масштаб продольных токов порядка ~Лл, где L — Djr — «диффузионная длина», / = л/Д~г~ - «длина остывания», d± - коэффициент амбиполярной диффузии в турбулентной плазме, тг xinхарактерные времена рекомбинации ионов и обмена энергией с нейтралами. Оценки этих масштабов хорошо согласуются с экспериментом.

В разделе 1.2 рассмотрена задача о частичном замыкании продольного тока на неоднородных границах токовых слоев в плазме с развитой ЕЮ турбулентностью.

Из кинетических уравнений для ионов и электронов в квазигидродинамическом приближении найдено выражение для плотности тока замыкания и показано, что в верхней ионосфере на неоднородных границах мелкомасштабных токовых слоев при развитой ЕЮ турбулентности могут возникать поперечные токи, частично замыкающие продольные. Поперечный ток связан с передачей среднего, направленного вдоль неоднородной границы, импульса волн резонансным ионам и электронам. При этом в однородной плазме, когда спектр турбулентности изотропен, замыкание продольного тока поперечным отсутствует. С учетом искажения спектра волн в слабонеоднородной плазме найдена величина тока j± > 3−10″ 9 А/м2, согласующаяся с измерениями спутниковых пар (S3−2 и S3−3, DE-1 и AKEBONO).

В разделе 1.3 проанализировано следствие частичного замыкания тока на магнитосферных высотах — формирование электростатических скачков на неоднородных границах токовых слоев.

В предположении, что при замыкании продольных токов на неоднородных границах мелкомасштабных токовых слоев в турбулентной плазме поляризационное разделение зарядов идет быстрее, чем расплывание неоднородности, для электрического поля получено модельное нелинейное уравнение Бюргерса. Асимптотические оценки величины электрического поля в скачке, описываемым этим уравнением, и масштабы скачка согласуются с наблюдениями. При этом, по оценкам, вклад электростатических скачков в процесс замыкания продольного тока сравним с диамагнитным и педерсеновским токами.

В разделе 1.4 рассмотрен вопрос о предельной величине плотности низкочастотной электростатической турбулентности в областях протекания интенсивного продольного тока.

В условиях верхней ионосферы на уровень турбулентности могут оказать влияние не только нелинейные процессы, но и турбулентный нагрев, а также процессы расслоения продольных токов. Если обратиться к результатам экспериментальных исследований на высоких широтах, то как наземные измерения (Барсуков и Пудовкин, 1970), так и измерения со спутников (спутник S3−3) позволяют считать, что существует некоторый предел для плотности энергии электростатической турбулентности, достигаемый при протекании в верхней ионосфере токов порядка j//" 0.5−10″ 6 А/м2.

Это явление удовлетворительно объясняется, если на авроральных силовых линиях возбуждены электростатические ионно-циклотронная и ионно-звуковая неустойчивости. Для случая, когда ЕЮ неустойчивость стабилизирована уширением ионных резонансов, получено соотношение, учитывающее нелинейную зависимость уровня.

I ½ от значения относительной турбулентности дп / п = (/ п токовой скорости иЛ/е в режиме co/k//ve < u/ve < 1 и дающее ограничение плотности турбулентной энергии при возрастании токовой скорости. При этом максимальная величина относительной спектральной плотности турбулентной энергии составляет 10″ 2 Гц" ½ на частоте f «128 Гц при jz ~ 0.7−10» 6 А/м2, что соответствует эксперименту.

Большие продольные скорости с u/ve > 1 возбуждают бунемановскую и далее ионно-звуковую неустойчивость в режиме Сагдеева. Показано, что образующаяся в результате турбулентность нестационарна, ее уровень убывает со временем по закону 5n/n «l/3(co? t)¼ и не зависит от величины продольного тока. Исследованы различные механизмы срыва турбулентности, из которых наиболее эффективным оказался уход волн через поперечные границы мелкомасштабного токового слоя. Для поперечного размера /х срыв произойдет через время т «co?(3en/x/ jz)2. Для /±~ 1 км и u/ve < 1, имеем т ~ 0.1с, и в этом случае максимальная относительная спектральная плотность турбулентной энергии ионно-звуковых волн порядка 2Ю 3Гц» ½ (на частоте f=oo?/27t), то есть не больше той, что дает EIC турбулентность.

В разделе 1.5 рассмотрена задача об образовании крупномасштабного градиента электронной температуры в областях протекания продольного тока.

В дневном каспе выше максимума F слоя по результатам серии пролетов спутника DE-2 был обнаружен (Curtis et al., 1985) продольный квазистационарный градиент температуры электронов порядка 10 К/км (температура растет с высотой) при наличии нисходящего потока электронов переходой области. Согласно оценкам, электрон-электронные столкновения не могут обеспечить установление наблюдаемого градиента температуры. В предположении, что рассеяние частиц происходит на турбулентных пульсациях (внешняя турбулизация), рассмотрен механизм передачи энергии высыпающихся электронов после инжекции плазмы переходной области в касп) окружающим частицам. Показано, что разлет горячих электронов, сопровождаемый встречным потоком холодных (в данном случае — ионосферных) электронов для компенсации заряда, приводит к установлению квазистационарного профиля электронной температуры выше максимума F слоя в согласии с экспериментом, если движение ионосферных электронов происходит через области нестационарной (из-за ухода волн через границы токовых слоев) ионно-звуковой турбулентности.

Вторая глава посвящена вопросам формирования неоднородностей в нижней ионосфере в областях протекания интенсивного поперечного тока.

В предыдущей главе было показано, что эффект частичного замыкания продольного тока имеет место уже в верхней полярной ионосфере (магнитосфере) — основное замыкание происходит в нижней ионосфере, где вследствие этого процесса формируются мощные электроджеты — струи поперечного холловского тока.

Многолетние исследования аврорального электроджета с помощью радаров привели к выделению 4-х типов радиоотражений от движущихся неоднородностей. Типы 1 и 2 соответствуют развитию известных плазменных неустойчивостей Фарлея-Бунемана (ФБ) и градиентно-дрейфовой (ГД). Природа радиоотражений 3 и 4 типов многие годы оставалась неясной, несмотря на попытки интерпретации в терминах ФБ и ГД неустойчивостей. И только выход за рамки устоявшихся представлений о механизмах возникновения неустойчивостей в электроджете позволил нам удовлетворительно объяснить эти явления.

В разделе 2.1 рассмотрено возникновение сильных разрывов при сверхзвуковом движении плазмы полярной ионосферы и связанная с этим явлением проблема радиоотражений 4 типа.

Из эксперимента известно (Haldoupis and Sofko, 1979), что в полярном электроджете иногда регистрируют радиоотражения, которые соответствуют перемещению ионосферных неоднородностей со скоростью, заметно превышающей скорость звука в плазме Сэ. Доплеровские спектры этих короткоживущих (время жизни от нескольких секунд до нескольких минут) и появляющихся при высокой геомагнитной активности радиоотражений, названных радиоотражениями 4 типа, (обычно, но не обязательно) сопровождаются доминирующей широкой компонентой той же доплеровской полярности. Широкая компонента соответствует неоднородностям, движущимся с фазовой скоростью, близкой к Се (считается, что эти неоднородности обусловлены ФБ неустойчивостью), тогда как узкая компонента радиоэха 4 типа появляется, как правило, на фазовых скоростях вблизи 2С3.

Используя одномерную модель гидродинамического типа мы показали, что возмущения, распространяющиеся по дрейфующему сверхзвуковому потоку, становятся неустойчивыми с того момента, когда в результате торможения из-за столкновений скорость дрейфа ионов относительно нейтралов в электроджете (на высотах, где V, ~) становится меньше 2Св. При этом формируется ударная волна, что и вызывает появление радиоотражений 4 типа. Предсказана область локализации этих радиоотражений в электроджете — на высотах, где ионы становятся замагниченными.

В разделе 2.2 рассмотрен механизм образования неоднородностей, приводящий к радиоотражениям 3 типа в полярном электроджете.

Радиоотражения 3 типа характеризуются очень узким пиком в доплеровском спектре, расположенным на дозвуковых скоростях, обычно в области 200 м/с (то есть вблизи Сэ/2). Сигнал достаточно интенсивен, что, в сочетании с узостью спектра, означает отражение от неоднородностей большой амплитуды. Радиоэхо, как правило, появляется в периоды высокой геомагнитной активности при протекании сильных токов электроджета.

В предложенном механизме наряду с традиционными для ФБ неустойчивости уравнениями непрерывности и баланса импульса было учтено также уравнение баланса тепла. Такой подход представляется более последовательным, поскольку 1) тепловые неустойчивости, как правило, имеют низкие пороги возбуждения, и 2) это согласуется с тем, что неоднородности 3 типа формируются во время геомагнитных возмущений, связываемых с протеканием сильных токов и нагревом плазмы электроджета.

С помощью аналитических и численных расчетов показано, что в областях электроджета, где выполнено условие Те /Т, > 3 (возможное при высокой геомагнитной активности), порог возбуждаемой электронной термодиффузионной (ЭТД) неустойчивости заметно ниже Cs и варьируется от 0.3Cs до 0.6Cs (для неоднородностей масштаба ~3 м), а ее инкремент на порядок превышает инкремент ФБ неустойчивости. Другими словами, ЭТД и ФБ неустойчивости должны развиваться в разных местах электроджета. По данным радара EISCAT построены модельные доплеровские спектры, которые подтвердили, что возникновение радиоотражений 3 типа можно связать с развитием ЭТД неустойчивости.

В разделе 2.3 рассмотрен вопрос о сильных электрических полях в среднеширотной ионосфере и связанных с ними радиоотражениях.

Несмотря на отсутствие электроджетов на средних широтах, здесь, с использованием 50 МГц радара SESCAT, были обнаружены (Schlegel and Haldoupis, 1994) радиоотражения 1 и 2 типов, для возникновения которых необходимы достаточно сильные электрические поля, характерные для высокоширотной и экваториальной ионосфер. Так как среднеширотные радиоотражения коррелируют с наличием спорадических слоев Е, то естественно было связать сильные электрические поля, необходимые для развития неустойчивостей, с поляризационными полями слоев Es и, тем самым, интерпретировать их как спорадические электроджеты. Однако было замечено, что присутствие слоев не гарантирует наличия радиоотражений. Это указывало на действие некоторых факторов, уменьшающих сильные поляризационные поля.

Аналитически и численно исследовано влияние продольных токов и геометрических параметров спорадического слоя Е на сильные поляризационные поля. Показано, что токи деполяризации могут вызвать существенное уменьшение величины поля в ночной ионосфере для протяженных слоев. Установлено, что генерация неоднородностей, обуславливающих радиоотражения на средних широтах, возможна только для не слишком протяженных в зональном направлении слоев с малым отношением интегральных педерсеновских проводимостей вне и внутри слоя, у которых меридиональный масштаб значительно больше зонального.

В разделе 2.4 рассмотрен механизм образования квазипериодических радиоотражений в ионосфере средних широт.

У среднеширотных радиоотражений, имеющих высокую ракурсную чувствительность, часто отмечается квазипериодическая модуляция сигнала с периодами как несколько больше, так и несколько меньше частоты Брента-Вяйсяля (~5 мин). Следует отметить, что их появление не связано с геомагнитной активностьюдоплеровские спектры радиоотражений, как правило, очень узкие и симметричные относительно среднего сдвигаони имеют низкие фазовые скорости (<80 м/с, что значительно ниже Сэ).

Возникновение радиоотражений этого типа связывается с развитием тепловой неустойчивости ионосферной плазмы при модуляции порога неустойчивости акустико-гравитационными волнами. Однако в отличие от высокоширотной ионосферы, где за счет диссипации тока электроджета нагреваются в основном электроны, для среднеширотной ионосферы рассмотрен нагрев ионов в поперечных поляризационных электрических полях, обусловленных горизонтальными движениями нейтрального газа. Учет зависимости частоты столкновений от температуры приводит в этом случае к снижению порога неустойчивости до наблюдаемых в эксперименте величин. Порог может быть еще ниже, если учесть, что возникновение радиоотражений ассоциируется с формированием спорадических слоев Е, состоящих из тяжелых металлических ионов Ре+.

В третьей главе рассмотрено формирование неоднородностей, сопровождающих воздействие акустического импульса на ионосферу.

В последние годы интерес к исследованию влияния интенсивных акустических волн на ионосферу повысился в связи с проведением серии активных экспериментов с промышленными и подземными ядерными взрывами. Однако в рамках линейных моделей не удавалось интерпретировать ряд экспериментальных результатов. В частности, в эксперименте МАССА, когда пролет спутника был приурочен к промышленному взрыву, со спутника, вблизи силовой трубки взрыва, бортовым магнитометром был зафиксирован кратковременный всплеск электромагнитного поля с амплитудой магнитного поля порядка 100 нТ (Гальперин и др., 1985). Далее, при распространении через ионосферную плазму акустического импульса от мощного наземного взрыва, методом частичных отражений была зарегистрирована (Blanc and Rickel, 1989) модификация фоновых ионосферных неоднородностей, когда пространственные масштабы неоднородностей уменьшались от 10 км до ~2 км. Такое положение указывало на существование ранее не известного нелинейного и чрезвычайно эффективного механизма трансформации акустических сигналов в электромагнитные.

Механизм нелинейного отклика ионосферы на импульсное акустическое воздействие рассмотрен в разделе 3.1, где решена задача о параметрическом усилении магнитного сигнала в неоднородной слабоионизованной плазме при акустической накачке.

В приближении электронной магнитной гидродинамики для магнитного поля получено нелинейное уравнение, с помощью которого рассмотрен эффект усиления мелкомасштабного гармонического фонового магнитного сигнала в неоднородной слабоионизованной плазме при параметрическом взаимодействии с крупномасштабным импульсом накачки, возбуждаемым акустическим источником. Усиление сигнала имеет место лишь на нелинейной стадии, когда можно не учитывать диссипативные процессы. Получено выражение для коэффициента усиления, который в Е слое ионосферы оказался порядка 30 для «слабого» сигнала (~3 нТ).

В разделе 3.2 рассмотрен эффект сжатия ионосферных неоднородностей под действием акустического импульса.

С помощью нелинейного уравнения, полученного в приближении электронной магнитной гидродинамики (раздел 3.1), показано, что мелкомасштабные фоновые неоднородности плотности ионосферы при прохождении крупномасштабного акустического импульса изменяют свои амплитудные, пространственные и временные характеристики. При этом эволюция амплитуд периодического и шумового сигналов различна (из-за слияния разрывов в последнем случае). Оценки изменения временного и пространственного масштабов фоновых периодических неоднородностей показывают, что они могут уменьшаться при взаимодействии с участком сжатия волны накачки. Этот эффект, который можно рассматривать как обострение градиентов концентрации неоднородностей, имеет место на нелинейной стадии, когда не учитываются диссипативные процессы.

Изучение воздействия шумового акустического источника на ионосферу (раздел 3.3) в рамках используемого нами подхода может быть сведено к задаче о коротковолновой асимптотике турбулентности Бюргерса, возбуждаемой случайной внешней силой. Речь идет именно об особенностях мелкомасштабного спектра, поскольку он попадает в метровый диапазон, хорошо изученный с помощью радаров. Найдено аналитическое выражение для спектра, которое содержит параметр, учитывающий нелинейную перекачку энергии по спектру. Это отличает найденное решение как от асимптотики спектра Колмогорова-Обухова, так и от асимптотики нестационарной турбулентности Бюргерса. Указанное отличие может служить диагностическим признаком для дискриминации воздействия акустического шума на ионосферу.

В разделе 3.4 рассмотрена структура магнитного импульса на начальном участке распространения в неоднородной верхней ионосфере. Этот процесс может быть описан уравнением Клейна-Гордона. Импульс имеет характерную форму с крутым передним фронтом, сопровождаемым осциллирующим следом. Оценки масштаба фронта импульса и периода осцилляций согласуются с экспериментальными величинами, зарегистрированными во время проведения эксперимента МАССА со спутника Ореол-3.

В разделе 3.5 обсуждены механизмы генерации неоднородностей УНЧ-КНЧ-ОНЧ диапазона («турбулентные пятна») в верхней ионосфере при распространении мощного импульса продольного тока.

Показано, что при достаточно большой амплитуде магнитного импульса возможна генерация электростатической ионно-циклотронной неустойчивости и, далее, тепловой неустойчивости, обусловленной анизоторопным турбулентным нагревом ионов плазмы. В результате, после прохождения импульса, силовая трубка взрыва заполняется неоднородностями УНЧ-КНЧ диапазонов. Согласно оценкам, время диффузионного расплывания неоднородностей УНЧ диапазона, определяемое как уменьшение концентрации в е раз, может варьироваться (в зависимости от высоты спутника) от часа до десятка часованалогичное время релаксации неоднородностей КНЧ диапазона сравнительно невелико — от нескольких десятков секунд до десятка минут. Однако в последнем случае достаточно большая амплитуда ЕЮ колебаний позволяет зарегистрировать их со спутника и при десятикратном уменьшении концентрации неоднородностей, в результате чего время жизни неоднородностей увеличивается более чем на порядок. Рассчитанные характеристики неоднородностей, связанных с распространением мощного магнитного импульса, согласуются с наблюдениями.

Крупномасштабные неоднородности КНЧ-УНЧ диапазона служат источником свободной энергии для ОНЧ колебаний. Такие колебания после взрывов регистрировались в волновых экспериментах со спутников «Ореол-3» и «Интеркосмос-19». Оценки длины волны и интенсивности излучения позволяют отнести его к нижнегибридным дрейфовым волнам.

В четвертой главе рассмотрены ионосферные неоднородности, возникающие при прохождении внутренних гравитационных волн (ВГВ) через ионосферу.

В разделе 4.1 проанализированы нелинейные возмущения в ионосфере при прохождении ВГВ.

Данные об ионосферных возмущениях при воздействии ВГВ, полученные с помощью современных радаров (Natorf et al., 1992), не удается описать в рамках линейной теории даже при учете диссипативных процессов, связанных с вязкостью и теплопроводностью. Следовательно, необходимо учитывать возможные нелинейные процессы, вызваные прохождением ВГВ через ионосферу.

Одним из таких процессов является генерация высших гармоник исходной синусоидальной волны. Для этого случая получено общее нелинейное уравнение с учетом сжимаемости и неоднородности атмосферы, пригодное для волн конечной амплитуды. Для волн малой амплитуды, когда применим метод последовательных приближений, найдена вторая гармоника возмущенной скорости для синусоидальной основной волны. Показана необходимость учета в этом случае нелинейностей (кроме конвективных), связанных с возмущениями плотности и давления, которыми пренебрегали в прежних исследованиях. Найден нелинейный отклик F области ионосферы на прохождение ВГВ. Показано, что отклик резко возрастает при выполнении резонансного условия, когда ВГВ возбуждает собственные ионосферные моды. Получены оценки амплитуд резонансного отклика.

В разделе 4.2 проанализирован эффект фокусировки ВГВ в двумерно-неоднородной атмосфере.

Сильное воздействие ВГВ на верхнюю атмосферу при распространении волны вверх обычно связывают с экспоненциальным ростом амплитуды колебательной скорости из-за быстрого падения плотности атмосферы с высотой. Между тем, при наличии в верхней атмосфере двумерной неоднородности температуры или скорости ветра (как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях) может реализоваться другой механизм сильного роста волнового поляфокусировка. Благодаря двумерной неоднородности возникает сужающийся горизонтальный волновод, в котором пакет ВГВ, смещаясь к точке вырождения волновода, сжимается, замедляется и амплитуда волнового поля растет (в рамках гидродинамики идеального газа возникает сингулярность (Ерохин и Сагдеев, 1985)). Следовательно, вопервых, меняется характер распространения ВГВ — появляется эффективный механизм перекачки энергии в область малых масштабов, и ВГВ без существенного изменения высоты попадают в режим нелинейной динамики. Во-вторых, изменяются условия генерации ионосферных неоднородностей по сравнению со случаем взаимодействия квазисинусоидальных волн с ионосферной плазмой — в области фокусировки усиливается взаимодействие термосферы с ионосферой. Последнее может проявляться, например, как пятнистая структура возмущений параметров верхней атмосферы («горячие» пятна) или изрезанность вертикальной структуры полей.

Для распространяющейся в атмосфере ВГВ показана возможность фокусировки ВГВ, захваченных вертикально и горизонтально неоднородным ветром типа струи. Сформулированы условия локализации возмущений внутри ветра (со > сов, V < 50 км) и последующей фокусировки ВГВ. Вычислены предельные коэффициенты усиления коллапсирующих ВГВ, которые оказались порядка 10−100 при стабилизации фокусировки вязкостью. Показано, что учет сжимаемости газа приводит к конечному поглощению энергии ВГВ на уровне О = озв (^ =со — кхи, и — скорость ветра, ювчастота Брента). Соответствующий нагрев нейтрального газа может инициировать формирование спорадических слоев, что согласуется с наблюдениями.

В разделе 4.3 обсуждена вертикальная структура ионосферных возмущений, вызванных диссипацией внутренней гравитационной волны при ее прохождении через атмосферу.

Для расчета реальной картины распространения атмосферной гравитационной волны в диссипативной, неоднородно стратифицированной (по температуре и ветру) атмосфере применена численная модель АОЛ/Л/МО (Погорельцев и Перцев, 1995). Рассчитывалось распространение ВГВ от источника массы с характерными горизонтальными размерами 200 км и периодом порядка 1 ч для приземной амплитуды колебаний общей плотности воздуха порядка 0.1 фоновой плотности СОг. Показано, в частности, что при благоприятной ветровой стратификации и вследствие диссипации ВГВ на ионосферных высотах создаются условия для трансформации ВГВ в плазменные возмущения, развитие которых, согласно оценкам, может приводить к ионосферным аномалиям, включающим фазовые аномалии на трассах распространения радиоволн, вариации плотности ионосферных слоев, вариации интенсивности свечения, аномалии УНЧ-КНЧ-ОНЧ шумов в верхней ионосфере.

Рассмотренная схема воздействия длиннопериодных ВГВ на ионосферу снизу в достаточной степени универсальна, т. е. не зависит от природы источника волн.

В разделе 4.4 проанализированы экспериментальные результаты подтверждающие модельные представления об отклике ионосферы на прохождение ВГВ, развитые в предыдущих разделах.

В частности, были проанализированы и систематизированы наиболее надежные современные экспериментальные результаты, полученные разными научными коллективами при исследовании ионосферы над сейсмически активными регионами Кавказа, Средней Азии и Камчатки. Выявлены характерные временные и пространственные масштабы проявления специфических крупномасштабных ионосферных возмущений, возникающих в периоды сейсмической активности. На основе анализа физических процессов, обуславливающих эти возмущения, сделан вывод об определяющей роли нейтральной компоненты ионосферы в создании возмущений (внутренние гравитационные волны). Рассмотрены возможные механизмы генерации ВГВ в сейсмически активных регионах.

В заключении к диссертации сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты, полученные в данной диссертационной работе, следующие:

1. Показано, что диссипация интенсивных продольных токов в полярной верхней ионосфере сопровождается расслоением однородной плазмы при ее турбулентном нагреве электростатическими ионно-циклотронными волнами. При этом наличие тонкой структуры продольного тока обеспечивает квазистационарность областей турбулентности, приводит к частичному замыканию его поперечным током в турбулентной плазме верхней ионосферы и (при учете замыкания) к формированию электростатических скачков, определяет предельное значение плотности турбулентной энергии и формирование крупномасштабного продольного градиента электронной температуры.

2. Аналитически и численно показано, что в областях протекания интенсивных поперечных токов (авроральных электроджетах) в результате развития электронной термодиффузионной неустойчивости в сильно разогретой плазме нижней ионосферы возникают радиоотражения 3 типапредсказано, что радиоотражения 1 и 3 типов должны наблюдаться в разных областях полярного электроджета.

3. Определены условия возникновения сильных разрывов при сверхзвуковом движении плазмы полярной нижней ионосферыпредсказана область их локализации в верхней части электроджета и связь с радиоотражениями 4 типа.

4. Показано, что на средних широтах в спорадических электроджетах (областях формирования спорадических слоев Е) при определенных плотностях плазмы и соотношениях масштабов слоя генерируются сильные поляризационные электрические поля, которые сопровождаются развитием мелкомасштабных ГД и ФБ неустойчивостей и, соответственно, появлением среднеширотных радиоотражений.

Особый тип квазипериодических радиоотражений в областях формирования спорадических слоев Е связывается с развитием термодиффузионной неустойчивости при прохождении АГВ.

5. С помощью нелинейного уравнения, полученного в приближении электронной магнитной гидродинамики, а) рассмотрен эффект усиления гармонического магнитного сигнала в неоднородной слабоионизованной плазме при параметрическом взаимодействии с импульсом накачки, возбуждаемым акустическим источникомполучено выражение для коэффициента усиления, который для параметров плазмы Е слоя оказался порядка ~ 30 для сигнала ~ 3 нТб) показано, что воздействие крупномасштабного акустического импульса на мелкомасштабные ионосферные неоднородности приводит к их сжатиюв) получено асимптотическое выражение для стационарного спектра энергии в диссипативной области турбулентности Бюргерса, возбуждаемой случайной внешней силойпоказано, что, в отличие от случая нестационарной турбулентности, спектр содержит параметр, характеризующий перекачку энергии в мелкомасштабную областьуказанное отличие спектров может быть использовано как диагностический признак.

6. Определен механизм образования и дана оценка времени жизни областей электростатических неоднородностей УНЧ-КНЧ-ОНЧ диапазона, регистрируемых в верхней ионосфере после прохождения мощного магнитного сигнала.

7. Рассмотрено влияние гармоник внутренних гравитационных волн (ВГВ) на формирование квазипериодических возмущений в Р области ионосферыпроанализированы условия резонансного ионосферного отклика на прохождение ВГВпоказано, что для нахождения гармоник плоской волны необходимо учитывать нелинейности, связанные с возмущением плотности и давления.

8. Аналитически и численно исследован эффект фокусировки ВГВ в атмосфере с вертикальной и горизонтальной неоднородностями плотности и фонового ветраизучены условия запирания ВГВ внутри неоднородного течения и последующей компрессии пакета в сужающемся волноводеполучены асимптотические формулы для параметров ВГВ вблизи точки коллапса и вычислены их предельные величины на стадии стабилизации коллапса вязкостьюоценено соответствующее поглощение энергии.

9. Численно и аналитически исследован механизм формирования вертикальной структуры ионосферных возмущений при диссипации длиннопериодной ВГВ, распространяющейся через неоднородно стратифицированную (по температуре и ветру) атмосферу.

10. Проанализированы и систематизированы экспериментальные результаты, полученные в исследованиях отклика ионосферы на прохождение атмосферных ВГВ (с учетом их диссипации и трансформации в плазменные возмущения), подтверждающие основные теоретические выводы данной работы. В частности, для ионосферы над сейсмически активными регионами Кавказа, Средней Азии и Камчатки определены характерные временные и пространственные масштабы экстремального проявления специфических крупномасштабных ионосферных возмущений в периоды сейсмической активности. На основе анализа физических процессов, обуславливающих эти возмущения, сделан вывод о ведущей роли ВГВ в создании возмущений.

Заключение

.