1.1.4. Физическая природа модификации ионосферы

В ионосфере, как и во всякой плазме, имеются собственные колебания и волны. Наиболее интересными являются электронные ленгмюровские колебания и тесно связанные с ними продольные ленгмюровские волны. Частота этих колебаний ω_L возрастает с увеличением плотности плазмы:

(1)

где е и m – заряд и масса электрона, N(z_L) – плотность плазмы на высоте z_L.

В ионосфере плотность плазмы N возрастает с увеличением высоты z до максимума в F-слое. Соответственно возрастает и ленгмюровская частота. В точке отражения распространяющейся вертикально вверх обыкновенной радиоволны ее частота ω совпадает с ленгмюровской частотой . Совпадение частот означает, что возможно резонансное взаимодействие мощной О-волны с собственными колебаниями и волнами ионосферной плазмы. Именно резонансные процессы взаимодействия мощной волны накачки с собственными колебаниями ионосферной плазмы и определяют основные особенности модификации F-слоя.

Существенное влияние на частоту собственных продольных колебаний ионосферной плазмы оказывает магнитное поле Земли B. Если плазма оказывает магнитное поле, точнее, если напряженность электрического поля колебаний Е направлена вдоль В ( т. е. ), то собственная частота колебаний совпадает с ленгмюровской частотой . Если же вектор напряженности электрического поля Е перпендикулярен магнитному полю В, то собственная частота колебаний равна верхнегибридной частоте ω_UH:

(2)

где – гиромагнитная частота. При одном и том же значении концентрации плазмы N разница между частотами составляет 2–10%. Отсюда следует, что поскольку в ионосфере плотность плазмы N изменяется с высотой z, то для мощной волны с заданной частотой ω существует целый резонансный слой. На нижней границе слоя достигается верхнегибридный резонанс: , на верхней границе – ленгмюровский резонанс . Толщина резонансного слоя в условиях F-области ионосферы составляет 2–10км.

Основные особенности нелинейного воздействия мощной радиоволны на верхнюю ионосферу.

1. Области резонансов достигает только обыкновенная волна при вертикальном или близком к нему направлении распространения. Необыкновенная волна всегда отражается ниже высоты резонансов.

2. Вблизи точки отражения амплитуда радиоволны значительно возрастает. Причина этого – уменьшение групповой скорости в области отражения. Возрастание амплитуды способствует усилению нелинейных процессов.

3. Возбуждению продольных собственных колебаний плазмы препятствуют столкновения электронов. В F-слое частота соударения весьма мала: ν3×10²–10³с^-1, что на много порядков меньше собственной частоты колебаний ω_L10⁷-3×10⁷см^-1. Это создает возможность для интенсивного нелинейного возбуждения собственных волн плазмы под действием волны накачки.

4. Благодаря незначительности столкновительных потерь создается возможность осуществления целого комплекса процессов нелинейного взаимодействия и взаимной трансформации плазменных волн, возбуждения турбулентных спектров и возникновения плазменных структур и ускорения электронов.