1.1.5. Нелинейные явления в верхнегибридном резонансе Резонансная неустойчивость

Невысокая частота столкновения в F-слое определяет еще одну особенность плазмы в верхней ионосфере. Процессы переноса – диффузия и теплопроводность – в замагниченной плазме сильно зависят от отношения частоты соударений электронов ν к гиромагнитной частоте их вращения ω_H. В F-слое это отношение очень мало 3×10^-5–10^-4. В результате перенос частиц и тепла вдоль магнитного поля на несколько порядков выше, чем в поперечном направлении. Иначе говоря, процессы продольного переноса очень сильны. Это означает, что любые начальные возмущения плотности или температуры быстро стремятся превратиться в сильно вытянутые вдоль магнитного поля неоднородности.

Предположим, что такая плазменная неоднородность находится в области верхнегибридного- или (ВГ)-резонанса для радиоволны мощной станции, воздействующей на ионосферу. Тогда мощная волна может возбуждать верхнегибридные плазменные волны, при этом эффективность возбуждения плазменных волн пропорциональна градиенту концентрации плазмы . Поскольку неоднородности сильно вытянуты вдоль магнитного поля В, то максимальный градиент концентрации ортогонален В. Таким образом, мощная волна наиболее эффективно накачивает в ВГ-резонансе именно верхнегибридные плазменные волны с волновым вектором k|| . Эти волны распространяются ортогонально магнитному полю, т.е. ортогонально оси неоднородности. При этом если плотность плазмы понижена, δN<0, то волны оказываются захваченными неоднородностями и образуют стоячую ВГ-волну.

Вследствие соударений энергия ВГ-волны поглощается, что приводит к увеличению температуры электронов Т_е. Возрастание Т_е служит причиной выдавливание плазмы, т.е. усиления отрицательного возмущения концентрации плазмы. При этом абсолютная величина градиента плотности возрастает. Соответственно возрастают накачка и захват неоднородностями ВГ-волн, вновь ведущие к увеличению Т_е, понижению концентрации и дальнейшему усилению накачки волн и т.д. Таким образом, возникает неустойчивость, приводящая к увеличению электронной температуры, усилению выдавливания плазмы из неоднородности и возрастанию количества захваченных неоднородностями ВГ-волн. Эта неустойчивость получила название резонансной неустойчивости.

Резонансная неустойчивость объяснила появление в ионосфере под действием мощной О-волны огромного количества сильно вытянутых неоднородностей, приводящих к гигантскому ракурсному рассеянию радиоволн.

1.1.6. Структуризация ионосферной плазмы Эффект магнитного зенита

Эффект магнитного зенита (MZ) заключатся в следующем. В линейном приближении обыкновенная радиоволна, направленная вертикально вверх, в области отражения должна отклоняться в северном полушарии к северу. Неожиданным оказалось то, что в экспериментах по модификации ионосферы пучок мощных обыкновенных радиоволн, направленный вертикально вверх, отклоняется к югу. В соответствии с представленными выше результатами вследствие нелинейной самофокусировки мощная волна может захватываться каналом и распространяться вдоль магнитного поля. Более того, самое сильное возмущение возникает именно в направлении линии магнитного поля, проходящей непосредственно через станцию. Это и есть эффект магнитного зенита (рис.2). В направлении MZ возникает канал, в котором распространяется мощная волна и сильно повышается электронная температура: от 1000К в окружающей плазме до 3000К в канале.

Рис.2. Эффект магнитного зенита (модель). Мощная станция посылает пучок радиоволн, направленный вертикально вверх. Однако наиболее сильный нагрев электронов, свечение и возмущение ионосферной плазмы наблюдаются не в вертикальном направлении, а в направлении магнитного зенита. Возмущение при этом поднимается до 400 выше 600км, т.е. значительно выше максимума F-слоя. Магнитный зенит – направление вектора магнитного поля в месте расположения станции на Земле. Отклонение MZ от вертикали θ_z определено магнитным склонением оси магнитного диполя к оси вращения Земли и географической широты места.

Данные рассуждения справедливы для низких частот ( f 4МГц), при высоких частотах ( f 5МГц), картина усложняется. Поскольку при низких частотах область ВГ-резонанса находится существенно ниже точки отражения радиоволны при ее вертикальном падении на ионосферу. Поэтому даже при значительных углах наклона магнитного поля к вертикали радиоволны, направленные в МZ, достигают области ВГ-резонанса (рис.3(а)). При высоких частотах картина меняется. Область ВГ-резонанса в этом случае близка к точке отражения при вертикальном падении волны на ионосферу. Следовательно, даже при не очень больших углах наклона МZ к вертикали ( ) радиоволна, направленная в MZ, распространяется наклонно и отражается ниже области ВГ-резонанса (рис.3(б)).

Р ис.3. MZ – эффект в низкочастотном и высокочастотном пределе. Штрихованная прямая – направление магнитного поля (направление MZ), сплошные кривые – граничные лучи пучка возмущающей радиоволны, направленного в МZ. Высота z_UH соответствует области ВГ-резонанса, z_L – области ленгмюровского резонанса.

( а) Радиоволны низкой частоты. Видно, что пучок радиоволн, направленный в МZ, свободно достигает области ВГ-резонанса, где вследствие резонансной неустойчивости развивается ВГ-турбулентность, приводящая, в конечном счете, к сильному разогреву плазмы и формированию канала, в который захватывается волна накачки. В результате возмущающая волна достигает области не только верхнегибридного, но и ленгмюровского резонанса, где происходит эффективное ускорение электронов. Область канала показана штриховкой.

(б) Радиоволна высокой частоты. Область резонансов (между z_UH и z_L) в этом случае узкая. Радиоволна, направленная в MZ, отражается ниже электронов плазмы в окрестности точки отражения, плазма постепенно “продавливается” (область прогрева показана пунктирной линией). В результате волна достигает области ВГ-резонанса. Далее процесс возникновения MZ-эффекта идет так же, как и для низкочастотной волны. Отличие в запаздывании проявления эффекта на 20–30с. Это время прогрева электронов с постепенным выдавливанием плазмы.

В этом случае эффект достигается за счет омического нагрева электронов ионосферы в окрестности точки отражения радиоволны. Вследствие прогрева электронов в области отражения плазма “продавливается ” и волна, продвигаясь выше, достигает области ВГ-резонанса. Затем процесс развивается так же, как и в низкочастотном случае. Наличие предварительного прогрева фиксируется в эксперименте как запаздывание возникновения MZ-свечения в высокочастотном пределе (так как предварительный прогрев требует значительного времени: 20–30с). Поэтому можно сказать, что MZ-эффект в высокочастотном случае в известном смысле аналогичен пробиванию “дыры” в ионосфере в результате омического нагрева плазмы. Однако общая физическая природа MZ-эффекта, связанная с резонансными процессами, значительно сложнее.