ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ......................................................... 4
Глава I. Плазменные баллистические процессы .... 14
I. Принцип баллистической связи..............................14
2. Коэффициент регенерации ..................................21
3. Влияние столкновительной расфазировки электронов
на регенерацию волн конечной амплитуды ...................28
4. Регенерация с изменением длины волны......................35
Глава П. Некогерентные баллистические процессы 38
1. Возможность получения информации о волне за
широким барьером непрозрачности ..........................38
2. Баллистические процессы при распространении волновых пакетов .......................................... 45
Глава III. Баллистические птюпессы в аврошльной
зоне 49
1. Электромагнитные шумы авроральной плазмы..................49
2. Баллистическая связь КПЗ и АШ ............................53
3. Возможность дальнейшего экспериментального
изучения баллистической связи КИЗ и АШ....................61
Глава 1У. Критический механизм генерации
километрового излучения Земли .................. 63
1. Основные свойства КИЗ.....................................63
2. Теории генерации КИЗ......................................65
3. Критический механизм генерации КИЗ........................73
4. Общая схема генерации КИЗ.................................77
Глава У. Исследование возможности критической
генерации километрового излучения Земли 84
1. Основные модельные предположения..........................84
2. Модель источника КИЗ с кусочно-постоянным показателем преломления .....................................88
3. Численный анализ плоскослоистой плазменной структуры ..................................................100
4. Сравнение теории с экспериментальными данными . . 103
Заключение Литература Приложение
ВВЕДЕНИЕ
Распространение и возбуждение волн в неоднородной плазме представляет собой большой и бурно развивающийся раздел физики, который имеет многочисленные приложения в различных областях науки и техники. Большое число таких задач возникает в космической электродинамике и, в частности, в теории планетных магнитосфер.
Особенности магнитосферной плазмы, такие как относительно большая длина свободного пробега частиц, а также обычно имеющая место неравновесность их функции распределения, приводят к необходимости учета различных кинетических процессов. Такие эффекты могут играть определяющую роль и при возбуждении электромагнитных волн, и при их распространении, и в осуществлении электродинамических связей между различными плазменными модами или различными областями магнитосферы. При этом часто оказывается существенной неоднородность плазмы.
В диссертационной работе рассматриваются кинетические эффекты, обусловленные взаимодействием плазменных волн с резонансными частицами, в условиях, когда неоднородность плазмы имеет принципиальное значение. Исследование проводится применительно к двум тесно связанным меаду собой геофизическим задачам: вопросу о возможности баллистической связи между двумя аврораль-ными радиошумами - километровым излучением Земли (КИЗ) и авро-
- 5 -
ральными шипениями (АШ), и к проблеме генерации КИЗ.
Актуальность темы. Исследование резонансного взаимодействия волн с частицами плазмы представляет значительный интерес, и ему уделяется большое внимание. В неоднородной среде такое взаимодействие может приводить к установлению с помощью свободно проникающих сквозь волновой барьер резонансных частиц связи между волновыми процессами, разделенными непрозрачной областью. Изучение подобных эффектов в последние годы приобрело особое значение применительно к физическим явлениям, наблюдаемым в ионосфере и магнитосфере Земли, что связано со все более широким использованием при обработке спутниковых данных методов корреляционного анализа. Устанавливаемые при этом закономерности иногда могут быть объяснены только с привлечением концепции баллистической связи. Такая ситуация возникает, например, в случае КИЗ и АШ - двух естественных радиоизлучений с неперекрывающимися областями распространения. Исследование баллистической связи, существующей между ними и теоретически рассматриваемой в настоящей работе, имеет большое научное значение, является весьма актуальным и составляет один из основных пунктов программы международного космического проекта "АЛЭКС".
Значительное внимание в последнее время уделяется изучению КИЗ. Источником энергии этого радиошума являются пучки электронов, пронизывающие магнитосферу вдоль силовых линий геомагнитного поля и известные как авроральные электронные потоки типа перевернутой буквы V . Несмотря на то, что для генерации КИЗ были предложены десятки теорий, в основе которых лежат самые различные физические механизмы, удовлетворительное объяснение возбуждения на авроральных силовых линиях интенсивного электро-
- 6 -
магнитного излучения отсутствует. Одним из перспективных процессов является прямое циклотронное возбуждение быстрой необыкновенной плазменной волны (ШВ) авроральными электронами, тлеющими, в результате отражения от магнитного зеркала усиливающегося по направлению к Земле геомагнитного поля, распределение типа "конуса потерь".
В настоящей работе рассматривается влияние на этот процесс сильной неоднородности среды. Целесообразность такого исследования связана с тем, что плазма в зоне генерации КИЗ существенно неоднородна. При этом, согласно многочисленным наблюдениям, возбуждение километрового радиоизлучения происходит с частотой, близкой к локальной частоте отсечки, т.е. КИЗ испускается вблизи поверхности полного внутреннего отражения, где приближение слабонеоднородной среды неприменимо.
Практическая и научная ценность. Результаты проведенного в диссертации исследования тлеют существенное значение для дальнейшего развития теории распространения и возбуждения плазменных волн. Они могут быть использованы при экспериментальном и теоретическом изучении волновых процессов как в космической, так и в лабораторной плазме, при интерпретации имеющихся спутниковых данных, а также при постановке и планировании дальнейших экспериментов, в том числе и активных, в ближнем космосе (в частности, в рамках проекта "АПЭКС").
В работе развита согласующаяся с наблюдательными данными теория генерации КИЗ - наиболее мощного радиоизлучения магнито-сферной плазмы, играющего существенную роль в физике аврораль-ной зоны. При этом, хотя в диссертации внимание сосредоточено на возбуждении километрового радиошума, рассмотренный принцип
- 7 -
генерации электромагнитных волн имеет большее значение. Известно, что магнитосферы других планет являются источниками радиоизлучений, сходных по свойствам с КИЗ и имеющих, по-видимому, аналогичную природу (декаметровое излучение Юпитера, гектомет-ровое излучение Сатурна и др.). Кроме того, проведенные исследования представляют интерес для смежных областей физики, многие из которых, как например, плазменная СВЧ-электроника, имеют большую практическую важность.
Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах /31,37,45,68,119,120,128,130/ и докладывались на 1У Международном симпозиуме по физике ионосферы и магнитосферы Земли и солнечного ветра (Львов, 1983), Всесоюзном семинаре по многослойным интерференционным системам (Москва, 1983), Школе молодого ученого "Излучение релятивистских частиц" (МГУ, 1983), 1У Международном симпозиуме КАШ? по солнечно-земной физике (Сочи, 1984), Совещании по международному космическому проекту "АПЭКС" (Москва, 1984), ХУ Научной конференции ЙЗШРАН (1985), а также на научных семинарах в ИЗМИРАН, ФИАН, МГУ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения.
Во введении последовательно рассмотрены актуальность темы, ее научное и практическое значение и структура диссертации.
Композиционно основная часть работы состоит из трех разделов. Первый раздел составляют главы I и II, посвященные соответственно когерентным и некогерентным баллистическим процессам. Здесь нелокальные кинетические эффекты рассматриваются на примере модельных задач, допускающих подробное исследование. Приложению
- 8 -
теории баллистических процессов к конкретной геофизической проблеме - связи КИЗ и АШ - посвящена Ш глава. Этот вопрос оказывается непосредственно связанным с процессом генерации КИЗ. В настоящее время общепринятого объяснения возбуждения КИЗ не существует, и в третьем разделе работы, включающем в себя 1У и У главы, рассматривается теория километрового радиошума, основанная на критической генерации БИВ в сильнонеоднородной плазме.
§1 первой главы носит обзорный характер. В нем кратко рассмотрены основные нелокальные кинетические эффекты, которые основаны на том, что частицы плазмы некоторое время "помнят" о воздействовавшем на них волновом возмущении, причем эта память может макроскопически проявляться. Одним из таких эффектов является баллистическое "просветление" слоя непрозрачной плазмы, связанное с тем, что промоделированные волной резонансные электроны способны проникать в области, недоступные для самой волны, и при соответствующих условиях регенерировать там излучение.
В §2 рассматривается техника расчета баллистических процессов. Участвующие в них резонансные электроны проходят последовательно через три этапа, в соответствии с чем задача определения амплитуды регенерированной волны распадается на три последовательные операции. Наиболее сложным в математическом отношении является нахождение функции распределения промоделированных волной электронов, и ло-существу, именно решение этой задачи определяет возможность расчета баллистической связи. Зная функцию распределения, необходимо далее учесть ее модификацию во время свободного дрейфа электронов, и затем, решая уравнение регенерации, определить амплитуду "прошедшей" волны. Подробный анализ
- 9 -
проведен для случая длительного взаимодействия волны с резонансными частицами при отсутствии и при малых столкновениях.
В следующих двух параграфах рассмотрено влияние на баллистические процессы различных факторов. В §3 произведен учет столкновений. Определены условия, при которых они оказываются существенными, в частности, в плазме верхней ионосферы и магнитосферы Земли. Кроме того, показано, что в некоторых случаях столкновения в плазме приводят к усилению просветления барьера непрозрачности. Этот эффект связан с тем, что из-за обратимого характера расфазировки резонансных электронов пространственное распределение макроскопического тока за барьером имеет осцилляторный характер: электроны то отдают энергию волне, то забирают ее. Наличие в кинетическом уравнении интеграла столкновений Ландау приводит к относительно резкому гашению макроскопического тока на определенном расстоянии от барьера. Такое обрывание убывающей осциллирующей функции при некоторых условиях вызывает усиление регенерации.
В §4 рассмотрен случай, когда скорости резонансных частиц для волн, баллистически связанных меаду собой через непрозрачную область, различны. Такая ситуация обычна при баллистической трансформации плазменных мод, а также при регенерации волны, если параметры плазмы с двух сторон барьера отличаются. Исследование показывает, что в этих условиях возбуждение излучения за барьером также возможно, причем коэффициент регенерации имеет тот же порядок величины, что и в "резонансном11 случае.
Вторая глава посвящена некогерентным баллистическим процессам. Они способны проявляться, коцца резонансные электроны уже полностью размешались по фазам, и поэтому регенерация волны, синфазной исходной, невозможна.
- 10 -
В §1 рассмотрено баллистическое прохождение волн сквозь толстый слой непрозрачной плазмы. Показано, что хотя информация о фазе волны, содержавшаяся в распределении резонансных частиц, необратимо теряется, функция распределения электронов на выходе из барьера такова, что в участке спектра, соответствующем волнам, фазовая скорость которых совпадает с фазовой скоростью волны, набегающей на барьер, уровень тепловых флуктуаций возрастает. Таким образом, регенерация происходит и в случае широкого барьера, но теперь она носит некогерентный характер. Рассмотрено нелинейное ограничение уровня возникающих критических флуктуаций, обусловленное распадом спонтанно излучаемых ленмюровских плазмонов на ленгмюровские и ионно-звуковые.
Рассмотренное в §2 распространение мощного квазимонохрома-тического пакета плазменных волн также приводит к медленноре-лаксиругощему возмущению функции распределения, которое распространяется со скоростью резонансных электронов. Поэтому, если групповая скорость волны меньше резонансной, у волнового возмущения существует своеобразный предвестник, механизм формирования которого, в отличие от изученных случаев, связан с нелинейными кинетическими эффектами. Скорость этого некогерентного предвестника близка к скорости резонансных частиц, а дальность распространения в условиях верхней ионосферы и магнитосферы Земли может достигать тысяч километров.
В третьей главе рассматривается вопрос о возможности баллистической связи между двумя электромагнитными шумами аврораль-ной плазмы - километровым излучением Земли (КИЗ) и авроральннми шипениями (АШ), поляризованными соответственно в быстрой необыкновенной и свистовой моде. Показано, что баллистическая транс-
- Київ+380960830922