Эволюция плазменных облаков в ионосфере

ФИЗИКА ЭВОЛЮЦИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ОБЛАКОВ В ИОНОСФЕРЕ В. А. РОЖАНСКИЙ Санкт-Петербургский государственный технический университет

ВВЕДЕНИЕ

EVOLUTION OF PLASMA CLOUDS IN IONOSPHERE V. A. ROZHANSKII

© Рожанский В.А., 2001

Diffusion and motion of the plasma clouds injected into the ionosphere is discussed. The basic effects which govern the clouds evolution process are reviewed, including multidimensional diffusion, formation of the depletion regions in the background plasma, shorting of eddy currents over plasma, drift current in crossed electric and magnetic fields, and nonlinear deformation. The diagnostics of ionosphere by means of plasma clouds is discussed, as well as the possibility to control the ionosphere's parameters. Обсуждаются движение и расплывание плазменных облаков, инжектированных в ионосферу. Рассмотрены основные явления, возникающие в процессе эволюции облаков, в том числе неодномерная диффузия, формирование областей обеднения в фоновой плазме, замыкание вихревых токов по плазме, дрейф в скрещенных электрическом и магнитном полях и нелинейная деформация. Обсуждаются диагностика ионосферы с помощью плазменных облаков и возможность контролируемого изменения параметров ионосферы.

Ионосфера Земли является естественной гигантской плазменной лабораторией. Обычно под ионосферой понимают ту часть верхней атмосферы, где концентрация заряженных частиц плазмы (электронов и ионов) оказывается достаточной для того, чтобы существенно повлиять на характер распространения радиоволн. Принято считать, что ионосфера начинается от высот порядка 50 км. Концентрация заряженных частиц растет до высоты примерно 300 км, а затем падает, и ионосфера плавно переходит в магнитосферу, которая состоит из практически полностью ионизованной водородной плазмы (рис. 1). Причина такого немонотонного распределения концентрации заряженных частиц связана с характером поглощения ультрафиолетового излучения Солнца, которое вызывает ионизацию. Так как концентрация нейтрального компонента экспоненциально

Радиус Земли

3000 МАГНИТОСФЕРА 1000 F2

Ионосфера

300

F1

Полярные сияния Метеоры

100

E D

ОЗОНОСФЕРА

30 10 3

n ⋅ 1011, м−3

www.issep.rssi.ru

h, км 10 000 6370

10

5

0

Рис. 1. Высотный ход концентрации плазмы в ионосфере и характерные области ионосферы

РОЖАНСКИЙ В.А. ЭВОЛЮЦИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ОБЛАКОВ В ИОНОСФЕРЕ

109

ФИЗИКА спадает с высотой, то на больших высотах весь нейтральный газ оказывается полностью ионизован, но концентрация его мала. Максимум поглощения ультрафиолетового излучения приходится на высоты порядка 300 км, а ниже концентрация плазмы опять мала, так как излучение Солнца поглощено более высокими слоями атмосферы. Различные области ионосферы обозначаются буквами D, E, F1 , F2 . Ионосфера представляет собой частично ионизованную плазму (помещенную в магнитное поле Земли), в которой концентрация заряженных частиц (электронов и ионов) на несколько порядков меньше концентрации нейтрального компонента. В ионосфере присутствует огромное количество плазменных неоднородностей различных размеров и форм, которые очень сильно влияют на характер распространения радиоволн, в частности могут вызывать их рассеяние и отражение. Часть этих неоднородностей соответствует неоднородностям нейтральной ионосферы, которые порождаются различными неоднородными движениями нейтрального газа и ветрами. Так, например, мощные взрывы на поверхности Земли или землетрясения могут быть зарегистрированы по появлению небольших плазменных неоднородностей в ионосфере, которые меняют рассеяние радиоволн. Другие неоднородности связаны с развитием чисто плазменных неустойчивостей и обусловлены вертикальным градиентом концентрации плазмы, сильными электрическими полями и токами в ионосферной плазме, неоднородностью температуры. Форма неоднородностей определяется процессами диффузии и подвижности в самосогласованных электрических полях – явлениями, которые представляют самостоятельный интерес для всей физики плазмы в целом. Для исследования этих явлений с конца 1960-х годов проводятся так называемые активные эксперименты в космосе, например в ионосферу с борта космического аппарата вбрасываются облака, которые под воздействием Солнца ионизуются. Эти красивые эксперименты производят на границе дня и ночи, чтобы Солнце, почти зашедшее за горизонт, ионизовало облако, но не мешало наблюдению с Земли. Размеры таких облаков (часто это бариевые облака) могут составлять десятки километров, а время их наблюдения достигать часов. Плазменные облака, как правило, движутся со скоростями порядка сотен метров в секунду, что соответствует скоростям дрейфа заряженных частиц в скрещенных электрическом и магнитном полях. Пример плазменного облака, созданного в первом советском эксперименте “Сполох”, приведен на рис. 2. Чтобы понять явления, происходящие в плазменных облаках, рассмотрим основные физические процессы, ответственные за эволюцию плазмы.

110

Рис. 2. Бариевое облако в ионосфере в первом советском эксперименте “Сполох-1”. Облако разделено на страты, вытянутые вдоль магнитного поля. Вдоль магнитного поля происходит одномерная амбиполярная диффузия, а поперек магнитного поля размер облака быстро растет за счет дрейфа его края в скрещенных электрическом и магнитном полях

АМБИПОЛЯРНАЯ ДИФФУЗИЯ В частично ионизованной плазме процессы диффузии (выравнивания концентраций ее компонент) существенно отличаются от диффузии в обычном газе. Причина состоит в фундаментальном свойстве плазмы – ее квазинейтральности. В плазме концентрации заряженных частиц, электронов и ионов должны быть с большой точностью равны. Это равенство обеспечивается самосогласованным электрическим полем, которое возникает в процессе эволюции плазмы и поддерживается за счет очень малого разделения зарядов. В процессе диффузии самосогласованное электрическое поле возникает из-за различия коэффициентов диффузии (коэффициентов пропорциональности между потоками частиц и градиентами концентрации) электронов и ионов. В плазме без магнитного поля электронный коэффициент диффузии значительно больше ионного, поэтому электроны начинают уходить из области повышенной концентрации, создавая в ней положительный пространственный заряд (рис. 3). Возникающее в плазме электрическое поле E вызывает противоток электронов за счет их подвижности (подвижность – коэффициент пропорциональности между направленной скоростью частиц в электрическом поле и электрическим полем). Электроны почти полностью тормозятся полем, а ионы этим же полем немного ускоряются. В результате электроны и ионы диффундируют совместно с одинаковой скоростью, их потоки равны: Γe = Γi, а соответствующий процесс называется амбиполярной

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 9 , 2 0 0 1

ФИЗИКА ты диффузии и подвижности ионов намного превосходят электронные и роли частиц меняются. Теперь уже ионы стремятся покинуть неоднородность, которая заряжается отрицательно (рис. 3, б ). Самосогласованное электрическое поле соответствует теперь больцмановT n скому распределению для ионов ϕ = – ----i ln ----- , а попеe n0 речный коэффициент амбиполярной диффузии (при одинаковых температурах частиц)

а

Γe i = Γii E

E

б

E

T D α⊥ = 2D e⊥ = 2 ---b e⊥ . e

Γe' = Γi'

E

Рис. 3. Картина амбиполярной диффузии вдоль (а) и поперек (б ) магнитного поля. Самосогласованное электрическое поле тормозит диффузию электронов вдоль, а ионов поперек магнитного поля. Потоки частиц равны между собой

диффузией. Это явление было впервые обнаружено Шотки (W. Schottky) в 1924 году. Количественно величину самосогласованного электрического поля легко найти, считая, что электронные потоки практически нацело скомпенсированы. Из этого условия получаем потенциал, соответствующий распределению Больцмана для электронов: T n ϕ = -----e ln ----- , e n0

(1)

где Те – температура электронов в энергетических единицах, n – концентрация, n0 – нормировочная константа. В плазме температура электронов может отличаться от температур ионов и нейтрального газа, так как время обмена энергией между электронами существенно меньше, чем время обмена энергии с тяжелыми частицами. Так как коэффициенты диффузии Dα|| и подвижности bα|| связаны соотношением Эйнштейна Dα|| = (Tα / e)bα|| , то при одинаковых температурах Te = Ti = = T диффузионный и полевой (обусловленный самосогласованным электрическим полем) потоки ионов равны, а суммарный поток пропорционален амбиполярному коэффициенту диффузии: T D α|| = 2D i|| = 2 ---b i|| e

(2)

(индекс || соответствует диффузии без магнитного поля или вдоль магнитного поля). В магнитном поле Земли ситуация меняется. Вдоль магнитного поля в одномерном случае (когда концентрация плазмы зависит только от одной координаты) диффузия плазмы происходит так же, как и без магнитного поля. Поперек же магнитного поля коэффициен-

(3)

Потоки ионов и электронов поперек магнитного поля также равны: Γe⊥ = Γi⊥ . Таким образом, самосогласованное электрическое поле приводит к тому, что диффузия как вдоль, так и поперек магнитного поля определяется наименьшим в данном направлении коэффициентом: вдоль магнитного поля ионным, а поперек магнитного поля электронным коэффициентом диффузии. Одномерная амбиполярная диффузия наблюдается во многих плазменных устройствах, она, например, определяет уход плазмы на стенку во всех известных лампах дневного света. ДИФФУЗИЯ МАЛЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ИОНОСФЕРЕ Плазменное облако, казалось бы, должно диффундировать следующим образом: в каждом из направлений – вдоль и поперек магнитного поля – диффузия должна быть амбиполярной. Другими словами, расплывание облака определяется наименьшим в данном направлении коэффициентом диффузии. Однако, как было показано в 1967 году А.В. Гуревичем и Е.Е. Цедилиной, диффузия малых неоднородностей происходит значительно сложнее. В 1975 году механизм неодномерной диффузии был выяснен В.А. Рожанским и Л.Д. Цендиным. Ключевым при неодномерной диффузии является тот факт, что электрического поля, которое могло бы удерживать электроны вдоль магнитного поля от быстрого расплывания, а ионы поперек магнитного поля, просто не существует. Нетрудно сообразить, что из-за равенства потенциала вдали от неоднородности невозможен потенциал, который должен был бы становиться все более отрицательным вдоль магнитного поля и все более положительным в поперечном направлении. Поэтому электроны не удерживаются вдоль магнитного поля и свободно диффундируют вдоль B и немного поперек B , аналогично поперек и вдоль B со своими коэффициентами свободно диффундируют ионы. В результате поверхности постоянной концентрации представляют собой как бы суперпозицию двух эллипсоидов:

РОЖАНСКИЙ В.А. ЭВОЛЮЦИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ОБЛАКОВ В ИОНОСФЕРЕ

111

ФИЗИКА сильного вытянутого вдоль магнитного поля – электронного и имеющего большой поперечный масштаб – ионного (рис. 4). Чтобы при этом обеспечить квазинейтральность, под действием возникающего электрического поля ионы должны приходить в электронный эллипсоид поперек магнитного поля, а электроны – в ионный эллипсоид вдоль магнитного поля. В фоновой плазме, таким образом, возникают области пониженной концентрации – области обеднения. Так как в плазме при этом текут круговые токи, то соответствующий механизм был назван механизмом короткого замыкания по плазме. Диффузия за счет этого механизма оказывается существенно более быстрой, чем амбиполярная, она контролируется наибольшими в данном направлении коэффициентами диффузии: вдоль магнитного поля электронами, а поперек поля ионами.

B

Рис. 4. Поверхности постоянной концентрации при диффузии небольшого плазменного возмущения в сильном магнитном поле. Области обеднения показаны голубым. Стрелками показаны направления основных потоков заряженных частиц. Все линейные размеры растут пропорционально корню из времени вследствие диффузии

ДИНАМИКА ПЛАЗМЕННЫХ ОБЛАКОВ Кроме расплывания, вызванного диффузией, плазменные облака испытывают дрейфы из-за ветров и наличия в ионосфере электрических полей. Влияние ветров довольно просто: поскольку частично ионизованная плазма ионосферы жестко привязана к нейтральной атмосфере, то плазменные и нейтральные облака должны одинаковым образом перемещаться под действием ветра. Однако в экспериментах плазменные и нейтральные облака движутся по-разному. Причина связана с дрейфом плазмы в скрещенных электрическом и магнитном полях, присутствующих в ионосфере. Электрические поля, перпендикулярные магнитному полю, возникают в ионосфере по двум причинам: генерируются в результате глобальной ионосферной конвекции и локальных неоднородных ветров или являются след-

112

ствием глобальной поляризации магнитосферы. Глобальное движение нейтральной атмосферы обусловлено неоднородным прогревом Солнцем, влиянием сил Кориолиса, приливными силами и т.д. Движение заряженных частиц вместе с нейтральными поперек магнитного поля Земли вызывает поперечные токи и поляризует ионосферу. Второй механизм связан с обтеканием магнитосферы солнечным ветром. Поляризация магнитосферы, в первую очередь ее хвоста, передается вдоль силовых линий магнитного поля в полярные области ионосферы. В результате возникают особенно сильные электрические поля в полярных областях, величина электрических полей коррелирует с изменениями в солнечном ветре, суббурями, полярными сияниями и т.д. Таким образом, информация о дрейфах в ионосферной плазме служит ключом к пониманию сложного характера магнитосферно-ионосферного взаимодействия. В 1967 году Дж. Хаерендел предложил использовать наблюдения за бариевыми облаками, инжектируемыми в ионосферу, для определения электрических полей. Впоследствии многочисленные эксперименты позволили составить карты электрических полей. Однако оказалось, что движение облаков носит гораздо более сложный характер, чем простое перемещение плюс диффузионное расплывание. Причина состоит в том, что электроны и ионы по-разному движутся в фоновом электрическом поле. В направлении электрического поля (но поперек магнитного) подвижность ионов bi⊥ намного больше электронной подвижности. Поэтому ионы и электроны исходного плазменного облака движутся по-разному, и исходное облако разделяется на два движущихся сгустка: электронный и ионный (рис. 5, а). Оба они движутся в скрещенных полях со скоростью E u = ---. B

(4)

Ионный сгусток движется также в направлении электрического поля Е со скоростью u = b i⊥ E, скорость же электронного сгустка в этом направлении отсутствует. Возникающая в плазме поляризация приводит к растяжению электронного сгустка вдоль магнитного поля. Поддержание квазинейтральности, как и при диффузии, осуществляется за счет токов короткого замыкания по плазме и возникновения в фоновой плазме областей обеднения, которые движутся вместе со сгустками со скоростью (4). При инжекции плазменных облаков с космического аппарата наблюдать с Земли можно только ионный сгусток. Дело в том, что только инжектированные ионы (например, ионы Ba), подсвеченные Солнцем, переизлучают в линиях, видимых простым глазом.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 9 , 2 0 0 1

ФИЗИКА →

ξ, B

а

б

→

η, E0

O

ξ

O1

O2 ξ

→

ξ, B

→

η, E0

O

O1

O2

Рис. 5. Эволюция плазменного сгустка в скрещенных электрическом и магнитном полях: а – малая нелинейность, б – сильная нелинейность. OO1 – направление движения электронного сгустка, совпадающее с направлением движения в скрещенных полях, OO2 – направление движения ионного сгустка. Области обеднения фоновой плазмы показаны сиреневым

Электронный же сгусток и области обеднения сформированы ионами ионосферы, которые не излучают в видимом диапазоне. Зарегистрировать эти возмущения можно только с другого космического аппарата, который пролетает сквозь неоднородность плазмы, или по рассеянию радиоволн. НЕЛИНЕЙНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ОБЛАКОВ Чтобы надежно и достаточно долго можно было наблюдать плазменные облака в ионосфере, последние должны быть нелинейными, то есть превышение концентрации плазмы над фоновым значением быть большим. В экспериментах концентрация плазмы в облаке может быть на несколько порядков больше, чем концентрация фоновой плазмы. Нелинейная же эволюция плазменных облаков существенно отличается от рассмотренной выше. Дело в том, что как быстрая диффузия, так и разделение исходной неоднородности на движущиеся сгустки возможны за счет формирования в фоновой плазме областей обеднения, откуда приходят фоновые электроны и ионы для поддержания квазинейтральности в сгустках. С ростом концентрации в облаке (увеличением нелинейности) концентрация плазмы в областях обеднения понижается и при определенном уровне нелинейности фоновой плазмы перестает хватать для поддержания квазинейтральности в сгустках. При еще большей нелинейности характер эволюции сгустка резко меняется. Основное количество инжектированных заряженных частиц должно в этом случае покоиться и расплываться

за счет анизотропной амбиполярной диффузии: вдоль магнитного поля диффузия должна контролироваться наиболее медленными в этом направлении частицами – ионами, а поперек магнитного поля – электронами. Ионосферное же электрическое поле должно экранироваться внутри облака. Другими словами, плотное облако поляризуется и поле поляризации почти нацело компенсирует фоновое ионосферное электрическое поле. Таким образом, наблюдатель с Земли обнаружит замедление движения облака с ростом его амплитуды из-за того, что фоновое электрическое поле внутри плотного облака компенсируется полем поляризации. Таким образом, трассирование – определение электрического поля по дрейфу облака – становится невозможным. Вблизи же краев облака, где концентрация плазмы существенно меньше, чем в центре, механизм короткого замыкания токов по плазме остается эффективным: частиц, ушедших из областей обеднения, достаточно для движения небольшой части инжектированных частиц. В результате происходит растяжение облака – возникают сложные рукава плазмы (см. рис. 5, б ). Наблюдатель с Земли, который регистрирует только инжектированные ионы, заметит при этом растяжение облака в направлении скорости дрейфа в скрещенных полях. Это растяжение происходит весьма быстро – хвост облака движется со скоростью (4), а исходный сгусток покоится. Это нелинейное растяжение и определяет в конечном итоге время жизни больших плазменных облаков. Для диагностики такие облака менее пригодны, электрическое поле можно определить

РОЖАНСКИЙ В.А. ЭВОЛЮЦИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ОБЛАКОВ В ИОНОСФЕРЕ

113

ФИЗИКА только по скорости движения хвоста облака. Зато такие облака можно использовать для создания эффективных плазменных отражателей – зеркал с заранее заданными свойствами. Линейные размеры таких искусственных плазменных объектов вдоль магнитного поля контролируются продольной амбиполярной диффузией, а поперек магнитного поля – нелинейным растяжением, эти размеры могут составлять несколько десятков километров. Плазменные облака подвержены развитию плазменных неустойчивостей, в результате чего происходит разделение облаков на несколько частей – их стратификация. Механизмы стратификации слишком сложны, чтобы обсуждать их в этой статье. Одним из возможных примеров стратифицированного облака является облако на рис. 2. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА 1. Ришбет Г., Гарриот О.К. Введение в физику ионосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 304 с. 2. Рожанский В.А., Цендин Л.Д. Столкновительный перенос в частично ионизованной плазме. М.: Энергоатомиздат, 1988. 246 с. 3. Филипп Н.Д., Ораевский В.Н., Блаунштейн Н.Ш., Ружин Ю.Я. Эволюция искусственных плазменных неоднородностей в ионосфере Земли. Кишинев: Штиинца, 1986.

Рецензент статьи Ю.П. Пытьев ***

Таким образом, в результате эволюции – диффузии, нелинейного растяжения и стратификации – в ионосферной плазме возникают сложные плазменные облака. Понимание механизмов их эволюции позволяет, с одной стороны, использовать их для диагностики ионосферы, в частности для исследования структуры электрических полей и ветров, а с другой – открывает воз-

114

можность создания плазменных объектов с заранее заданными свойствами, отражающих и рассеивающих радиоволны. Более подробно познакомиться с проблемами эволюции ионосферной плазмы можно по [1–3].

Владимир Александрович Рожанский, доктор физикоматематических наук, профессор кафедры физики плазмы Санкт-Петербургского государственного технического университета. Область научных интересов – процессы переноса в полностью и частично ионизованной плазме. Автор более 120 научных работ и двух монографий.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 9 , 2 0 0 1