Глава 7. Нелинейные эффекты в ионосферной и космической плазме
7.1. Основные понятия и соотношения
75
среднюю (100 – 300 км), и внешнюю (300 – 1000 км). Параметры ионосферы существенно
зависят от времени суток, сезона, солнечной активности и магнитной возмущенности. Однако
во всех случаях сохраняются области ионосферы и ее главный максимум на высотах ~ 300 –
400 км для дня
и ночи соответственно. Его появление обусловлено действием двух
конкурирующих процессов: падением N
n
(z) и диффузионными процессами на больших высотах
и постепенным поглощением ультрафиолетового излучения Солнца на меньших высотах.
При z ≤ 100 км динамические процессы (ветры, вихри и т. п.) в ионосфере примерно
такие же, как и в нейтральной атмосфере. На высотах z ≥ 100 км все больше сказываются
электродинамические процессы (токи, электромагнитные силы
и т. д.), а также влияние
геомагнитного поля. Роль последнего становится определяющей на высотах z ≥ 1000 км, в так
называемой магнитосфере. Под магнитосферой понимается часть околоземного пространства,
заполненного геомагнитным полем и захваченными им частицами. Захваченные
геомагнитными ловушками частицы образуют радиационный пояс Земли. Частицы движутся по
спиральным траекториям вдоль силовых линий
, а также дрейфуют в поперечном по
отношению к
направлении (электроны на восток, а протоны на запад). Условно
принимается, что верхняя граница магнитосферы находится на расстояниях ~ 10R
З
(R
З
– радиус
Земли). За счет солнечного ветра (т. е. потока плазмы с “вмороженным” магнитным полем)
магнитосфера является асимметричным образованием.
Механизмы нелинейных явлений. Для околоземной среды, в принципе, могут иметь место
следующие механизмы:
9 тепловой;
9 стрикционный;
9 ионизационный;
9 релятивистский.
Характерные поля удовлетворяют неравенствам
E
p
<< E
s
<< E
i
<< E
r
.
Тепловая (или нагревная) нелинейность проявляется в весьма слабых полях. Например,
для ω ~ 10
6
с
–1
(или f ~ 10
5
Гц) в нижней ионосфере E
p
~10
–2
– 10
–1
В/м. Такие поля создаются
установкой с эффективной мощностью PG ~ 10
5
Вт. Заметим, что еще в 1960-е гг. была создана
система с PG ~ 10
9
Вт на частоте f ~ 1 МГц. При этом E
p
~ 10
–1
– 1 В/м, E ~ 1 – 10 В/м.
Тепловая нелинейность существенна во всех областях ионосферы и в магнитосфере.
При стрикционном механизме нелинейности E
s
≈ (10 – 100)E
p
. Эта нелинейность
осуществляется при ω >> ν, а также L << l
e
(L – характерный масштаб неоднородности поля, l
e
– длина свободного пробега электронов). Она имеет практическое значение в F-области
ионосферы и в магнитосфере.
Ионизационный механизм нелинейности практически еще не использовался.
Релятивистский механизм для околоземной плазмы малосущественен.
Кросс-модуляция радиоволн. Мощная модулированная по амплитуде радиоволна E
1
,
распространяясь в ионосфере, модулирует ее параметры и, прежде всего, T
e
и эффективную
частоту соударений электронов ν. Эти возмущения сказываются на амплитуде другой
радиоволны E
2
, которая после прохождения возмущенной области также становится
модулированной по амплитуде (и фазе). Этот эффект называется кросс-модуляцией, или
перекрестной модуляцией. Он относится к классическим нелинейным эффектам в ионосфере.
Предположим, что мощность (интенсивность) возмущающей волны изменяется по
гармоническому закону:
22
110
(1 + cos ),
Et
Ω