Разработка методологического аппарата для определения параметров ионосферы, возмущенной мощным направленным потоком радиоволн от наземного источника тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат наук Моисеева Дарья Сергеевна

• Моисеева Дарья Сергеевна
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Моисеева Дарья Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕСТЕСТВЕННОЙ ИОНОСФЕРЫ ЗЕМЛИ И РАДИОНАГРЕВНЫХ СТЕНДОВ

1.1 Закономерности структуры ионосферы как ионизированной среды

1.2 Распределение с высотой основных ионизационно-химических компонент в ионосфере

1.3 Краткий анализ динамических процессов в ионосфере

1.4 Особенности приполярной ионосферы

1.5 Основные характеристики антенн и принцип действия радионагревного стенда

1.6 Кратко о новых научных результатах, полученных с помощью радионагревных стендов

Основные выводы к Главе

ГЛАВА 2. КИНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НЕЕ МОЩНОГО ПОТОКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ

2.1 Ионизационно-химический состав возмущенной нижней ионосферы

2.2 Схемы кинетических процессов

2.3 Процессы фотодиссоциации

2.4 Численное моделирование кинетического блока

Основные выводы к Главе

ГЛАВА 3. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

3.1 Общая структура уравнений

3.2 Анализ физических процессов, определяющих правые части уравнений для электронов и температуры тяжелых частиц

3.3 Анализ влияния кинетических процессов на электронную температуру

Основные выводы к Главе

ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗВИТИЯ ИОНИЗАЦИИ В ОДНОАТОМНОМ ГАЗЕ

4.1 Численный анализ и корректировка правых частей кинетических уравнений

4.2 Постановка задачи для одноатомного газа в отсутствии газодинамики

72

73

4.3 Численный анализ поведения параметров и эффект возникновения автоколебаний

Основные выводы к Главе

ГЛАВА 5. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО ПОВЕДЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ В НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НЕЕ МОЩНОГО ПОТОКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ

5.1 Общая характеристика поведения основных параметров в нижней ионосфере в дневных условиях

5.2 Анализ газодинамического возмущения

Основные выводы к Главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методологического аппарата для определения параметров ионосферы, возмущенной мощным направленным потоком радиоволн от наземного источника»

Актуальность исследования

Полное исследование вопросов взаимодействия мощного потока радиоизлучения с ионосферой Земли представляет собой достаточно сложную комплексную проблему и затрагивает такие области как физику плазмы, физику атмосферы, радиофизику и химическую кинетику. При прохождении мощной КВ-радиоволны основная энергия излучения поглощается в самом нижнем слое ионосферы — в D-области — расположенным в диапазоне высот от 50 до 90 км, и частично в ¿-области, в результате этого происходит нагрев ионосферной плазмы, изменение химического состава естественной ионосферы и наблюдаются различные нелинейные эффекты. Основы теории нелинейных эффектов, возникающих в ионосфере при воздействии на нее мощных электромагнитных волн, были заложены В.Л. Гинзбургом и А.В. Гуревичем [Гинзбург, 1960; Гуревич, Шварцбург 1973; Гершман и др., 1984]. Экспериментальные установки, основанные на целенаправленном обратимом изменении параметров и свойств ионосферы с помощью направленного потока радиоизлучения, называются нагревными стендами. В настоящее время действуют три нагревных стенда: HAARP (США, Аляска), EISCAT heating (Норвегия, Тромсё), «Сура» (Россия, Нижний Новгород).

Воздействие радиоизлучения на D-область имеет свои особенности: поглощение радиоволны происходит уже в самом начале имеющимися в ионосфере электронами; повышение Te приводит к их лавинному размножению, передаче энергии тяжелым частицам и

формированию широкого комплекса ионизационно-химических процессов и процессов, определяющих линейчатое излучение в видимом и ИК-диапазонах спектра. Кроме того, воздействие радиоизлучения может быть, вообще говоря, неограниченным по времени и поведение температуры электронов со временем будет приобретать квазистационарный характер, определяемый в значительной степени неупругими процессами столкновений, в которых участвуют электроны. Анализ показал, что для корректного описания изменения Te

требуется взаимосвязь множества физических процессов и детальный учет кинетики.

Следует отметить, что по-своему содержанию во многом аналогичные процессы рассматриваются при лабораторном исследовании высокочастотных ёмкостных и индукционных разрядов [Райзер, 1987]. Часто эти исследования проводятся с использованием инертных газов, где схема ионизационных процессов проще, чем в воздушной смеси. Поэтому в данной работе для детального понимания роли отдельных процессов в рассматриваемой задаче по разогреву ионосферы было выполнено дополнительное исследование с применением инертных газов.

Степень разработанности темы диссертационного исследования

В теоретическом отношении статья [Тотко й а1., 1980а] является одной из первых в последующей серии работ, посвященных анализу поведения ионизационно-химических процессов и электронной температуры в О-области ионосферы при воздействии на нее радиоволн с частотой 5 МГц и эффективной мощностью 100 МВт. Использовалась упрощенная шестикомпонентная схема, учитывающая процессы прилипания электронов, образование положительных ионных кластеров и взаимодействие электронов с ними. В стационарном приближении получена зависимость относительного изменения электронной концентрации от температуры для различных высот. Расчет нестационарной задачи показал, что за время — 10 ^ с температура электронов Те выходит на квазистационар, различный для разных высот; наибольшее

значение Те «1200 К достигается на высоте — 60 км. Аналогичный характер носит работа

[Иткина, Кротова, 1981]. Электронная температура определяется в квазистационарном приближении, причем ионизационно-рекомбинационные процессы не учитываются. Такое приближение неприменимо для анализа воздействия на О-область ионосферы мощных нагревных стендов, существующих в настоящее время.

Эффекты поглощения в О-области исследовались в [Тотко й а1., 1980б] на основе уравнения баланса энергии электронов и мощности потока. В работе учитывались потери энергии за счет вращательного возбуждения N2 и О2, колебательного возбуждения N2 и возбуждения кислорода в метастабильном состоянии 0(3Р). Показано, что самопоглощение волны нагрева может сильно ограничить ВЧ-нагрев верхней ионосферы. Это связано с тем, что с увеличением мощности растет самопоглощение волны. Исследована зависимость поведения нагрева от частоты и показано, что плотность мощности, доступная для нагрева верхней ионосферы, резко уменьшается на нижнем конце диапазона частот нагрева из-за быстрого поглощения в средней О-области. С увеличением частоты нагрева существенно уменьшается поглощение в нижней ионосфере и уменьшается температура электронов. Также отмечается, что при высоких частотах увеличивается плотность мощности, проходящая в верхние слои ионосферы.

Следует отметить, что к настоящему времени выполнено большое количество работ, направленных как на анализ конкретных экспериментальных результатов [Беликович, Бенедиктов, 1986а, 1986б], так и на развитие теоретических представлений и моделей, в частности, направленных на объяснение искусственных периодических неоднородностей (ИНН) в нижней ионосфере [Виленский и др., 1987; Беликович, Григорьев, 1987] и их взаимосвязь с акустико-гравитационными волнами. Достаточно подробный обзор ранних работ по данной проблеме дан в материалах Международного симпозиума [Васьков, Гуревич, 1986].

Исследование искусственных периодических неоднородностей проводится на нагревном стенде «Сура». Краткий обзор результатов, полученных на стенде «Сура», представлен в обзоре [Беликович и др., 2007; Бахметьева и др., 2007].

Техника ИПН позволила получить профили электронной концентрации в нижней ионосфере, исследовать аэрономию О-области, поведение нижней ионосферы на восходе и закате, расслоение области О, определять температуры и плотности нейтральной компоненты, скорости вертикального и турбулентного движений, результаты которых представлены в работах [Бахметьева и др., 2018; 2020].

В экспериментах на установке «Сура» впервые наблюдалось индуцированное накачкой свечение на высотах ниже 100 км [Kagan et а1., 2005]. Оптическое излучение гидроксила (ОН) на длине волны 629.79 нм было связано с фокусировкой высокочастотной радиоволны на спорадических ионизационных облаках на высотах ~80-85 км, что, дало возможность визуализировать структуру электронной плотности в О-области.

В работах [Бахметьева и др., 2019; Bakhmetieva et а1., 2020] проводилось исследование изменения мезосферного озона с одновременной диагностикой ионосферной плазмы при ее высокочастотном нагреве путем создания искусственных периодических неоднородностей. По полученным данным было выдвинуто предположение, что уменьшение спектра излучения атмосферного озона на высоте 60 км связано с увеличением коэффициента прилипания электронов к молекулам кислорода во время нагрева.

Определяющим параметром при воздействии мощного потока радиоволн на нижнюю ионосферу является электронная температура. При взаимодействии мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой О-области температура электронов растет вследствие передачи энергии от радиоволны электронам. Из-за высокой плотности нейтральной атмосферы и, следовательно, высокой частоты соударений электронов с нейтральными частицами, температура тяжелых частиц не изменяется и остается на уровне естественного фона. К настоящему моменту точного поведения электронной температуры и количественной оценки ее максимального значения в области 50-90 км нет. Доступны лишь различные косвенные доказательства существования эффекта нагрева О-области, включая успешную модификацию ионосферной проводимости и химии мезосферы.

На нагревном стенде EISCAT было предпринято целенаправленное исследование температурного отклика нижней ионосферы на высокочастотный нагрев [Кего et а1., 2000]. Был задействован антенный массив 1, эффективная мощность излучения составила 900 МВт, частота излучения 5.423 МГц. Установка работала в режиме 5 мин — излучение, 5 мин — пауза. Теоретическая модель [Kero et а1., 2000], описанная в работе, в целом согласуется с полученными экспериментальными данными. В работе [Епе11 et а1., 2005] авторы дополнили модель [Kero et а1.,

2000] для диагностики высот 50-140 км и оценили эффект нагрева D-области для нескольких типичных случаев высокой концентрации электронов — дневного света, типичного высыпания авроральных электронов и солнечного протонного события. Так как изменение температуры электронов зависит от мощности нагрева, частоты излучения радиоволны, поляризации, времени суток и ионосферных условий, это вносит существенные трудности в ее экспериментальном измерении. В работе [Kero et al., 2008] авторы сообщили о прогрессе в интерпретации радиолокационных измерений, полученных с помощью радара некогерентного рассеяния, во время нагрева области D и получили хорошее согласие между экспериментальными данными и теоретической моделью.

В последние десятилетия интерес к этому направлению работ возрос в связи с исследованием и диагностикой полярного мезосферного эха (аномального усиления обратного рассеяния (отражения) излучения радиолокатора в летнее и зимнее время).

Значительное внимание в исследовании нижней ионосферы при действии радиоизлучения уделяется генерации электромагнитных волн чрезвычайно низкой (3-3000 Гц) и очень низкой (330 кГц) частоты [Moore, 2007; Yang et al., 2019; Guo et al., 2021]. Это направление исследований имеет самостоятельный характер и в данной работе не рассматривалось.

По мере роста мощности стендов (HAARP, HIPAS) электронная температура также возрастала до 4000-6000 К и существенно расширялся спектр кинетических процессов, в частности, ионизационно-рекомбинационных. В работе [Черногор, Милованов, 2015 а] приводятся результаты численного моделирования температуры и электронной концентрации нижней ионосферы, возмущенной мощным направленным потоком коротковолнового излучения от нагревного стенда в широком диапазоне частот и мощностей. Рассмотрен разогрев ионосферы в дневное и ночное время для обыкновенной и необыкновенной волны. В математической модели помимо уравнения баланса энергии рассчитывается уравнение самовоздействия волны, используется упрощенная кинетическая схема, в которую входят электроны, положительные ионы и отрицательные ионы трех видов с концентрациями N, N+, N~, , N~2, N3~ . По полученным результатам на высотах нижней ионосферы имеются значительные возмущения температуры и концентрации электронов. (Например, при частоте радиоволны f = 6 МГц и

эффективной мощности 3.6 ГВт, что соответствует параметрам нагревного стенда HAARP, температура электронов увеличилась в 33 (O-) и 42 раза (X-поляризация) по сравнению с естественным фоном). Показано, что нагрев ионосферы наиболее эффективен для волны X-поляризации. Эффекты амплитудного самовоздействия мощных непрерывных радиоволн в ионосфере представлены в [Черногор, Милованов, 2015б] для различных частот, мощностей и поляризации волн. Показано, что основной вклад в эффект самовоздействия дает нижняя ионосфера в диапазоне высот 50-90 км. Следует отметить, очень высокие значения электронной

температуры, что приводятся в данной работе, а также отсутствие в кинетической схеме метастабильных и колебательных состояний атомов и молекул.

В работах [Cheng et al., 2017, 2019] представлены двух и трехмерные модели нижней ионосферы при высокочастотном нагреве радиоизлучением. Улучшенная версия трехмерной модели нагрева нижней ионосферы представлена в работе [Li et al., 2020]. В ней учитываются токи и неоднородность ионосферной плазмы. Обсуждены распределения проводимости Педерсона, холловской проводимости и токи возбуждения.

Однако рассматриваемые задачи связаны лишь общей геометрией направления и воздействия радиолуча и не затрагивают вопросы возможного разогрева тяжелых частиц и газодинамического возмущения.

В работе [Моисеева и др., 2018; Ступицкий, Холодов, 2019] на основе детального описания кинетических процессов — в модели учитывается более 60 компонент (включая электронно- и колебательно возбужденных частиц) — были проанализированы всевозможные каналы взаимосвязи кинетических процессов с участием электронов и электронной температуры. Численные исследования показали существенную зависимость T от той степени подробности, с которой описывается электронная кинетика. Был обнаружен эффект возможного возникновения автоколебательного режима выхода T на квазистационарные значения и разогрева газа при определенных условиях задачи. Аналогичный эффект может наблюдаться при исследовании ВЧ-разрядов в инертных газах. Цели и задачи исследования

Основная цель диссертационного исследования состоит в том, чтобы на основе детального физического анализа кинетических и физических процессов в возмущенной области и их взаимосвязи разработать методический аппарат, позволяющий определять пространственно-временное поведение ионизационных, оптических и динамических характеристик в области максимального поглощения радиоизлучения (60-90 км) как для дневных, так и ночных условий, и определения роли различных процессов в ее формировании.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Постановка полной кинетической задачи по определению ионизационно-химических и оптических характеристик (видимый и инфракрасный диапазон) возмущенной области ионосферы.

2. Постановка полной системы уравнений с учетом взаимосвязи кинетики и динамики.

3. Разработка численного алгоритма и создание программного комплекса по расчету параметров возмущенной области нижней ионосферы.

4. Анализ взаимосвязи всех физических процессов и уточнение физико-математической математической модели.

5. Численное исследование временного и пространственного изменения параметров и компонент ионосферы в дневных и ночных условиях и их влияние на общую структуру возмущенной области ионосферы.

Научная новизна проведенного исследования состоит в комплексном подходе к изучению воздействия радиоволны на нижнюю ионосферу и аэрономии возмущенной области. Особенностями диссертационного исследования являются:

1. Постановка полной ионизационно-химической, температурной, оптической и динамической задачи.

2. Кинетическая модель, использованная в работе, включает в себя не только ионизационно-химические процессы, но и процессы возбуждения и дезактивации метастабильных и колебательных состояний.

3. Исследование процессов, оказывающих принципиальное влияние на поведение электронной температуры, концентраций компонент, видимого и инфракрасного излучения возмущенной области.

Теоретическая и практическая значимость полученных результатов связана с исследованием возможности активного использования радионагревных стендов для целей космической навигации, исследования ионосферно-магнитосферных процессов и радиационных поясов Земли, воздействии на средства связи и локации, оптико-электронные средства космических аппаратов, а также в военно-космических силах.

Методы исследования. На основе численных методов был разработан специальный алгоритм и программный комплекс для решения поставленной задачи и проведения вычислительных экспериментов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Поведение параметров возмущенной области, создаваемой мощным радиоизлучением от нагревного стенда;

2. Исследование влияния параметров радиоизлучения на поведение возмущенной области;

3. Результаты исследования состояния ионосферы (день, ночь) на характер возмущения;

4. Результаты исследования возникновения колебательного режима температур и степени ионизации в возмущенной области.

Степень достоверности полученных результатов

Достоверность полученных результатов в значительной степени определяется всесторонним физическим и численным анализом роли как отдельных процессов, так и их взаимосвязи, а также качественным сравнением с некоторыми немногочисленными экспериментальными данными [Kero et al., 2000].

Апробация результатов

Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях: XIII Международная Школа молодых ученых «Физика окружающей среды» им. А.Г. Колесника, Томск, 2018; Международная конференция «Современные методы вычислительной физики», Москва, МФТИ, март-апрель, 2018; Конференция «Механика композиционных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред», Москва, ИПРИМ РАН, 2019; XIII Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI'2020), Алушта, 6-13 сентября, 2020.

Личный вклад

Автор принимал непосредственное участие в анализе постановки задачи, выборе и реализации методов решения.

В части программной реализации автором был разработан программный продукт по расчету кинетических и динамических параметров возмущенной области в нижней ионосфере на основе известных и адаптированных к данной задаче численных методов. Структура реализованного численного алгоритма позволяет усложнять кинетический блок без существенных временных затрат и компьютерных ресурсов.

Непосредственно автором были проведены вычислительные эксперименты при вариации входных параметров (плотности потока радиоизлучения и частоты радиоволны, соответствующих как современным мощностям нагревных стендов, так и предполагаемых, которые могут быть достигнуты в будущем) и получены картины поведения температуры и концентрации нейтральных и заряженных компонент ионосферы.

Публикации

Основные результаты по теме диссертации были доложены и обсуждены на конференциях [Моисеева, Ступицкий, 2018; Ступицкий и др., 2019], изложены в 3 печатных изданиях [Моисеева и др., 2018, 2019; Андрущенко и др., 2019; Motorin et al., 2020, 2021], которые изданы в журналах, входящих в Scopus и индексируемых Web of Science, соавтор монографии [Андрущенко и др., 2020].

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕСТЕСТВЕННОЙ ИОНОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

И РАДИОНАГРЕВНЫХ СТЕНДОВ

Исследованию ионосферы посвящено большое количество статьей и монографий, что прежде всего связано с решением практических задач распространения радиоволн и в целом проблемы радиосвязи. Особенно большое количество монографий приходится на 70-е годы прошлого столетия [Иванов-Холодный, Никольский, 1969; Ратклифф, 1975; Бауэр, 1976; Ришбет, Гарриот, 1975; Мак-Ивен, Филлипс, 1978].

В данной главе дается общее представление об ионосфере, необходимое для дальнейшего изложения рассматриваемых в данной работе вопросов.

1.1 Закономерности структуры ионосферы как ионизированной среды

Часть атмосферы Земли в диапазоне высот от 50 до 1000 км, представляющая собой ионизованный квазинейтральный газ — плазму, смешанной с нейтральными частицами — молекулами воздуха, называется ионосферой. Особенно сильное влияние на образование ионосферы оказывает солнечное коротковолновое излучение в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне спектра с длиной волны Л < 134.0 нм.

Интенсивность солнечного излучения из-за поглощения в атмосфере на к < 100 км быстро спадает по направлению к поверхности Земли, в то время как концентрация нейтральных частиц экспоненциально уменьшается с высотой (рис. 1.1). Так как образование ионосферы в первую очередь обязано ионизирующему солнечному излучению, то ясно, что у распределения электронной концентрации должен быть максимум на некоторой высоте — это так называемый слой Чепмена, где концентрация электронов максимальна. Качественно этот результат верен, но процессы, протекающие в реальной ионосфере, чрезвычайно сложны и тесно связаны не только с излучением Солнца, но и с корпускулярными потоками от Солнца, процессами в магнитосфере, вариациями магнитного поля Земли, с движениями верхней атмосферы и так далее. Этим обусловлена сильная изменчивость свойств ионосферы во времени и в зависимости от высоты, а также географической широты.

Высотный профиль электронной концентрации немонотонен (рис. 1.1). Концентрация электронов нарастает до высоты приблизительно 300-400 км, где достигает значения ~ 106 см-3,

и затем плавно спадает, становясь ~ 104 см-3 на высотах порядка 1000 км. Степень ионизации а плазмы очень мала на небольших высотах — при И = 100 — 300 км она составляет 10 8 -10 4 , но быстро растет и при И = 1000 км достигает десятка процентов. На еще больших высотах плазма почти полностью ионизована.

Ионосферу принято разделять на высотные области — Б (И = 50 — 90 км), Е (И = 90 -140 км), Е (И > 140 км), которая в свою очередь делится на две области:

¿1 ( И = 140 — 200 км) и Е2 ( И = 200 —1000 км). В диапазоне высот 90-120 км может образовываться еще один слой, тонкий (толщиной в несколько километров) с высокой электронной концентрацией (на порядок превосходящей среднюю для области Е), называемый спорадическим (нерегулярным), Ез. Он образовывается не за счет фотохимических процессов, а за счет динамических эффектов в ионосфере. Разделение на области объясняется существенным различием концентраций компонент ионосферы и физическими процессами, проходящими в этих слоях — в каждой из названных областей преобладают те или иные физико-химические реакции, что определяют электронно-ионный состав. Более подробно с названными ионосферными областями можно ознакомиться, например, в работах [Ришбет, Гарриот, 1975; Брюнелли, Намгаладзе, 1988; Атмосфера. Справочник..., 1991].

кюо 500 1000 1500 2000 2500 3000 Т'К

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

'1 1 ' 1 " " 1 ' ' " I1

Щ \ Д п

Я Е2

ту! ..... ........... у;.....

И, СМ"3

10° 102 1 04 1 0б 108 1010 1012 1014 1016 1018

Рисунок 1.1 — Основные параметры естественной ионосферы: пе, п — концентрации электронов и тяжелых частиц; Te, Т — температуры электронов и тяжелых частиц

За ионизацию верхней ионосферы ответственно солнечное излучение с длинами волн короче 100 нм (выше 170 км). Основной вклад в образование области Е вносит ионизация атомного кислорода солнечным излучением Л < 91 нм и молекулярного азота излучением Л< 79.6 нм. Источником заряженных частиц в области Е2 является ионизация атомного кислорода. В образование Е области особый вклад вносит рентгеновское излучение (1-10 нм).

Источниками ионизации О-области ионосферы являются ультрафиолетовое излучение 102.7134.0 нм — в этом диапазоне находится очень интенсивная линия излучения водорода Лайман-а, Ьа (121.6 нм), рентгеновское излучение (0.1-0.8 нм), корпускулярное излучение (галактические космические лучи).

Когда исчезает основной источник ионизации, т.е. Солнце, то все фотопроцессы в ионосфере прекращаются. Область О практически полностью исчезает ночью за счет процессов прилипания. В Е-области концентрация электронов также быстро убывает вследствие электронно-ионной рекомбинации. Однако он сохраняется за счет двух источников — рассеянного излучения в линиях Ьа и Ьр и потока мягких электронов с энергиями 1-10 кэВ. Концентрация электронов в также убывает, но из-за высоких температур и меньших концентраций не так интенсивно, как в нижележащих слоях. Концентрация электронов в области также уменьшается, возрастает высота максимума.

Широтное распределение параметров ионосферы обусловлено различной интенсивностью солнечного излучения и влиянием магнитного поля Земли. Хорошим оправдавшим себя приближением для магнитного поля Земли является поле диполя с магнитным моментом М = 8.1-1025 Гс-см3. Силовые линии этого диполя начинаются примерно на южном географическом полюсе (северный магнитный полюс) и заканчиваются на северном географическом полюсе (южный магнитный полюс). По ориентации силовых линий магнитного поля ионосферу подразделяют на высокоширотную (иначе называемую авроральной), с почти вертикальным расположением силовых линий; среднеширотную и низкоширотную, где силовые линии почти параллельны поверхности Земли. На низких и средних широтах основным процессом, в результате которого образуются электроны и ионы, является коротковолновое излучение Солнца. На высоких широтах, а также во время магнитных бурь ионизация происходит в результате столкновения заряженных частиц высоких энергий, проникающих в атмосферу, с нейтральными молекулами воздуха.

Степень влияния магнитного поля на ионосферу можно оценить по параметру замагниченности электронов и ионов, который является просто отношением гиромагнитной частоты к частоте соударений с нейтральными составляющими. Это влияние существенно, начиная с высот к ~200 км, в ^-слое; в нижней ионосфере (области О и Е) плазму можно считать незамагниченной.

С высот ~60 км количество электронов и ионов становится достаточным, чтобы оказывать влияние на распространение радиоволн. Основное поглощение радиоизлучения приходится на высоты О- и Е-области. Это связано с высокой концентрацией тяжелых частиц и частотой соударений. На рисунке 1.2 представлена высотная зависимость частоты соударений электронов с ионами у и нейтральными частицами уео:

У =

442ж е4 Л

Зл/т (кТе)

П '

ЗЗ/2 г'

4 -

По =-&ес»еП;

где Те — температура электронов; т, е — масса и заряд электрона; к — постоянная Больцмана; Л — кулоновский логарифм; п, п — концентрация ионов и нейтральных частиц; аео — сечение столкновений; о е — средняя скорость электрона.

^ V, 1/с

-2

10

Рисунок 1.2 — Частота соударений в естественной ионосфере: уа — частота столкновений электронов с ионами; уео — частота столкновений электронов с

нейтральными; у = у+ уео

Распространение радиоволн в ионосфере тесно связано с такими электрическими параметрами, как диэлектрическая проницаемость £ и электропроводность плазмы а :

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Моисеева Дарья Сергеевна, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Александров, Э.Л. Человек и стратосферный озон / Александров Э.Л., Седунов Ю.С. — Л.: Гидрометеоиздат, 1979.

Андрущенко В.А. Исследования и математическое моделирование явлений, связанных с развитием и воздействием взрывов / Андрущенко В.А., Ступицкий Е.Л., Моисеева Д.С., Моторин А.А., Мурашкин И.В. — Изд-во РАН, 2020.

Андрущенко В.А. Моделирование физических процессов воздействия мощного ядерного взрыва на астероид / Андрущенко В.А., Моисеева Д.С., Моторин А.А., Ступицкий Е.Л. // Компьютерные исследования и моделирование. — 2019. — Т. 11, № 5. — С. 861-877.

Атмосфера. Справочник (справочные данные, модели). / под ред. Седунова Ю.С и др. — Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991.

Бауэр, З. Физика планетных ионосфер / Бауэр З. — М: Мир, 1976.

Бахметьева, Н.В. Атмосферная турбулентность и внутренние гравитационные волны -результаты экспериментальных исследований методом создания искусственных периодических неоднородностей / Бахметьева Н.В., Григорьев Г.И., Толмачева А.В., Калинина Е.В. // Химическая физика. - 2018. - Т. 37. - № 5. - С. 19-30.

Бахметьева, Н.В. Динамика мезосферы и нижней термосферы по результатам наблюдений на стенде СУРА / Бахметьева Н.В., Вяхирев В.Д., Григорьев Г.И., Егерев М.Н., Калинина Е.Е., Толмачева А.В., Жемяков И.Н., Виноградов Г.Р., Юсупов К.М. // Геомагнетизм и аэрономия. -2020. - Т. 60. - № 1. - С. 99-115.

Бахметьева, Н.В. Исследование атмосферы Земли методом резонансного рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях ионосферное плазмы. Аналитический обзор / Бахметьева Н.В., Беликович В.В., Каган Л.М., Понятов А.А., Толмачева А.В. // Вестник РФФИ. - 2007. - № 3. - С. 1-35.

Бахметьева, Н.В. Исследование вариаций мезосферного озона при возмущении ионосферы излучением стенда СУРА с одновременной диагностикой ионосферной плазмы / Бахметьева Н.В., Андрианов А.Ф., Вяхирев В.Д., Калинина Е.Е., Красильников А.А., Куликов Ю.Ю. // Известия вузов. Радиофизика. - 2019. - Т. 62. - № 5. - С. 366-382.

Беликович, В.В. Влияние температуры на состояние плазмы в нижней части D-области ионосферы / Беликович В.В., Бенедиктов Е.А. // Геомагнетизм и аэрономия. - 1986а. - Т. 26. -№ 5. - С. 839-841.

Беликович, В.В. Искусственные периодические неоднородности в нижней части D-области на восходе и заходе Солнца / Беликович В.В., Бенедиктов Е.А. // Геомагнетизм и аэрономия. - 19866. - Т. 26. - № 5. - С. 837-839.

Беликович, В.В. Искусственные периодические неоднородности и акустико-гравитационные волны в нижней ионосфере / Беликович В.В., Григорьев Г.И. // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. — 1987 — Т. 30, № 3 — С. 347-351.

Беликович, В.В. Стенд «Сура»: исследования атмосферы и космического пространства (обзор) / Беликович В.В., Грач С.М., Караштин А.Н., Котик Д.С., Токарев Ю.В. // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. - 2007. - Т. 50. - № 7. - С. 545-576.

Брасье Г. Аэрономия средней атмосферы. Химия и физика стратосферы и мезосферы. / Брасье Г., Соломон С. — Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

Брюнелли, Б.Е. Физика ионосферы. / Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. — М.: Наука, 1988.

Вайнштейн, Л.А. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий. / Вайнштейн Л. А., Собельман И. И., Юков Е. А. — М.: Наука, 1979.

Васильев, Р.В. Современный нагревный стенд для исследования ионосферы средних широт / Васильев Р.В., Сетов А.Г., Фролов В.Л. и др. // Солнечно-земная физика. — 2020. — Т. 6., № 2. — С. 61-78.

Васьков, В.В., Гуревич А.В. Современное состояние теории воздействия мощных радиоволн на ионосферную плазму. Модификация ионосферы мощным радиоизлучением. // Международный симпозиум. — Суздаль, 1986. — С. 10-14.

Виленский, И.М. Искусственные квазипериодические неоднородности в нижней ионосфере / Виленский И.М., Израйлева А.А., Капельзон А.А., Плоткин В.В., Фрейман М.Е. // Труды ИГГ. - № 685. - Новосибирск: Наука. - 1987.

Гершман, Б.Н. Волновые явления в ионосфере и космической плазме / Гершман Б.Н., Ерухимов Л.М., Яшин Ю.Я. - Москва: Наука, 1984.

Гинзбург, В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме / Гинзбург В.Л. — М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1960. - 550 с.

Гордиец, Б.Ф. Теория инфракрасного излучения околоземного космического пространства / Гордиец Б.Ф, Марков Н.Н., Шелепин Л.А. // Труды АН СССР. — 1978. — Т. 105. — С. 7-71.

Грач, С. М. Оптическое свечение при воздействии на ионосферу радиоизлучением стенда СУРА: результаты экспериментов 2010 года / Грач С. М., Клименко В. В., Шиндин А. В., Насыров И. А., Сергеев Е. Н., Яшнов В. А., Погорелко Н. А. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. — 2012. —Т. 55, № 1-2. — C. 37-56.

Гуревич, А.В. Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере / Гуревич А.В., Шварцбург А.Б. - Москва: Наука, 1973. - 272 с.

Гуревич, А.В. Нелинейные явления в ионосфере / Гуревич А.В. // Успехи физических наук.

— 2007 — Т. 177, № 11. — С. 1145-1177.

Замышляев, Б.В. Состав и термодинамические функции плазмы / Замышляев Б.В., Ступицкий Е.Л., Гузь А.Г. — М.: Энергоатомиздат, 1984.

Иванов-Холодный Г.С. Солнце и ионосфера / Иванов-Холодный Г.С., Никольский Г.М.

— М.: Наука, 1969.

Иткина, М.А. Изменение параметров нижней ионосферы под действием мощного радиоизлучения / Иткина М.А., Кротова З.Н. // Известия ВУЗов. Радиофизика. -1981 - т. XXIV.

— № 4. — C. 415-419.

Калиткин, Н.Н. Численные методы решения жестких систем. / Калиткин Н.Н. // Математическое моделирования. — 1995. — Т. 7, №5.

Кариюшин, В.Н. Макроскопические и молекулярные процессы в газовых лазерах / Кариюшин В.Н., Солоухин Р.И. — М.: Атомиздат, 1981.

Клименко, В.В. Характеристики искусственного свечения ионосферы при омическом нагреве и при ускорении электронов плазменной турбулентностью, инициированными мощным радиоизлучением стенда «Сура» / Клименко В. В., Грач С. М., Сергеев Е. Н., Шиндин А. В. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. — 2017. — Т. 60, № 6. — С. 481-501.

Магомедов, К.М. Сеточно-характеристические численные методы / Магомедов К.М., Холодов АС. — М.: Наука, 1988.

Мак-Даниель, И. Процессы столкновений в ионизированных газах / Мак-Даниель И. — М.: Мир, 1967.

Мак-Ивен, М. Химия атмосферы / Мак-Ивен М., Филлипс Л. - М.: Мир, 1978. Медведев, Ю.А. Физические процессы в потоках проникающих излучений / Медведев Ю.А., Степанов Б.И., Метелин Е.В., Федорович Г.В. // сб. Импульсные электромагнитные поля быстро-протекающих процессов и измерение их параметров. - М.: Атомиздат, 1976. Мизун, Ю.Г. Ионосфера Земли / Мизун Ю.Г. — М.: Наука, 1985. — 158 с. Моисеева Д.С. Оценка ионизационного эффекта при распространении тороидального плазменного сгустка в разреженной атмосфере / Моисеева Д.С., Моторин А.А., Ступицкий Е.Л. // Геомагнетизм и аэрономия. — 2019. — Т. 59, № 4. — С. 1-10.

Моисеева Д.С. Численные исследования параметров возмущенной области, образующейся в нижней ионосфере под действием направленного потока радиоизлучения от наземного источника / Моисеева Д.С., Моторин А.А., Ступицкий Е.Л. // Компьютерные исследования и моделирование. — 2018. — Т.10, №5. — С. 679-708.

Моисеева, Д.С. Численные исследования параметров возмущенной области, образующейся в нижней ионосфере под действием направленного потока радиоизлучения от наземного источника / Моисеева Д.С., Моторин А.А., Ступицкий Е.Л. // Компьютерные исследования и моделирование. - 2018. - Т. 10. - № 5. - С. 679-708.

Нерущев, А.Ф. // Земля и Вселенная. — 2019. — № 6. — С. 16-30.

Нерущев, А.Ф. и др. // Исследования Земли из космоса, 2017. — № 6. — C. 31-45.

Озолин Ю.Э. Модель воздействия солнечных протонных вспышек на ионный и газовый состав мезосферы // Озолин Ю.Э., Кароль И.Л., Розанов Е.В., Егорова Т.А. // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. — 2009. — Т. 45. — №6. — С. 789-802.

Перов, С.П, Современные проблемы атмосферного озона / Перов С.П, Хриган А.Х. — Л.; Гидрометеоиздат, 1980.

Петров, И.Б. Лекции по вычислительной математике / Петров И.Б., Лобанов А.И. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2006.

Петров, И.Б. О регуляризации разрывных численных решений уравнений гиперболического типа / Петров И.Б., Холодов А.С. // ЖВМ и МФ. — 1984б — т. XXIV, №8 — С.1172-1188.

Петров, И.Б. Численное исследование некоторых динамических задач механики деформируемого твердого тела сеточно-характеристическим методом / Петров И.Б., Холодов

A.С. // ЖВМ и МФ. — 1984а — т. XXIV, №5 — С.722-739.

Полак, Л.С. Вычислительные методы в химической кинетике / Полак Л.С., Гольденберг М.Я., Левицкий А.А. — М.: Наука, 1984.

Полякова, Л.С. Учебное пособие. Метрология и климатология / Полякова Л.С., Кашарин Д.В. — Новочеркасск НГМА, 2004.

Райзер, Ю.П. Физика газового разряда / Райзер Ю.П. - Москва: Наука, 1987.

Расчет воздействия мощного ядерного взрыва на астероид / Ступицкий Е.Л., Андрущенко

B.А., Моисеева Д.С., Моторин А.А. // Конференция «Механика композиционных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред». — Москва, ИПРИМ РАН, 2019.

Ратклифф, Дж. Введение в физику ионосферы и магнитосферы / Ратклифф Дж. — М: Мир,

1975.

Ришбет, Г. Введение в физику ионосферы / Ришбет Г., Гарриот О.К. -Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 304 с.

Справочник. Околоземное космическое пространство. — М.: Мир, 1988. Ступицкий, Е.Л. Динамика мощных импульсных излучений и плазменных образований / Ступицкий Е.Л. — М.: Физматлит, 2006.

Ступицкий, Е.Л. Методика исследования кинетики ионизационно-химических и оптических возмущений в атмосфере на основе численного моделирования / Ступицкий Е.Л., Репин А.Ю. - ЦФТИ МО РФ, 2002.

Ступицкий, Е.Л. Неравновесные процессы при разлете высокотемпературного плазменного сгустка / Ступицкий Е.Л., Любченко О.С., Худавердян А.М // Квантовая электроника. — 1985 — Т.12, №5, — C. 1038-1049.

Ступицкий, Е.Л. Физика ядерного взрыва. Том 3 / Ступицкий Е.Л. — М.: Физматлит, 2013 (Воспроизведение факторов взрыва).

Ступицкий, Е.Л. Физические исследования и математическое моделирование крупномасштабных геофизических экспериментов. / Ступицкий Е.Л., Холодов А.С. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2019.

Фролов, В.Л. Модификация ионосферы Земли мощным коротковолновым излучением / Фролов В.Л., Бахметьева Н.В., Беликович В.В. и др. // Успехи физических наук. — 2007— Т. 177, №3. — С. 330-340

Фролов, В.Л. Об особенностях воздействия мощными радиоволнами с Х-поляризацией на ионосферу Земли и наблюдаемых при этом эффектах / Фролов В.Л. // Известная вузов. Радиофизика. — 2012. — Т. LV, № 1-2. — С. 122-139.

Хайрер, Э. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Жесткие и дифференциально-алгебраические задачи / Хайрер Э., Ваннер Г. — М.: Мир, 1999.

Черногор, Л.Ф. Возмущение ионосферы мощным непрерывным проходящим радиоизлучением: результаты численного моделирования / Черногор Л.Ф., Милованов Ю.Б. // Радиофизика и радиоастрономия. - 2015а. - Т.20. - № 1. - С. 48-63.

Черногор, Л.Ф. Возмущение ионосферы мощным непрерывным проходящим радиоизлучением: результаты численного моделирования / Черногор Л.Ф., Милованов Ю.Б. // Радиофизика и радиоастрономия. - 2015б. - Т.20. - № 2. - С. 122-132.

Численное моделирование ионизации и свечения нижней области ионосферы при воздействии направленного потока радиоизлучения от наземного источника / Моисеева Д.С., Ступицкий Е.Л. // XIII Международная Школа молодых ученых «Физика окружающей среды» им. А.Г. Колесника. — Томск, 2018.

Bakhmetieva, N.V. Mesosphere Ozone and the Lower Ionosphere under Plasma Disturbance by Powerful High-Frequency Radio Emission / Bakhmetieva N.V., Kulikov Yu.Yu., Zhemyakov I.N.. // Atmosphere. - 2020. - Vol. 11. - Iss. 11. - P. 1154.

Blagoveshchenskaya N. F. Optical and Ionospheric Phenomena at EISCAT under Continuous X-mode HF Pumping / Blagoveshchenskaya N. F., Borisova T. D., Kosch M., Sergienko T., Brandstrom

U., Yeoman T. K., Haggstrom I. // J. Geophys. Res. — 2014. — No. 119. — DOI: 10.1002/2014JA020658.

Blagoveshchenskaya, N. F. Perturbing the High-Latitude Upper Ionosphere (F - Region) with Powerful HF Radio Waves: A 25-Year Collaboration with EISCAT / Blagoveshchenskaya, N. F. // Radio Science Bulletin. — 2020. — No. 373. — P. 40-55.

Cheng, Q. Oblique absorption effects of the D region during HF waves heating / Cheng, Q., Guo, L.-.xin., Li, H.-.min ., Li, J.-.ting., Zhang, D. // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. -2019. - №. 186. - P. 28-34.

Cheng, Q. Saturation effects of the lower ionosphere based on two-dimensional HF heating model / Cheng, Q., L.-x. Guo, H.-m. Li, J.-t. Li // J. Geophys. Res. Space Physics, 2017. - № 122. -P. 874-890.

Enell, C.-F. Effects of D-region RF heating studied with the Sodankyla Ion Chemistry model / Enell C.-F, Kero A, Turunen E et al. // Annales Geophysicae. - 2005. - Vol. 23. - P. 1575-1583.

Guo, Zhe. A Novel Method to Identify the Physical Mechanism and Source Region of ELF/VLF Waves Generated by Beat-Wave Modulation Using Preheating Technique / Guo, Zhe, Hanxian Fang, Farideh Honary // Universe. - 2021. - Vol. 7. - № 2. - P. 43.

Hall J.E., Fooks J. // Planet Space Sci. —1965. — V. 13. — P. 1013.

Kagan, L.M. Observation of radio-wave-induced red hydroxyl emission at low altitude in the ionosphere / Kagan, L.M., Nicolls M.J., Kelley M.C., Carlson H.C., Belikovich V., Bakhmeteva N., Komrakov G.P., Trondsen T. S., Donovan E. // Phys. Rev. Lett. - 2005. - Vol. 94. - No.095004.

Kero, A. First EISCAT measurement of electron-gas temperature in the artificially heated D-region ionosphere / Kero A., Bosinger, T., Pollari, P. et al. // Annales Geophysical. - 2000. — Vol. 18 — P. 1210-1215.

Kero, A. New incoherent scatter diagnostic methods for the heated D-region ionosphere / Kero A., Vierinen J., Enell C.-F., Virtanen I., Turunen E. // Ann. Geophys. - 2008. - Vol. 26. - P. 22732279.

Kosch, M.J. Artificial optical emissions in the high-latitude thermosphere induced by powerful radio waves: An observational review / Kosch M.J., Pedersen T., Rietveld M.T., Gustavsson B., Grach S.M., Hagfors T. // Advances in Space Research. — 2007. — V. 40, No. 3. — P. 365-376.

Leyser, T.B. Powerful electromagnetic waves for active environmental research in geospace / Leyser T.B., Wong A Y. // Reviews of Geophysics. — 2009. — V. 47. — P. 1-33.

Li, H. The distributions of characteristic parameters during long-period modulation heating in the polar region ionosphere / Li, H., Guo, L., Cheng, Q. // Journal of Geophysical Research (Space Physics) - 2020. - Vol. 125.

Mechtly, E.A., Smith L.G. // J. Atmos. Terr. Phys. — 1968. — V. 30. — P. 1555.

Moore, R.C. ELE/VLE wave generation by modulated HF heating of the Auroral Electrojet / Moore R.C.— Dissertation. — 2007.

Motorin A.A. Modeling of the physical processes of the impact of a powerful nuclear explosion on an asteroid / Motorin A.A., Stupitsky E.L., Moiseeva D.S. // Smart innovation, system and technologies. Proceeding of AMMAI, 2020 — V. 217. — P. 87-102.

Motorin A.A. Numerical simulation of generation, distribution, and impact of a high-specific energy plasma on a barrier / Motorin A.A., Stupitsky E.L., Moiseeva D.S. // Smart innovation, system and technologies. Proceeding of the international conference on computation methods in continuum mechanics (CMCM 2021), 2021. — V. 214. — P. 47-60.

Nonlinear plasma experiments in geospace with gigawatts of RF power at HAARP / Sheerin J.P., Cohen MB. // AIP Conference Proceedings, 2015.

Pedersen, T. Observations of artificial and natural optical emissions at the HAARP facility / Pedersen T., Esposito R., Kendall E., Sentman D., Kosch M., Mishin E., Marshall R.// Ann. Geophys.

— 2008. — V. 26. — P. 1089-1099.

Rodrigues, J.V. Modification of the Earth's ionosphere by very-low-frequency transmitter / Rodrigues, J.V. — Ph.D. thesis, Stanford University, California. — 2004.

Streltsov A.V. Past, present and future of active frequency experiments in space / Streltsov A.V., Bertheier J.J., Chernyshov A.A., Frolov V.L., Honary F., Kosch M.J., et al. // Space Sci. Rev. — 2018.

— Vol. 214, No. 118. — P. 1-122.

Tomko A.A. A theoretical model of D-region ion chemistry modifications during high power radio wave heating / Tomko A.A., Ferraro A.J., Lee H.S., Mitra A.P. // J. Atmos. Terr. Phys. - 1980a -Vol. 42. - P. 275-285.

Tomko, A. A.. D region absorption effects during high-power radio wave heating / Tomko A. A., Ferraro A. J., Lee H. S. // Radio Science. - 19806. - Vol. 15. - № 03. - P. 675-682.

Turco, R.P. Photodissociation rates in the atmosphere below 100 km / Turco R.P. // Geophysical Surveys. — 1975. - V. 2. — P. 153-192.

Yang, J.T. Experimental comparisons between AM and BW modulation heating excitation of ELF/VLF waves at EISCAT / Yang J.T., Wang JG., Li Q.L., Wu J., Che HQ., Ma GL., Hao S.J. // Phys. Plasmas. - 2019. - Vol. 26. - 082901.