CC BY
91
2007
НА УЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА сер. Радиофизика и радиотехника
№ 117
УДК 621.396
ПОГЛОЩЕНИЕ КОРОТКИХ РАДИОВОЛН В АВРОРАЛЬНОЙ
ИОНОСФЕРЕ
О.А. ГОРБАЧЕВ, А.А. ТРУХАН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Нечаевым Е.Е.
Показано, что на высотах Г-слоя высокоширотной ионосферы может иметь место аномальное поглощение радиоволн коротковолнового диапазона, обусловленное эффективным комбинационным рассеянием радиоволны на ионно-звуковой турбулентности плазмы. Ионно-звуковая неустойчивость ионосферы вызвана наличием в ней продольных, относительно геомагнитного поля, токов и неизотермичностью плазмы.
В работе [1] с помощью модельных расчетов показано, что в авроральной ионосфере на высотах выше 200 км в области как втекающего, так и вытекающего тока во время гелио- и геомагнитных возмущений имеет место ионно-звуковая турбулентность. Неустойчивость плазмы ионосферы обусловлена разбалансом температур (Те /Тi > 3.4-*10) электронной и ионной компонент плазмы и наличием продольных ионосферно-магнитосферных токов с плотностью у ц »(10-4 *10-6) А ■ м 2. Разбаланс температур обусловлен: для электронной компоненты
плазмы - её эффективным нагревом продольным током, для ионной компоненты - охлаждением за счет перезарядки на нейтральных составляющих плазмы. В работе [2] показано, что в режиме
насыщения уровень турбулентности достигает значений = 10-3 * 10-4, где - плотность
пТе
энергии ионного звука, п - концентрация плазмы.
Как известно (например, [3-5]), при распространении электромагнитной волны в турбулентной плазме происходит ее эффективное затухание из-за нелинейного взаимодействия с плазменными шумами. Известно так же [6], что во время полярных сияний значительно усиливается поглощение космических радиошумов и нарушается радиосвязь в коротковолновом (КВ) диапазоне . Значительное (до 20 дБ) затухание принимаемых на Земле сигналов бортового телеметрического передатчика, при инжекции электронного пучка с борта ракеты, зарегистрировано в серии экспериментов “Зарница-1,2” и “АРАКС” [7]. Таким образом, расчет эффективного затухания высокочастотных радиоволн в полярной ионосфере представляет значительный практический интерес.
Затухание электромагнитной волны с частотами больше ленгмюровской частоты плазмы ( ю » ко > ю ) для случая незамагниченной плазмы ( ю > юв ) за счет взаимодействия с ионнозвуковой турбулентностью описывается уравнением [5]
(1)
где
® ® ® ® ®
~ ГИГ Ґ Г/ ~ ^ \2
здесь Ех( (ю, к) - диэлектрическая проницаемость плазмы для ионнозвуковых и электромагнит-
—к
ных волн, соответственно; е( - вектор поляризации радиоволны; Еt - напряженность электрического поля радиоволны; юр и юв - плазменная и циклотронная частоты. Первое слагаемое в (2)
описывает столкновительное затухание радиоволны на заряженных частицах ионосферной плазмы, второе слагаемое определяет вклад процесса трансформации поперечной радиоволны в продольные ионно-звуковые волны и третье слагаемое описывает комбинационное рассеяние радиоволны на ионно-звуковых флуктуациях.
В работе [8] показано, что вклад процесса трансформации поперечных электромагнитных волн коротковолнового (КВ) диапазона в продольные плазменные волны на высотах ионосферы h <300 км достаточно мал по сравнению с их столкновительным затуханием. Таким образом, вторым слагаемым в выражении (2) можно пренебречь по сравнению с первым.
Оценим вклад комбинационного рассеяния радиоволны. Из условия пространственновременного синхронизма
(3)
к + д, = к'
ю
видно, что д8 < 2к = 2 —, то есть рассеивать радиоволны КВ диапазона могут только достаточно
с
длинноволновые ионнозвуковые колебания с 1> 103 см. Для оценки эффективности рассеяния пренебрежем влиянием геомагнитного поля и предположим, что спектр ионнозвуковой турбулентности изотропен [9]. Тогда получаем оценку
V
(,)
ёд % (д)
2ю •' (2р) пТе
к к к [к- q, е ]2 5 —к —к е (ю,к -д> - с’<к-д)2 к к +(к ® -к
[ (к-д)2 ю
тою
р Г ёд (д) 8
2ю Г (2р)3 пТе
е, (ю, k - q) -
к к с2 (к - q)2
ю2
Рюр
2ю
ёд, ёд± % (q) ю У _ ЮЛ
•2л|—-—3-----^—51 а - 2—
і (2р)3 пТе 2с ^ с ,
(4)
РЮр %
4сА% пТе
где Ж, = Г
ёд % (д)
(2р)3 пТе
ю
д < 2 —, и окончательно с
V
(,)
(5)
5 • 10 с~ и для ю > 10 с~ получа-
:(РЮХ )/(8ЮпТе ) .
Для высот ионосферы ниже Б-слоя ^<300 км.), где юр ем оценку рассеяния радиоволны на ионном звуке (фононах) в режиме его насыщения ) » (103 ^104) с-1. Для сравнения приведем значения частот столкновений электронов с ионами и нейтральными составляющими ионосферной плазмы для данных высот Vе » (2 102 ^103)с_1 и Vпп »103 с-1, соответственно. Видно, что вклад комбинационного рассеяния радиоволн на ионнозвуковой турбулентности как минимум на порядок превосходит их рассеяние за счет столкновений.
Коэффициент эффективного затухания радиоволн, определяемый из соотношения
% |2/8р = Е 0|2/8р е"Г ,
(t)
равен Г = Г
ё I
ё ю, / ёд
, д) »—А1
V
ее
ее
V,
(6)
к
к к
к
к
к
к
к
к к
где dwS / dq = vS - групповая скорость ионного звука и Al - групповой путь пакета ионнозвуковых волн. Из (6) видно, что коэффициент усиления Г практически не зависит от параметров ионосферы. При vS » 105 см/с величина коэффициента затухания Г >10 обеспечивает значительное ослабление амплитуды сигнала радиоволны уже при значениях Al = (102 103 ) см, тогда как размер области ионно-звуковой неустойчивости L » 100 км = 107 см.
Можно получить оценку vf и другим путем. Потеря импульса электрона (направленное
движение в радиоволне) в единицу времени за счет рассеяния на ионно-звуковых колебаниях плазмы в режиме их насыщения определяется как [2]
V,, »и,(Ws/nT,). (7)
Подстановка значений параметров дает ту же оценку - v, » (103 104) с-1.
Из формулы (5) видно, что эффективность рассеяния радиоволн на ионном звуке уменьшается с увеличением частоты радиоволны, тогда как ее затухание за счет столкновений не зависит от ее частоты.
Таким образом, во время гелио- и геомагнитных возмущений на приполярных радиотрассах возможно эффективное поглощение КВ радиоволн за счет их комбинационного рассеяния на ионно-звуковой турбулентности ионосферной плазмы. Устойчивая работа в таких условиях средств связи, работающих в КВ диапазоне, будет затруднена.
ЛИТЕРАТУРА
1.Трухан А. А., Горбачев О.А. Механизм ионно-звуковой неустойчивости во внешней авроральной ионосфере. // Геомагнетизм и аэрономия, Т.37, 1997.
2.Арцимович Л. А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат, 1979.
3.Цытович В.Н. Теория турбулентной плазмы. М.: Атомиздат, 1971.
4.Dawson J., Oberman C. High frequency conductivity and the emission and absorption coefficients of a fully ionized plasma. // Physical Fluids, V.5, 1962.
5.Быченков В. Ю., Натанзон А.Н. Об аномальном поглощении излучения на ионно-звуковых флуктуациях. // Физика плазмы, Т.9, 1983.
6.Гельберг М.Г. Неоднородности высокоширотной ионосферы. Новосибирск: Наука, 1986.
7.Мишин Е.В., Ружин Ю.Я., Телегин В.Я. Взаимодействие электронных потоков с ионосферной плазмой. Л.: Гидрометеоиздат, 1989.
8.Атаманюк Б.М., Мишин Е.В. О механизме затухания радиоволн в ионосфере при инжекции электронного пучка. // Геомагнетизм и аэрономия, Т.26, 1986.
9.Горбачев О.А., Трухан А.А. Ионно-звуковая турбулентность ионосферы как источник ОНЧ радиоизлучения типа аврорального шипения. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, № 93, 2005.
SHORT RADIO WAVES ABSORPTION IN AURORAL IONOSPHERE
Gorbachev O.A., Trukhan A. A.
It is shown that there will be irregular absorption of sort radio waves on altitudes of F -layer, which caused by effective combinational scattering of radio wave on ion-sound turbulence of plasma. The ion-sound ionosphere instability is produced by existence of currents, which are linear relatively to geomagnetic field, and nonisothermal plasma.
Сведения об авторах
Горбачев Олег Анатольевич, 1959 г.р., окончил ИГУ (1982), кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой авиационного радиоэлектронного оборудования Иркутского филиала МГТУ ГА, автор 26 научных работ, область научных интересов - радиофизика, радионавигация.
Трухан Александр Алексеевич, 1947 г.р., окончил МГУ (1971), кандидат физико-математических наук, доцент кафедры авиационного радиоэлектронного оборудования Иркутского филиала МГТУ ГА, автор 52 научных работ, область научных интересов - физика плазмы, радиофизика.
