Пылевые звуковые возмущения в запылённой ионосферной плазме и их проявления

• Автор: Копнин, Сергей Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 119 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Краткий обзор
Нано- и микромасштабные частицы в околоземной плазме
1.1.1 Формирование частиц в результате процессов конденсации на высотах 80 - 95 км
1.1.1 Л Серебристые облака и полярные мезосферные радиоотражения
1.1.1.2 Конденсация паров воды
1.1.1.3 Оценка размеров критического радиуса зародышей конденсации
1.1.1.4 Оценка размеров сконденсировавшихся частиц
1.1.1.5 Результаты численного расчета
1.1.2 Частицы межпланетной пыли и микрометеороиды
1.1.3 Вторичные частицы метеорного происхождения
1.2 Волновые процессы в пылевой плазме
1.2.1 Пылевая (комплексная) плазма
1.2.2 Волны в пылевой плазме
1.2.2.1 Линейные волны в пылевой плазме
1.2.2.2 Нелинейные возмугцения в пылевой плазме
1.3 Волны в ионосфере
1.4 Наблюдение радиошумов во время метеорных потоков
Глава 2. Линейные и нелинейные пылевые звуковые волны в запылённой ионосферной плазме
2.1 Основные уравнения
2.2 Линейные пылевые звуковые волны в запылённой ионосфере
2.2.1 Линеаризованная система уравнений
2.2.2 Закон дисперсии пылевых звуковых волн
2.3 Пылевые звуковые солитоны в плазме запылённой ионосферы
2.3.1 Описание модели
2.3.2 Солитонные решения
2.4 Заключительные замечания
Глава 3. Модуляционное возбуждение пылевых звуковых возмущений
3.1 Основные уравнения для модуляционной неустойчивости электромагнитных волн
3.2 Модуляционная неустойчивость электромагнитных волн. Случай положительной зарядки пылевых частиц
3.3 Модуляционная неустойчивость электромагнитных волн. Случай отрицательной зарядки пылевых частиц
3.4 Метеорные потоки и модификация низкочастотной части спектра радиошумов ионосферы
3.5 Заключительные замечания
Глава 4. Пылевые звуковые возмущения и возбуждение колебаний акустического типа
4.1 Генерация инфразвуковых колебаний пылевыми звуковыми возмущениями
4.2 Возбуждение акустико-гравитационных волн и усиление зелёного излучения ночного неба во время интенсивных метеорных потоков
4.3 Заключительные замечания
Заключение 103 '
Литература

Введение
Актуальность темы. В настоящее время проводятся интенсивные исследования пылевой плазмы, на что указывают многочисленные публикации (ежегодно публикуется более 1000 работ по этой тематике) в различных изданиях. Проблематике пылевой плазмы посвящены монографии [1 - 3] и многочисленные обзоры [4 - 25].
Обычно пылевой плазмой называется частично или полностью ионизованный газ, содержащий пылевые частицы. Иногда такую плазму называют комплексной плазмой, коллоидной плазмой, плазмой с конденсированной дисперсной фазой, запылённой плазмой и др. [23]. Впервые в лабораторных условиях пылевую плазму получил И. Ленгмюр ещё в 20-х годах XX века. Однако активное изучение свойств пылевой плазмы началось лишь в 90-е годы прошлого столетия в связи с различными приложениями в науке, технике и природе.
С пылевой плазмой связаны такие приложения, как технологии плазменного напыления в микроэлектронике, плазменное травление и др. Повышенный интерес к пылевой плазме также вызван развитием технологий получения тонких плёнок и частиц с размерами в наномасштабном диапазоне. В процессе развития исследований в области управляемого термоядерного синтеза пылевая плазма была обнаружена в пристеночной области термоядерных установок с магнитным удержанием [5, 26, 27]. Пылевая плазма представляет интерес и с точки зрения ракетостроения [28, 29], т.к. она была обнаружена вблизи искусственных спутников Земли. Наряду с этим, производится множество исследований свойств пылевой плазмы и процессов, протекающих в ней, с точки зрения фундаментальной физики [4, 30 - 35]. В 1994 году был впервые получен плазменнопылевой кристалл [4, 36, 37]. Были высказаны гипотезы о происхождении Солнечной системы из облака пылевой плазмы [4,32]. Во Вселенной, как полагают, существует многообразие плазменно-пылевых систем [32-35, 38-41]. Это - солнечный ветер, ионосфера и магнитосфера Земли, планетарные кольца, межзвёздные и межпланетные

плазменно-пылевые облака, хвосты и комы комет и др. [4,32-35]. В настоящее время все эти объекты активно исследуются [4,28,29, 35,42,43].
Интенсивные работы ведутся и в области физики пылегазовых облаков в атмосфере, а также физики серебристых облаков и полярных мезосферных радиоотражений, представляющих собой облака ледяных частиц нано- и микромасштабных размеров в ионосферной плазме на высотах 80 — 95 км (см., например, [44-46]). При этом, на поверхности пылевых частиц протекают различные процессы, из которых можно выделить рекомбинацию электронов и ионов. Нескомпенсированные потоки электронов и ионов, а также действие фотоэффекта могут приводить к отрицательной, либо положительной зарядке пылевых частиц. В случае, когда ионосферная плазма содержит заряженные пылевые частицы, говорят о запылённой ионосферной плазме (см., например, [47]).
Одним из источников пыли в ионосфере на высотах 80 - 120 км служат метеорные потоки. Согласно [48] и [49] максимум концентрации пылевых частиц метеорного происхождения приходится на высоты 80 - 90 км и может составляет более 104 см'3 [50]. Не исключён конвективный перенос частиц вулканического происхождения, частиц сажи от крупных пожаров и др. [51]. Пылевые частицы могут образовываться также и в результате конденсации паров воды [46, 51, 52].
Исследование нижней части ионосферы Земли (в диапазоне высот от 80 до 120 км) представляет большой интерес, т.к. это наименее изученная область атмосферы. Трудности исследований на этих высотах связаны с тем, что они недостижимы для стратостатов. В то же время плотность воздуха на этих высотах всё ещё высока и препятствует движению искусственных спутников Земли. Поэтому способы изучения и диагностики этой области высот весьма ограничены. Непосредственные эксперименты на данных высотах реализуются лишь с помощью пролётных ракет.
Наличие заряженных пылевых частиц в нижней ионосфере кардинальным образом влияет на её ионизационные свойства [46], а также на волновые процессы, протекающие в
Глава 2. Линейные и нелинейные пылевые звуковые волны в запылённой ионосферной плазме
Как уже отмечалось в предыдущей главе, важной особенностью ионосферной плазмы является сильная амбиполярная диффузия электронов и ионов [120]. Поэтому на высотах 80-120 км затруднено возбуждение и распространение электростатических волновых колебаний таких, как ионно-звуковые волны. Заряженные пылевые частицы, обладающие массой много большей по сравнению с массой ионов и электронов, в значительно меньшей степени подвержены амбинолярной диффузии. Благодаря этой особенности запылённая ионосферная плазма обладает рядом интересных и уникальных особенностей. Например, в ней возможно возбуждение и распространение таких низкочастотных электростатических возмущений, как пылевые звуковые волны [56, 58]. Косвенным подтверждением которых являются наблюдения [52] низкочастотных спектральных линий на фоне радиошумов ионосферы во время интенсивных метеорных потоков таких, как Персеиды, Ориониды, Геминиды, Леониды.
2.1 Основные уравнения
Исходными для описания столкновительной запылённой плазмы нижней ионосферы являются гидродинамические уравнения [124], модифицированные на случай присутствия в плазме заряженных пылевых частиц. Для электронов и ионов уравнения движения имеют вид:
тЛ 0 + К?) V.) = -У(пеТе) -(V, я,)-епеЕ + + ]*,„ + Ясп +КТ, (2.1)