Динамика искусственного плазменного облака в ионосфере на начальной стадии разлета

• Автор: Думин, Юрий Викторович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Троицк
• Количество страниц: 108 с. : ил.

Оглавление
Введение
Общая характеристика работы
Краткое содержание работы
1 История активных космических экспериментов
1.1 Ранний этап исследований - инжекция нейтрального газа
1.2 Первые эксперименты по инжекции плазмы
1.3 Современный этап плазменных экспериментов
2 Электродинамика искусственного плазменного облака
2.1 Постановка задачи динамо-эффекта В'ионосфере
2.2 Исходная система уравнений
2.3 Квази-двумерная модель генерации полей и токов
2.3.1 Излучательные граничные условия
2.3.2 Решения и их свойства
2.4 Трехмерная модель динамо-эффекта
2.4.1 Общее решение для потенциала электрического поля
2.4.2 Частные решения для простейших граничных условий
2.4.3 Перспективы использования обобщенных сферических функций
3 Ионизационно-рекомбинационная динамика плазмы
3.1 История исследований быстро расширяющейся плазмы
3.2 Формулировка модели и исходные уравнения
3.3 Решения уравнений и их свойства

4 Электрические свойства сильно-неидеальной плазмы
4.1 Типы силыю-неидеалыюй плазмы
4.2 Функции распределения и эффективная температура
4.2.1 Модель классической сильно-неидеальной плазмы
4.2.2 Многочастичная функция распределения
4.2.3 Эффективная температура заряженных частиц
4.2.4 Эффективная одночастичная функция распределения
4.3 Концентрация свободных носителей заряда и электропроводность плазмы
4.3.1 Концентрация свободных носителей заряда
4.3.2 Электропроводность неидеальной плазмы и эффект аномального электрического сопротивления
Заключение
Основные результаты и выводы работы
Благодарности 84 *
Приложения
А Модель инерционного разлета газового облака
В Усреднение многочастичной функции распределения
С Условия применимости вириальных соотношений
С.1 Качественное рассмотрение
С.2 Численное моделирование
Литература

Введение
Общая характеристика работы
Актуальность темы исследования. Одним из наиболее важных явлений, наблюдаемых при искусственных выбросах плазмообразующих веществ в ионосферу и магнитосферу Земли, является генерация широкого спектра электромагнитных возмущений, изучение которых интересно как само по себе, так и с точки зрения индуцированных ими процессов. Это, например, возбуждение ионосферно-магнитосферного альвеновского резонатора с сопутствующим высыпанием высокоэнергичных частиц, раскачка электростатических колебаний, которые могут приводить к дополнительной ионизации плазмы (так называемый эффект “критической ионизационной скорости”) и т.д.
Большинство электродинамических моделей искусственного плазменного облака, разработанных к настоящему времени, предназначены для его описания на сравнительно больших временах после момента ин-жекции. Гораздо меньшее внимание было уделено динамике плазмы на ранней стадии расширения. Так, например, как отмечалось в итоговом отчете по результатам активных космических экспериментов, выполненных в Советском Союзе и России в 1980-х и начале 1990-х годов [1], “диффузионная эволюция искусственных ионных облаков... широко изучалась в нашей стране и за рубежом... За редким исключением, физика начальной стадии при создании искусственных облаков подробно не рассматривалась.”
Именно этому кругу вопросов и посвящена настоящая диссертация. Акцент сделан, в частности, на разработке эффективного математического подхода для аналитического решения задачи динамо-

нерации как альвеновскои, так и магнитозвуковои моды возмущении с учетом возможной связи между ними для моментов времени Д£ >0,1 с после инжекции, что соответствует характерным размерам облака в несколько сотен метров. Нас же в данной главе будут интересовать процессы, происходящие на существенно меньших пространственных и временных масштабах.
В общем случае, как было показано в процитированной выше работе, отношение азимутального (вихревого) и радиального электрического полей в облаке имеет следующий порядок величины:
Ег/Ег г» ~ лс1 , (2.1)
Уте IV 1пАГ|
где шЯс и уТе - гнрочастота и тепловая скорость электронов, N - концентрация заряженных частиц, ис1 — характерная скорость расширения плазменного облака, а Дс! - его размер.
Таким образом, видно, что при малом размере облака основной будет радиальная компонента электрического поля, а по мере расширения начнет доминировать азимутальная. Так, например, согласно приведенным в [9] оценкам для конкретного эксперимента “Сполох”, проводившегося в ИЗМИР АН, переход между двумя вышеупомянутыми режимами происходит при 11 с! ~ 10 м. Поскольку основной целью настоящей работы является исследование динамики облака на самой ранней стадии его расширения, мы будем рассматривать в дальнейшем именно первый случай, когда азимутальной (вихревой) компонентой можно пренебречь; т.е. электрическое поле является с достаточной точностью потенциальным.
Таким образом, задача о генерации электрических полей и токов облаком частично-ионизованного газа, расширяющемся во внешнем магнитном поле В0, может быть описана системой уравнений, включающей в себя:
а) стационарное уравнение непрерывности электрического тока
<1пч = 0; (2.2)
б) обобщенный закон Ома, выражающий плотность тока j через продольную сг0, холловс.кую сгР и педерсеновскую сгн проводимости, как