Введение к работе
Диссертационная работа посвящена теоретическому исследованию ионосферного МГД-волновода я ионосферного адьфвенозского резонатора, объектов, реально существующих в земной ионосфере, Основное содержание диссертации опубликовано в монографин [20] и в статьях [1,2,5,9,17-19,21-24,30].
Актуальность работы обуслозпенабольанш интересом, проявляемый к распространению в земной ионосфере электромагнитных волн диапазона f = (10"*- 10і) Гц, с учетом реального характера ее вертикальной неоднородности. В последние десятилетня особый интерес вызывало изучение отклика ионосферы на активное воздействие со стороны импульсного магнитного диполя. Распространение магнитных сигналов от подобных источников исследуется в яастоящй работе в качестве практического приложения ослсэаых теоретя»йгках результатов.
Термин "ионосферныйМГД-волновод" быдвзеденв 1966 г. ЛЛеплн, Р Ландшофом и Р.Манчестером. В последующих работах, посвященных этой актуальной теме (К.Грейфингер, Ф.Грейфннгер (1968, 1973), Г.В.Руденко (1985), С.Фуджнта (1987)), проблема была решена далеко не полностью. В частности, отсутствовали: аналитические исследования свойств волноводного сигнала [6,9,17] и боковой эолны [14,20]; построение функции Грина золноводной задачи ддя общего случая, когда неточних находится э анизотропной ионосферной плазме и геомагнитное поле нг вертикально [11,19,20]; численный расчет сгойстз мод, кроме нулевой [19,20]; исследование взаимодействия мезду ионосферным МГД-зояноводом н ионосферным альфвеновскнм резонатором [22,25]; изучение влияния сфернчкостя Земли на характеристики МГД-снгналоз [18,20].
Еще менее изученным объектом оказался ионосферный альфвеяовскяй резонатор (ИАР). Возмоаносп. существования ИАР была теоретически показана в работе С.В.Полякоза (1976) и проверена экспериментально П.П.БеяябВьга, С.В.Поляковьш, В.О.Рапопортом, В.Ю.Трахтенгерцем (1985-1989 тт.). В статьях, посвященных ИАР, отсутствовали: аналитические формулы для расчета собственных частот резонатора [12,20,21,23], построение функции Грина для общего случая, когда источник находится в анизотропной ионосферной плазме и геомагнитное поле не вертикально [13,20,22], расчет взаимодействия меззду ИАР и МГД-волноводоы [22,25], мотодана расчета для слоистой по глубине земли [20] и сферической поверхности Земли [20].
Цель и направленность исследований - изучение пространственно-временных характеристик электромагнитных возмущений герцового диапазона, распространяющихся в ионосферном МГД-волноводе и
локализованных в ИАР.
Представляет интерес изучить распространение МГД-колебаний как в плоскости геомагнитного меридиана, так и под углом к этой плоскости. При распространении в плоскости геомагнитного меридиана (случай математически более простой, а физически более интересный) целью является получение аналитических формул для расчета частот отсечки мод МГД-волновода, фазовых и групповых скоростей и мод, их затуханий; комплексных резонансных частот ИАР, величины сигнала при вертикальном геомагнитном поле; оценка эффективности возбуждения МГД-колебаний источниками различных типов. Формулы, описывающие распространение в плоскости геомагнитного меридиане, используются далее для построения более общего решения. Направлением исследований является получение теоретических результатов, применимых в реальной ионосфере при различных ее состояниях (максимальная и минимальная солнечная активность, день и ночь и т.п.); изучение значимых ионосферных источников.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана новая модель ионосферного МГД-волновода, с помощью
которой выполнено аналитическое исследование волноводных сигналов. Проанализированы основные характеристики ионосферного альфвеновского резонатора и для них получены простые приближенные формулы. Предложены эквивалентные модели ионосферных волновода и резонатора, примененные для решения ряда конкретных задач.
-
Построена функция Грина для ионосферного МГД-волновода и ионосферного альфвеновского резонатора в случае, когда источик находится в анизотропной ионосферной плазме, а вектор геомагнитного поля направлен под углом и вертикали. Исследованы процессы взаимодействия между колебаниями в ионосферном волноводе и ИАР.
-
Разработан математический алгоритм и выполнены аналитические (при вертикальном геомагнитном поле) и численные (в общем случае) расчеты возбуждения МГД-волновода импульсным магнитным диполем в условиях, близких к эксперименту "Аргус". Исследованы свойства сигнала, отвечающего непрерывному спектру задачи.
-
Аналитически изучено влияние сферичности Земли на моды дискретного и непрерывного спектров ионосферного МГД-волновода. Построен алгоритм численного расчета собственных частот ИАР доя модели, учитывающей сферичность Земли.
-
Развита единая теория ионосферного и магннтосфериого альфвевовских резонаторов в случае сферической поверхности Земли
и геомагнитного поля дипольного типа.
-
Предложен вариант обобщения части подученных результатов на случай горизонтально неоднородной почти стратифицированной ионосферы.
-
Аналитически получены оригинальные формулы для компонент тензора проводимости ионосферной плазмы, показателей преломления альфвековской и БМЗ-волн в земной ионосфере; частот отсечки мод ионосферного МГД-волнозода; резонансных частот ИАР; фазовых и групповых скоростей БМЗ-мод. Обоснованность и достоверность результатов определяется
обязательным учетом на протяжений всей работы реальных соотношений между параметрами ионосферной плазмы [5,201; разработкой моделей воявогсда я ргзоаатора именно с учетом этих соотношений [2,20,23]; оценкой условий применимости полученных приближений, например, методами теории возмущений [17]; прямым сопоставлением аналитических результатов и численных расчетов [17,20,21] (как выполненных в данной работе, так и содержащихся в работах других авторов); соответствием в ряде случаев аналитических и численных расчетов, содержащихся в работе, экспериментальным данным [9,14,20,27].
Результаты работы з отеделыяих случаях пзрзлодлт п ранг* извгстпке результаты и не противоречат общешпическан представлениям.