Введение к работе
Актуальность проблемы, {акт существенного воздействия ионосферных возмущений связанных с атмосферными движениями и электрическими полями на параметры, характеризующие состояние ионосферы подтверждается Большим количеством экспериментальных наблюдений. Цинамика широкого круга таких процессов описывается уравнениями квазигидродинамики. < ним относится и рассматриваемая в диссертации задача о генерации акустико-гравитационными волнами (АГВ) электромагнитных возмущений и их распространения в мономере и магнитосфере.
Серьезным затруднением при теоретическом описании генерации и распространения электромагнитных возмущений в ионосфере и магнитосфере является количество уравнений, описывающих такие процессы, значительный диапазон изменения параметров плазмы, а так же обусловленная геомагнитным полем анизотропия проводимости плазмы, изменяющаяся в широких пределах от изотропии в нижних слоях ионосферы до полной замагниченности на магнитосферных высотах. Это обусловило то, что практически важные теоретические результаты удавалось получить при различных упрощениях реальной ситуации, для изучения отдельных явлений в конкретных условиях с ограничениями на параметры плазмы, Распространенным для ионосферных исследований является использование электростатического приближения, когда электрическое поле представляется градиентом потенциала, а уравнением для потенциала является условие не накопления заряда.
Результаты, представленные в диссертации, получены на основе нового, оригинального подхода к описанию электромагнитных возмущений в мономере, основные элементы которого разработаны Б.Л. Савельевым. Подход описывает с единых позиций широкий круг явлений для произвольных параметров ионосферной плазмы, с временными масштабами от частот радиодиапазона до характерных периодов в несколько часов, Он основан на построении полной системы операторов проектирования в инвариантные подпространства оператора векторного произведения (и произвольной функции от него), В частности, такой функцией является тензор проводимости магнитоактивной плазмы, его представление в виде функции от простого оператора имеет преимущества перед традиционным, поскольку позволяет выразить его в максимально общей, компактной и более удобной для использований форме. Отмеченные преимущества дают возможность получить без каких либо приближений из системы уравнений Максвелла, замкнутых законом Ома для магнитоактивной плазмы, скалярное уравнение для электрического потенциала, в некотором смысле сложное, пос-
- 2 -кольку включает неявно заданный оператор. Приближенным аналогом этого точного уравнений является уравнение для потенциала, широко используемое при изучении динамики ионосферных возмущений в электростатическом приближении. В оязи с этим возникает необходимость реализации потенциальных возможностей такого попхои, і создании численной модели полно описынкшй широкий круг явлении.
Цель исследования.
Исследование электромагнитных возмущений, генерируемых АГВ в однородной и неоднородной, анизотропной плазме.
Создание универсальной численной модели, построенной на основе новых, точных решении уравнений Максвелла, описывающей генерацию АГВ электромагнитных возмущений и их распространение в неоднородной,анизотропной ионосфере.
научная новизна работы определяется следующими основными результатами диссертации, полученными впервые:
Найден полный набор чисто вихревых решений уравнений Максвелла в однородной, магнитоактивной плазме.
На основе новых, точных решений уравнений Максвелла для электромагнитных возмущений, генерируемых акустическим импульсом и АГВ, исследована структура электромагнитных полей в однородной и неоднородной магнитоактивной ионосферной плазме, произведено сравнение точных решений с решениями в электростатическом и геометрооптическом приближениях.
Создана и реализована на ЭВМ численная модель, пригодная для единого, точного (в рамках достаточно широкой исходной постановки) описания генерируемых АГВ электромагнитных возмущений и их распространения при любых параметрах ионосферной плазмы и источниках их генерации.
-Исследованы проявления электрических полей, обусловленных АГВ -источником на различных ионосферных высотах, проанализирована зависимость этих проявлений от параметров, характеризующих источник: высоты его локализации и направления распространения АГВ относительно геомагнитного поля.
- Построена численная функция Грина, характеризующая излучательную
способность различных высотных слоев ионосферы, на которые воздействуют
ветры, вызываемые АГВ.
- з --Исследовано и численно смоделировано явление электромагнитного излучения назад, генерируемого акустическим импульсом при его прохождении через неоднородность в магнитоактивной плазме.
Практическая и научная значимость состоит в том, что проведенное исследование содержит новые важные сведения теоретического и практического характера в вопросах о генерации электромагнитных возмущений акустико-гра-витационными волнами в магнитоактивной однородной и неоднородной ионосіе-ре.
Полученные результаты позволяют проверять обоснованность результатов, полученных при использовании тех или иных приближенных методов, например таких, как широко используемое в «изике ионос»еры электростатическое приближение для задач о генерации электромагнитных возмущений в ионосіере ат-мос«ерными волнами, приближение геометрической оптики в задачах о распространении электромагнитных волн, генерируемых АГБ, в неоднородной плазме.
Универсальная численная модель, построенная на основе точных выражений позволяет проанализировать конкретный вклад процессов, связанных с взаимодействием АГВ с ионосферной плазмой в общую картину явлений, происходящих в ионосіере, что позволяет более правильно интерпретировать экспериментальные данные, полученные при изучении таких явлений.
Оостоверность результатов, полученных численным моделированием с использованием численных методов высокой точности, тестировалась их сопоставлением с новыми, точными решениями уравнений Максвелла. В случаях, когда точное аналитическое решение было неизвестно, правильность работы модели проверялась подстановкой результатов численных расчетов непосредственно в уравнения Максвелла, либо его следствие -уравнение энергии для электромагнитных волн.
На защиту выносится:
-
Полный набор чисто вихревых электромагнитных волн, возможных в однородной, магнитоактивной плазме для случаев когда собственные значения тензора проводимости не вырождены и двукратно вырождены. -
-
Результаты исследования структуры электромагнитных возмущений, производимых плоским акустическим импульсом произвольной юрмы и акустико-гравитационными волнами в различных условиях как в однородной, так и в неоднородной ионосіерной анизотропной плазме.
-
Метод аналитической матричной прогонки, использованный в численной модели, позволяющий по аналитическому вираженим непосредственно рассчитывать электромагнитные возмущения в каждом слое, производимые источником, находящимся в любом слое.
-
Э»»ект зависимости амплитуды допплеровского сдвига частоты зондирующего радиосигнала, вызванного дрейюм ионов в F области ионосферы,из-за электрического поля,генерируемого АГВ,находящейся на высотах динамо - области, от направления распространения АГВ.
-
Эмект электромагнитного излучения назад при прохождении акустического импульса через плазменную неоднородность.
Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались: на научных семинарах Института ионос»еры АН РК, каїедрьі радиоіизики Санкт- Петербургского Государственного Университета; на XV и XVI всесоюзных конференциях по распространению радиоволн (г. Алма-Ата, 1987г., г. Харьков, 1990г.); на V семинаре КАПГ по солнечно-земной іизике (г. Самарканд, 1939г.); на международном совещании по программе ВАГС (г. Алма - Ата, 1989г.); на XVII межведомственном семинаре по распространению километровых и более длинных радиоволн (Санкт- Петербург, 1992г.) на XX генеральной ассамблее международного союза по геоіизи-ке и аэрономии (IUGA), (г. Вена, 1991г.).
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 106 страницах и состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитированной литературы из 81 наименования, 7 рисунков, двух таблиц.
