1. Теоретический Обзор
1.1. Нелинейные явления в ионосфере
Ионосфера − это плазменный слой в верхней атмосфере на высотах от 60 до 1000км (рис.1а). Плазма в ионосфере создается ультрафиолетовым излучением Солнца и занимает по высоте несколько сотен километров [1].
Рис.1. (а) Распределение
концентрации плазмы в ионосфере в
зависимости от высоты z.
Максимум концентрации плазмы Nmax
достигается в верхнем слое F
на высоте z
300км.
В дневное время Nmax
106см-3,
в ночное время Nmax
3*105см-3.
Слои Е и D
расположены на высотах 60–100км. Нижний
слой D
(высота 60–80км) существует только в
дневное время. (б) Характерные траектории
расположения радиоволн. О и Х – волны
обыкновенной и необыкновенной поляризации,
К – короткие волны с длиной волны
,
частотой
МГц,
с циклической
частотой
;
С – средние волны (
,
МГц,
),Д – длинные волны (
,
МГц,
).
Максимум
концентрации достигается F-слое
на высоте около 300км и составляет
приблизительно
электронов в 1см3,
спадая в ночное время до 3×105см-3.
Значение максимальной концентрации
электронов в ионосфере зависит от широты
и несколько изменяется с 11-летним циклом
активности Солнца. Ниже F-слоя
в E-
и D-слоях
концентрация спадает до 103см-3
или даже 102см-3.
Иногда концентрация Е-слоя существенно
увеличивается, тогда он называется
Е-спорадическим. D-слой
существует только днем, в ночной период
он исчезает.
Концентрация нейтральной компоненты плазмы (т.е. воздух) в ионосфере изменяется приблизительно от 1016см-3 на высотах 50–60км до 10см-3 на высоте 300км. Далее с высотой она постепенно спадает, становится незначительной, и плазма приближается к полностью ионизованной. В области, лежащей выше 1000км, ионосфера плавно переходит в магнитосферу.
Ионосфера играет важную роль в распространении радиоволн. От F-слоя отражаются короткие радио волны (рис.1(а)). Благодаря большой высоте слоя они распространяются на большие расстояния: до 2–3 тысяч километров. В Е- и D-слоях распространяются длинные и средние волны. Вследствие наличия магнитного поля Земли ионосферная плазма анизотропна, что приводит к возникновению двух компонент радиоволн: обыкновенной (о) и необыкновенной (х).
Поглощение радиоволн, которое определяется соударениями электронов с нейтральными молекулами, происходит в основном в нижних слоях, на высотах 60–100км, где плотность нейтральных частиц высока и соответственно высока частота соударений электронов с ними. В ночное время поглощение резко уменьшается в результате исчезновения электронов в D-слое в результате рекомбинации.
1.1.1. Нелинейные явления
Благодаря малой концентрации электронов в ионосфере возникает возможность вызывать достаточно сильное локальное возмущение их распределение, используя достаточно слабоинтенсивное воздействие.
Отметим, что на Земле действуют много вещательных и других радиостанций, мощность которых ничуть не меньше мощности установок воздействия на ионосферу, а нередко и превосходит ее. Разница лишь в том, что радиоизлучение станций воздействия специально сфокусировано вблизи вертикального направления. Это дает возможность радиоволнам достичь области резонансов в окрестности максимума концентрации электронов в F-слое. Эффективность воздействия является следствием совпадения частоты возбуждающей волны с частотами собственных колебаний плазмы. В результате в области резонанса происходит сильное возбуждение собственных колебаний электронной плазмы, развивается плазменная турбулентность (что и служит причиной нагрева электронной плазмы), структуризация плазмы, генерация искусственного радиоизлучения, ускорения электронов и ряда других интересных физических явлений.
Замечательная особенность плазмы, находящейся в магнитном поле, заключается в том, что, в отличие от обычных жидкостей и газов, в которых существует только один вид волн – звуковые, в плазме может существовать большое количество разнообразных волн, например:
плазменные волны – продольные колебания нагретой электронной компонентой плазмы;
ионно-звуковые волны – совместные продольные колебания электронов и ионов;
верхнегибридные (ВГ) плазменные волны – электронные колебания поперек магнитного поля;
бернштейновские моды, связанные с многократным гиромагнитным резонансом и т.д.