Генерация и диагностика квазистационарных электромагнитных полей в ионизованных средах

Круг проблем, связанных с исследованием квазистационарных электромагнитных полей в ионизованных средах, очень широк. Он включает вопросы анализа полей излучения и импедансных характеристик антенн, традиционными сферами применения которых служат диагностика параметров космической и лабораторной плазмы, регистрация шумовых излучений в магнитосфере, ионосфере и атмосфере, генерация электромагнитного излучения [1, 2]. В последние годы, в связи с проведением активных космических экспериментов в целях создания искусственных плазменных структур с регулируемыми свойствами, воздействия на геофизические процессы и т. п., возрастающее внимание уделяется изучению нелинейных эффектов в ближнем поле антенны [3]. Вместе с тем, антенные измерения электромагнитных полей и зондовые измерения параметров плазмы (концентрации, температуры, функции распределения электронов и ионов) продолжают служить важнейшим источником информации об ионосфере, магнитосфере и солнечном ветре, добываемой с помощью космических аппаратов [4] - [10]. Поэтому проблемы надежности и адекватности таких измерений, а также вопросы разработки новых диагностических методов (как пассивных, так и активных) с использованием антенн и зондов в космической плазме, остаются в центре внимания и при анализе получаемых данных, и при планировании новых ракетных и спутниковых экспериментов [11], что делает развитие теории антенн и зондов в плазме весьма актуальной задачей. В связи с этим особый интерес представляют условия, при которых резонансы плазмы, временная и пространственная дисперсия, неоднородность, а также нелинейные эффекты существенно меняют структуру электромагнитного поля и импеданс антенны по сравнению с вакуумными [12]. Именно такие условия (как правило, реализуемые в экспериментах) порождают наибольшее количество проблем и дискуссий [13] - [18], и развитие теории антенн применительно к указанным условиям занимает центральное место в первой части диссертации (главы 1-я — 3-я).

С другой стороны, в последнее время возрастающее внимание уделяется анализу квазистационарных электрических полей в плазме, степень ионизации которой столь мала, а время релаксации заряда настолько большое, что движение среды во внешнем электрическом поле приводит к существенному перераспределению заряда и поля, и обычное условие квазинейтральности для процессов с масштабами, много большими дебаевского радиуса, нарушается. Это требует разработки специальных, в том числе электрогидродинамических (ЭГД) [19]-[21], методов описания такой плазмы. Наиболее общей проблемой электрогидродинамики является проблема генерации крупномасштабного квазистационарного электрического поля и пространственного заряда в движущейся слабопроводящей среде (электрическое динамо), имеющая большое практическое значение применительно к физике атмосферы (грозовое электричество, энергообмен между атмосферой и ионосферой), астрофизике, электроэнергетике. В последнее время интерес к этой проблеме заметно возрос в связи с новыми экспериментальными данными по тонкой структуре и динамике грозовых облаков и мезомасштабных конвективных систем [22] - [26], генерации электрических полей в средней атмосфере [27] - [28], оптическим явлениям в мезосфере и нижней ионосфере, связанным с грозовой активностью [29] - [32], формированию аэроэлектрических структур в приземном слое атмосферы [33, 34]. К этому же кругу вопросов непосредственно примыкают интенсивно обсуждаемые в настоящее время коллективные эффекты в пылевой плазме (dusty plasmas), включая формирование квазикристаллических структур заряженными аэрозольными частицами [35], а также волны и неустойчивости в пылевой плазме [38]. Вторая часть диссертации (главы 4-я — 6-я) посвящена разработке актуальных вопросов теории генерации квазистационарных электромагнитных полей в слабоионизованной плазме, а также проблемам диагностики таких полей применительно к условиям атмосферы. Данная работа объединяет, таким образом, проблемы излучения источников в плазме, генерации квазистационарных электрических полей в слабоионизованных средах (в том числе в пылевой плазме), и их активной и пассивной антенной диагностики.

Отмеченные выше обстоятельства позволяют сформулировать цели настоящей диссертационной работы:

1. Теоретическое исследование распределений поля и плазмы. формируемых сторонними источниками, и анализ эффективности излучения антенн в магнитоактивной плазме с учетом особенностей поля и импеданса, обусловленных возбуждением резонансов среды. '.

2. Совершенствование методов антенной диагностики (в том числе активных) квазистационарных полей в ионизованных средах.

3. Развитие электрогидродинамики (ЭГД) слабопроводяшей среды и ее применений к исследованию аэрозольной плазмы и атмосферного электричества.

4. Анализ коллективных электрогидродинамических явлений, т. е. волн, неустойчивостей и структур в многофазных дисперсных средах.

Научную новизну проделанной работы характеризуют следующие основные достижения: л.

1. С учетом неоднородности, пространственной дисперсии, непотенциальности и столкновений исследована структура поля и найдены резонансные потери дипольных источников, возбуждающих собственные колебания магнитоактивной плазмы, в различных диапазонах частот.

2. Изучены особенности стрикционного, ионизационного и теплового самовоздействия поля источника в замагниченной плазме в резонансных условиях.

3. Развиты теоретические основы описания электрического динамо (включая турбулентное динамо) в распределенных электрогидродинамических системах.

4. Предложены новые методы теоретического анализа коллективных процессов в аэрозольной плазме и на их основе исследовано явление коллективной зарядки аэрозольных частиц и формирование структур в слабоионизованном газе.

Многие из рассматриваемых в диссертации проблем имеют не только теоретическое, но и практическое значение. К таким проблемам, относятся: генерация мощного электромагнитного излучения антеннами в плазме: диагностика электрических полей в космической плазмеанализ проблемы электрического динамо (в интересах электроэнергетики): развитие теории грозового электричествадиагностика электрических полей в атмосфере (в интересах изучения окрулсаюшей среды) — разработка новых методов описания пылевой плазмы (в интересах развития плазменных технологий).

Диссертация состоит из шести глав, Введения и Заключения.

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, формулируется цель работы и кратко излагается ее содержание. г.

В главах 1−3 анализируются особенности поля и импеданса сторонних источников в плазме в условиях, при которых влияние плазмы приводит к качественным отличиям характеристик антенны от соответствующих вакуумных. Важнейший фактор, способствующий появлению особенностей структуры поля и импеданса антенны, — наличие собственных электростатических колебаний — резонансов плазмы, на возбуждение которых может расходоваться значительная часть энергии, подводимой к антенне [11, 12]. В магнитоактивной плазме диапазон частот, в котором могут возбуждаться собственные колебания плазмы (называемый обычно резонансным), достаточно широк: в холодном приближении он состоит из трех интервалов: т&х.{ире1Ы]1е} < л < ОицН-< со < тт^ре,^}- си < иы, где О-ин — верхнегибридная частота, Оьн ~ нижнегибридная частота, ире и и11е — плазменная частота и гирочастота электронов, си^ - гирочастота ионов. Если частота излучения источника (антенны) относится к резонансному диапазону, а характерный размер Ь мал по сравнению с длиной волны электромагнитной моды Л, источник эффективно возбуждает собственные колебания плазмы, распространяющиеся в виде медленных квазистатических волн. При этом резко возрастают действительная часть импеданса и поле источника на резонансной поверхности (в однородной плазме — на резонансном конусе) [12]. Заметим, что анализ излучения антенн в резонансных условиях представляет и теоретический, и большой практический интерес, так как во многих космических и лабораторных экспериментах резонансные условия оказываются неизбежными. Так, длина свистовых волн, как правило, велика по сравнению с реально достижимыми масштабами антенной системы, а частота излучения относится к резонансному (нижнегибридному) диапазону [3. 18].

1-я глава посвящена анализу поля и импеданса сторонних источников в однородной магнитоактивной плазме в линейном приближении. После первых работ, где было исследовано поле точечного источника в анизотропной среде [39] - [42]. особенности резонансной структуры поля наблюдались в лабораторном эксперименте [43] и анализировались в линейном приближении многими авторами (подробный список литературы приведен в книге [11]). Исследовались, в частности, вопросы влияния пространственной дисперсии на резонансную структуру поля в однородной магнитоактивной плазме [44, 45]. В связи с приложениями в области СВЧ нагрева изучались также поля источников в неоднородной магнитоактивной плазме [46] - [49]. Однако ряд вопросов линейной теории требовал дальнейшей разработки, в том числе: совместное влияние пространственной дисперсии, столкновений и непотенциальности на резонансную структуру поля электрических [60] и магнитных [96] источников, установление резонансной структуры поля [11], энергетические характеристики источников в разных диапазонах частот [11, 97]. Результаты соответствующих исследований представлены в 1-й главе.

В разделе Х.1 приводятся уравнения Максвелла в форме, удобной для анализа особенностей поля и импеданса источников электрического и магнитного типа, находящихся в магнитоактивной плазме, в квазистационарном приближении. В разделе 1.2 в достаточно общем виде аналитически исследовано влияние пространственной дисперсии, столкновительной диссипации и дифракционных эффектов (т.е. поправок, связанных с непотенциальностью) на резонансную структуру поля гармонического источника электрического типа. Относительная роль дисперсии, столкновений и непотенциальности характеризуется соотношением малых параметров в ([ = (Я/Ь)2. ве = (Ь/Х)1, в,$ = «е/и>, где Л — эффективный дебаевский радиусА — длина волны электромагнитной моды, ие — эффективная частота столкновений электронов. Условие слабости пространственной дисперсии предполагает выполнение неравенства й < I. а условие квазистатики — Ь Ас учетом последнего условия резонансная структура поля источника в магнитоактивной плазме может простираться на расстояние А2/Ь, много большее длины электромагнитной волны.

Как известно, источник магнитного типа (рамка с током) также эффективно возбуждет резонансные колебания магнитоактивной плазмы [62]. Резонансная^ структура поля источника магнитного типа анализируется в разделе 1.3. Оказывается возможным изучить совместное влияние дисперсии, столкновений и непотенциальности на структуру поля аналогично случаю электрического источника, введя распределение эффективного заряда для витка с током в магнитоактивной плазме [97].

Важнейшей особенностью излучения источников в резонансных условиях является резкое возрастание активной части его импеданса вследствие резонансных потерь. Методика и примеры расчета энергетических характеристики источников в однородной плазме представлены в разделе 1.4.

В разделе 1.5 исследуется влияние частотного спектра источника на резонансную структуру полярассмотрены вопросы установления поля при плавном включении гармонического источника и излучения амплитудно — модулированного источника. Показано, что при плавном включетш переходные процессы ярко выражены в области углов |#| < г]а'{и}) вблизи резонансной поверхности, где т?-1 — время включения, а (и) — угол раствора резонансного конуса. Фактически угол г) а' характеризует размывание резонансного конуса вследствие немонохроматичности поля источника и является дополнительным малым параметром, наряду с параметрами 9({, 9е и 9.?, определенными выше.

При наличии естественной или инициированной излучением антенны неоднородности окружающей плазмы возникают дополнительные особенности поля и потерь энергии источника, которые анализируются во 2-й главе. В отличие от других работ, посвященных данному вопросу (см., например, обзор [12] и главу 5 монографии [53]). основное внимание уделяется анализу резонансных потерь [97], а в части исследования структуры поля — обобщению метода укороченного уравнения на резонансные поля источников в неоднородной магнитоактивной плазме [11. 57]. Найдены резонансные потери дипольного источника в кусочно — однородной (2.1) и плавно — неоднородной замагниченной плазме (2.2). Установлено, что величина потерь и зависимость их от частоты определяются, главным образом, расстоянием между источником и резонансной областью, их масштабами, а также взаимной ориентацией дипольного момента, градиента неоднородности и внешнего магнитного поля. Исследованы особенности структуры ближнего поля дипольного источника, связанные с наличием наклонных (по отношению к магнитному полю) границ. Показано, что при отражении плоской электростатической волны от резкой границы длина волны изменяется, так как фиксирован угол 7г/2 — а между волновым вектором и магнитным полем. Если угол между границей и магнитным полем совпадает с су., длина отраженной волны Л = 0, и волна скользит вдоль границы. При этом энергия пучка квазистатических волн, падающего на границу. концентрируется в окрестности последней, и амплитуда поля здесь резко возрастает. Теоретические выводы проиллюстрированы результатами экспериментов по возбуждению квазистатических волн магнитной антенной в магнитоактивной плазме [56]. Предложено укороченное уравнение для описания резонансной структуры поля источника в плавно-неоднородной плазме (2.3), которое будет затем использовано в главе 3-й. Исследована структура поля витка с током, излучающего волны нижнегибридного диапазона частот в слабонеоднородной магнитоактивной плазме (2.4), где реализуется волноводное распространение свистовых волннайдены коэффициенты возбуждения свистовых мод Уп. Сравнение их с мощностью излучения квазистатических волн 1¥-е показывает, что виток достаточно малого радиуса, а <С с/шд1//>2, (где д = и2е/ии}]ге, -гирочастота электронов, ире — плазменная частота на оси симметрии), слабо излучает свистовые волны: ТЛ? п <С И7^ и вывод этот сохраняется при переходе к однородной среде [57].

Третья глава посвящена исследованию нелинейных эффектов при излучении сторонних источников в плазме. В разд. 3.1 дан обзор основных типов нелинейных эффектов, влияющих на структуру поля и импеданс источников в плазме. Раздел 3.2 посвящен теории низкочастотного зонда в изотропной плазме, где важную роль играют нелинейности вольт-амперной и вольт-кулонной характеристик зонда в плазме [101, 106]. Получены достаточно простые аналитические выражения для характеристик зонда, которые можно использовать при анализе экспериментальных данных. Наибольшее внимание уделено исследованию вольт-кулонной характеристики С^-У, нелинейность которой обусловлена сложным пространственным распределением заряда вокруг поглощающего зонда. Показано, что емкость поглощающего сферического зонда при небольшой разности потенциалов между зондом и плазмой равна С = 1.25а (а/Ад)2/3, что существенно отличается от широко используемой оценки С = а (а/ (где, а — радиус зонда, Ад — дебаевский радиус).

В последующих разделах 3-й главы изучаются самосогласованные квазистационарные распределения поля и плазмы, которые формируются в окрестности антенны в магнитном поле, и влияние нелинейных эффектов на энергетические характеристики антенн. Основное внимание уделено эффектам самовоздействия поля в резонансных условиях, когда возмущения параметров плазмы максимальны [95, 100]. С учетом внешнего магнитного поля последовательно рассмотрены стрикционные [79, 99], тепловые [55, 98] и ионизационные [11, 55] эффекты самовоздействия в ближней зоне электрической дипольной антенны. Ранее влияние нелокальной нелинейности на структуру поля источника в магнитоактивной плазме не рассматривалось, а вопросы стрикционного самовоздействия изучались для двумерных источников [66, 76, 77, 78] и источников специального вида [68, 80, 69]. В последнем случае также не учитывалось влияние столкновений на структуру поля.

Основой анализа самосогласованных распределений поля и плазмы в резонансных условиях служит полученное в разд. 3.3.1 укороченное уравнение для электрического поля вблизи резонансной поверхности, применимое К' двумерным и трехмерным источникам. Это уравнение позволяет учесть как эффекты спадания поля из-за распределения энергии по поверхности резонансного конуса, так и эффекты его возрастания в системах с фокусом типа заряженного кольца (последние использовались в ряде лабораторных и космических экспериментов [86, 91]). Анализ граничной задачи для полученного уравнения показывает, что в отсутствие пространственной дисперсии и столкновений нелинейность, «накапливаясь» при удалении от поверхности источника вдоль резонансного конуса, приводит к опрокидыванию поля и неоднозначным решениям (разд. 3.3.2). Это свидетельствует о возможности образования скачков концентрации и поля вблизи резонансной поверхности (ср. с [84]). В последующих разделах исследуется граничная задача для укороченного уравнения, описывающего структуру поля вблизи резонансной характеристики, с учетом столкновений (3.3.3) и пространственной дисперсии (3.3.4). На основе аналитических и численных расчетов показано, что при достаточно больших значениях параметра, характеризующего относительную роль нелинейных и дисперсионных эффектов, в области крутого фронта образуется уединенная волна, а амплитуда осцилляций, возникающих на фоне холодного поля, по сравнению с линейным случаем резко уменьшается.

В разделе 3.4.1 исследуются особенности ионизационного и теплового самовоздействия полей двумерных и трехмерных источников в магнитоактивной плазме. Система уравнений, описывающая самосогласованное распределение электрического поля, возмущений концентрашш и температуры вблизи резонансной поверхности. анализируется при различных соотношениях между размером источника и масштабами теплопроводности и диффузии. (.

В разделе 3.4.2 исследованы структуры высокочастотного разряда, поддерживаемого сторонним источником в газе, помещенном в сильное магнитное поле. Для случая сильно нелокальной нелинейности найдено аналитическое решение, описывающее самосогласованный режим работы источника и устанавливающее связь между его параметрами (масштаб, величина стороннего тока) и характеристиками разряда (максимальная концентрация электронов, энергия, отдаваемая источником в плазму). Рассчитаны зависимости максимальной концентрации в области разряда Лто от мощности источника Р для режимов, контролируемых прилипанием или рекомбинацией.

4-я глава посвящена разработке теоретических основ электрогидродинамики (ЭГД) однокомпонентной слабоионизованной среды и, в рамках ЭГД описания, обсуждению проблемы электрического динамо [19, 126, 127]. Термин «электрическое динамо», который характеризует процессы генерации квазистационарного электрического поля в движущейся слабопроводяшей среде, пока не является прочно «устоявшимся». Сравнительно с проблемой магнитного динамо, породившей огромное количество работ (см., например, монографии [123] - [125] и цитируемую там литературу), проблема электрического динамо исследована гораздо менее детально, а в общей электродинамической постановке даже не была сформулирована. В разд. 4.1 рассмотрены общие предпосылки для развития ЭГД теории и решения проблемы электрического динамо, а в разд. 4.2 формулируются основные уравнения однокомпонентной ЭГД. В уравнение движения и в выражение для плотности энергии среды в данном случае входят слагаемые, связанные с наличием потенциального электрического поля, тогда как индуцируемое движением среды магнитное поле Я мало по сравнению с электрическим: Я ~ уЕ/с <С Е. Однако в уравнении для плотности заряда присутствует слагаемое — стНого^/сг (где и — проводимость.? — диэлектрическая проницаемость среды), показывающее, что вихревое течение слабопроводяшей жидкости во внешнем магнитном поле, Но способствует формированию некомпенсированного электрического заряда. Условия применимости уравнений ЭГД аналогичны соответствующим условиям для МГДизучаются низкочастотные крупномасштабные процессы в проводящей среде, движущейся с нерелятивистской скоростьюно вместо магнитного в эти условия входит электрическое поле, которое здесь много больше магнитного (так, ограничение на величину электрического поля имеет вид еЕ2 ~ раъ2 <С рас21 где ра — плотность среды).

Анализ системы уравнений однокомпонентной ЭГД (разд. 4.3) показывает, что проблема электрического динамо чрезвычайно разнообразна. Наличие нескомпенсированного пространственного электрического заряда и обусловленного им потенциального электрического поля в среде приводит к появлению качественно новых эффектов: специфическим видам неустойчивостей в слабоионизованных средах (разд. 4.3.1). анизотропной дисперсии звука и вихревым волнам в униполярно заряженной среде (4.3.2) и т. д. Анализируются альтернативные попытки развития ЭГД диэлектрических сред (4.3.3). Обсуждается возможность эффективного взаимодействия потенциального и вихревого полей в медленно движущейся ионизованной среде (разд. 4.3.4).

В разделе 4.4 сформулирована проблема генерации среднего (крупномасштабного) электрического поля в слабопроводящей турбулентной среде (электрическое турбулентное динамо). В рамках одножидкостного ЭГД описания (4.4.1) установлен общий критерий роста поля и найден ЭГД-аналог известного в теории турбулентного магнитного динамо, а — эффекта (4.4.2). Рассмотрены модельные задачи о генерации турбулентного конвективного тока, генерируемого монохроматической волной и стационарной турбулентностью. Анализируется роль сжимаемости среды и спиральности турбулентности в реализации динамо.

В 5-й главе представлены результаты исследований квазистационарного электрического поля и тока в приземной атмосфере. Они объединяют работы по диагностике короткопериодических (/' ~ 10~3 — 1 Гц) пульсаций поля и тока (включая анализ спектральных характеристик) [196, 201], по разнесенному приему пульсаций электрического поля [197], по формированию пространственно-временных структур поля и заряда в условиях хорошей погоды [33. 190. 34, 199], по электродному эффекту [130] и турбулентному динамо в приземном слое [127].

Раздел 5.1 посвящен изучению короткопериодных флуктуации напряженности атмосферного электрического поля и плотности вертикального электрического тока, выполненному в период с 1986 по 1998 гг. Здесь приведены экспериментальные данные для спектральных характеристик короткоиериодных вариаций электрического поля и тока в приземном слое (5.1.1) и построена соответствующая теоретическая модель (5.1.2 — 5.1.3).

Интерес к короткопериодным пульсациям обусловлен, с одной стороны, изучением электрических свойств атмосферы как слабопроводяшей среды при различных метеорологических и геофизических условиях [131], а с другой — поиском взаимосвязи глобальных и локальных явлений атмосферного электричества [140]. Экспериментальные исследования короткопериодных пульсаций, выполненные к началу указанного периода, указывали на их связь с турбулентным перемешиванием заряженных частиц и дрейфом объемных зарядов в приземном слое [129]. Однако теоретические — модели не позволяли однозначно интерпретировать экспериментальные данные в смысле определения источников флуктуаций, их зависимости от метеорологических процессов и состояния глобальной электрической цепи. Кроме того, при интерпретации результатов не учитывались особенности диагностики электррхческих параметров (геометрия измерительных электродов, наличие частотной зависимости импеданса измерительной антенны). Все это диктовало необходимость детального теоретического исследования короткопериодных пульсаций электрических параметров атмосферы в приземном слое в тесной связи с экспериментом. Такое исследование, предпринятое автором во взаимодействии с лабораторией геоэлектромагнитного мониторинга ОИФЗ РАН (рук. С.В.Анисимов), не только способствовало решению ряда теоретических вопросов, но и позволило усовершенствовать методику эксперимента и получить принципиально новые экпериментальные данные в области электричества «хорошей погоды» .

В разд. 5.1.2 построена теоретическая хмодель, связывающая флуктуации поля и тока с гидродинамическими турбулентными пульсациями температуры и скорости газа в условиях хорошей погоды. В определенной области частот эта модель приводит к степенным функциям для спектров электрического поля и тока в инерционном интервале с показателями, близкими к экспериментальным. Оценки величин флуктуаций при умеренных значениях скорости ветра, электрического поля и плотности объемного заряда удовлетворительно согласуются с найденными экспериментально величинами (5.1.3). Полученные результаты указывают на необходимость учета соотношения размеров токоприемной площадки, а и внешнего масштаба турбулентности Ь при интерпретации электрических шумовых измерений. ^.

В разд. 5.2 приведены экспериментальные данные, свидетельствующие о существовании и эволюции пространственно — временных структур электрического поля и заряда (аэроэлектрических структур) в приземном слое атмосферы. Экспериментально установлены и теоретически исследованы закономерности формирования и эволюции аэроэлектрических структур в условиях хорошей погоды. В результате разнесенных измерений пульсаций электрического поля в приземном слое и структурно-временного анализа полученных данных (5.2.1) сделан вывод о существовании последовательности пространственных масштабов структур, определяемых природой и механизмами их генерации. На основе базовой модели, развитой в разд. 5.1.2, теоретически найдены структурные функции мелкомасштабных и мезомасштабных возмущений электрического поля и заряда, обусловленных турбулентным перемешиванием заряженных частиц и конвективными процессами в пограничном слое атмосферы.

В разд. 5.3 развиты нелинейные модели, позволяющие уже в пренебрежении наличием аэрозольных частиц получить нетривиальные аналитические решения, описывающие формирование динамических структур электрического поля и заряда в атмосфере. Эти модели указывают на важную роль в различии подвижностей положительных и отрицательных аэроионов, поскольку уже малая разность подвижностей (соответствующая обычным экспериментальным условиям) может определять скорость движущейся ступеньки заряда. При разумных упрощениях развитые модели приводят к модифицированному уравнению Бюргерса для нестационарных возмущений заряда конечной амплитуды, которое позволяет ввести наглядный безразмерный параметр электрокинетическое число Рейнольдса, характеризующее относительную роль нелинейности (обязанной наличию рекомбинации ионов и их дрейфу в самосогласованном электрическом поле) и эффективной диффузии электрического заряда в слабоионизованной среде: В, е = /0(47 — где — характерный масштаб изменения заряда, /о.

— его амплитуда (нормированная на заряд электрона), У^ - дрейфовая скорость аэроионов. Параметр Яе аналогичен числу Рейнольдса. характеризующему относительную роль нелинейных и диссипативных эффектов в гидродинамике вязкой жидкости.

В разд. 5.4 анализируется инициированный электродный эффект в приземном слое атмосферы, заключающийся в формировании нескомпенсированного пространственного электрического заряда вблизи поверхности Земли под действием искусственно регулируемого однородного электрического поля [130]. Разработана теория эффекта, позволяющая на основе анализа экспериментально измеряемых профилей плотности пространственного электрического заряда и известных метеорологических параметров атмосферы судить о подвижности аэроионов и величине коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое.

В разд. 5.5 предложена модель турбулентного электрического динамо, основанные на более сложном (по сравнению с гл.4) двухкомпонентном описании средыобсуждается роль неоднородности и механизмов трансформации кинетической энергии турбулентности в энергию электрического поля. Рассмотрены два механизма трансформации энергии: 1) посредством флуктуаций скорости на фоне среднего профиля проводимости- 2) посредством флуктуаций температуры, приводящих к возмущениям подвижности аэроионов и, как следствие, к возмущениям плотности пространственного заряда во внешнем электрическом поле.

Глава б посвящена исследованию коллективных эффектов в ионизованной среде, содержащей заряженные аэрозольные частицы. Изучение волн, неустойчивостей и структур в аэрозольной (пылевой) плазме является одним из наиболее быстро развивающихся направлений современной физики плазмы. С одной стороны, это направление затрагивает фундаментальные проблемы физики неидеальных кулоновских систем, а с другой — стимулируется задачами физики окружающей среды [33], астрофизики [165, 166], развитием плазменных технологий [216].

В разд. 6.1 — 6.3 исследуются коллективные явления, обусловленные обменом электрических зарядов при столкновениях аэрозольных частиц, образующих многопотоковую систему в слабоионизованном газе [149, 192. 194, 195]. Анализ коллективных явлений в аэрозольной плазме (в частности, диссипативной пучковой неустойчивости [164]) проводился ранее в предположении постоянства заряда частиц, участвующих во взаимодействии. Между тем взаимодействие частиц в подобных системах сопровождается обычно изменением их электрического заряда, Заряд аэрозольных частиц может меняться в широких пределах вследствие их столкновений друг с другом, взаимодействия с окружающей плазмо^, фотоэффекта (разд. 6.1.1). Такие явления широко распространены как в космических (межпланетный газ, атмосферы и магнитосферы планет), так и в лабораторных условиях [165, 175]. В атмосфере Земли соответствующие процессы наиболее важны для грозовых облаков, представляющих собой слабоионизированную неравновесную плазму, содержащую множество заряженных водяных капель и кристаллов льда [210]. Поскольку величина передаваемого заряда зависит от целого ряда параметров задачи, в том числе от напряженности внешнего электрического поля, электродинамика подобных систем приобретает специфический характер.

На основе Сформулированных в разделе 6.1 уравнений коллективной зарядки в последующих двух разделах исследована динамика поля и заряда в условиях заданного движения аэрозолей, сопровождаемого их индукционной зарядкой (6.2), и в общем случае (6.3). Показано, что дисперсионные свойства и устойчивость возникающих в такой системе электростатических -'мод электризации" существенно зависят от механизма обмена зарядом. Индукционная зарядка, связанная с поляризацией аэрозольных частиц в электрическом поле, приводит к росту достаточно широкого спектра крупномасштабных возмущений поля и заряда даже в отсутствие возмущений скорости и концентрации аэрозольных частиц, что принципиально отличает эту неустойчивость от диссипативной пучковой неустойчивости в слабоионизованной плазме. Во внешнем однородном электрическом поле достаточно высокой напрялсенности реализуется другой вид неустойчивости, обусловленный безындукционной зарядкой (6.3.2). Обнаруженные неустойчивости позволяют объяснить особенности стратификации электрического поля и объемного заряда, а также быстрый рост поля в активных областях грозовых облаков и мезомасштабных конвективных систем в атмосфере.

В разделе 6.4 рассмотрена проблема эволюции электрического поля и заряда в распределенной ЭГД системе, слулсашей простой моделью грозового облака [195]. Предложено диффузионное уравнение для электрического поля, которое при разумных предположениях о нелинейной зависимости тока диссипации от амплитуды поля (обусловленной коронированием аэрозольных частиц в сильных полях) имеет автоволновые решения, описывающие динамику пространственно разделенных областей электрического заряда в облаке.

В разделе 6.5 исследуется явление турбулентного электрического динамо в аэрозольной плазме [126, 127]. В данном случае турбулентное перемешивание частиц приводит к многопотоковости, и возможность обмена зарядом при столкновениях, чрезвычайно усложняя задачу, делает ее особенно разнообразной и интересной. Обнаружен эффект роста среднего поля, обусловленнный индукционной зарядкой аэрозольных частиц. Рассмотренная задача демонстрирует возможность реализации турбулентного динамо в условиях интенсивного перемешивания аэрозолей. Именно в таких условиях, как известно, формируются наиболее сильные поля в атмосфере.

В разделе — 6.6 предложена теоретическая модель, объясняющая формирование мезомасштабных структур поля в приземном слое на основе коллективного взаимодействия заряженных аэрозолей и легких аэроионов, с учетом зависимости кинетических коэффициентов взаимодействия от напряженности электрического поля [189, 191]. Для масштаба неустойчивости получена оценка Ь = 27г^(2а/ЗД/о)~1//2 (<т — проводимость воздуха, ?3 — коэффициент прилипания ионов к аэрозолям, До — концентрация аэрозолей), что дает Ь ~50 м при характерных значениях параметров приземного слоя.

Как выяснилось в последнее время, в определенных условиях в пылевой плазме, представляющей собой сильно — взаимодействующую кулоновскую систему, могут формироваться упорядоченные квазикристаллические структуры [35]-[37]. Методы теоретического описания сильно связанных кулоновских систем очень сложны и требуют, как правило, численного анализа [222, 223]. Общий критерий фазового перехода состоит в том, что отношение электростатической энергии взаимодействия между пылевыми частицами к их тепловой энергии Г превышает некоторое критическое значение Г,. Однако аналитических моделей, описывающих сценарий фазового перехода, до настоящего времени не существует. В разделе 6.7 рассмотрена модель формирования пространственной структуры в трехкомпонентной неидеальной пылевой плазме [193. 230]. Показано, что корреляционное взаимодействие пылевых частиц приводит в определенной области параметров к неустойчивости диффузионного типа, причем спектр волновых чисел неустойчивых возмущений ограничен. В дебаевском приближении найдены характерные масштабы формируемых диссипативных структур.

В Заключении приведены основные результаты диссертации.

Диссертация выполнена в Институте прикладной физики РАИ. Ее результаты докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: VIII Генеральной ассамблее IAGA (Уписала, 1997), X Международной конференции по атмосферному электричеству (Осака, 1996), трех Генеральных ассамблеях URSI (Прага, 1990; Киото, 1993; Лилль, 1996), V Международном Суздальском симпозиуме по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (1998), Генеральной ассамблее Европейского Геофизического общества (Пицца, 1998), Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости (Рим, 1994), Международных Волжских школах по физике космической плазмы (1993, 1995), Международной конференции по атмосферному электричеству (С.-Петербург, 1992), Международной конференции по физике плазмы (Пихль. Австрия, 1995), Всесоюзных конференциях по взаимодействию электромагнитных излучений с плазмой (Алма-Ата, 1982; Ташкент, 1985), XIV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Ленинград. 1984), VII школе-семинаре по ОНЧ излучениям (Якутск, 1985), Международных рабочих группах по атмосферному электричеству (Хельсинки. 1995: Уписала, 1996, 1997), на научных семинарах ИПФ РАН, ИКИ РАН, ИЗМИРАН, ИФЗ РАН, НИРФИ. Королевского технологического университета (Стокгольм), Уппсальского университета (Швеция), Парижской обсерватории, Орлеанского университета (Франция).

Основные результаты диссертации опубликованы в книге [1], 19 статьях в отечественных и зарубежных научных журналах, 3 препринтах ИПФ РАН и 22 трудах международных и всесоюзных конференций, симпозиумов и школ.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем.

1. Разработана теория генерации квазистационарных электромагнитных полей сторонних источников в магнитоактивной плазме в резонансных условиях:

— Найдены электрические поля гармонических сторонних источников электрического и магнитного типа, эффективно возбуждающих резонансные колебания магнитоактивной плазмы, в различных диапазонах частот. Показано, что структура и характерный масштаб резонансного распределения поля определяются, в линейном приближении, конкуренцией теплового движения, столкновительной диссипации и дифракционных эффектов, а при плавном включении гармонического источника также частотной завр1симостью угла раскрыва резонансного конуса.

— Установлено, что величина резонансных потерь энергии дипольных источников в кусочно — однородной и плавно — неоднородной замагниченной плазме, а также зависимость их от частоты, определяются расстоянием между источником и резонансной областью, их масштабами, взаимной ориентацией дипольного момента, градиента неоднородности и внешнего магнитного поля. При наличии наклонной границы резонансной области к магнитному полю имеет место особенность, связанная с существованием критического угла наклона, при котором длина отраженной волны обращается в ноль. Исследована структура поля витка с током, излучающего волны нижнегибридного диапазона частот в слабонеоднородной магнитоактивной плазме, и найдены коэффициенты возбуждения электростатических и свистовых волн.

— Предложено укороченное уравнение для описания резонансной структуры поля источника в магнитоактивной плазме, и на его основе исследованы особенности стрикционного, ионизационного и теплового самовоздействия поля. Показано, что локальная нелинейность поддерживает резонансный характер распределения поля, приводя к формированию резких градиентов поля и возмущений плазмы поперек резонансной поверхности. В случае сильно нелокальной нелинейности формируются широкие каналы с возмущенной концентрацией и температурой электронов, вдоль которых распространяются возбуждаемые источником пакеты плазменных волн. Получено аналитическое решение для самосогласованного распределения поля и плазмы, поддерживаемого мощным высокочастотным дипольным источником в газе, помещенном в сильное магнитное поле, и найдена зависимость резонансных потерь источника от величины его дипольного момента при сильно нелокальной нелинейности.

2. На основе точного решения уравнения для пространственного распределения заряда найдена вольт-кулонная характеристика поглощающего сферического зонда в разреженной изотропной плазме. Установлено, что емкость большого (по сравнению с дебаевским радиусом Ад) зонда при малой разности потенциалов между зондом и плазмой определяется достаточно простым выражением С — 1.25а (а/А^)2//3, существенно отличающимся от широко используемой оценки С = а (а/Ад). Показано, что благодаря экранированию поля финитными частицами емкость малого зонда при потенциалах, превышающих тепловой, возрастает вдвое. Исследована генерация гармоник тока, текущего на зонд вследствие нелинейности вольт-амперной характеристики, включая эффект детектирования фототока.

3. Сформулирована и изучена проблема генерации среднего крупномасштабного электрического поля в слабопроводящей среде (электрическое динамо):

— Проанализирована взаимосвязь и установлены пределы применимости электрогидродинамического (ЭГД) и магнитогидродинамического (МГД) однокомпонентного описания медленно движущихся ионизованных сред.

— В рамках одножидкостного ЭГД — описания установлен общий критерий роста поля и найден ЭГД — аналог известного в теории турбулентного магнитного динамо, а — эффекта.

— Предложены модели турбулентного электрического динамо, основанные на двухкомпонентном и многокомпонентном описании среды. Обнаружен эффект роста среднего поля в слабоионизованной аэрозольной плазме в результате индукционной зарядки аэрозольных частиц при столкновениях, вызываемых их турбулентным перемешиванием.

4. Разработана теория короткопериодных флуктуаций электрического поля и тока в атмосфере:

— Выявлена связь флуктуации поля и тока с гидродинамическими турбулентными пульсациями температуры и скорости газа в условиях хорошей погоды. Установлено, что в инерционном интервале показатели степенных функций в спектрах флуктуаций зависят от механизма трансформации энергии газодинамической турбулентности в электрическую энергию, причем в двухкомпонентной неоднородной среде существуют два механизма: 1) посредством флуктуаций скорости на фоне среднего профиля проводимости- 2) посредством флуктуаций температуры, приводящих к возмущениям подвижности аэроинов и, как следствие, к возмущениям плотности пространственного заряда во внешнем электрическом поле.

— Изучены закономерности формирования и эволюции пространственно — временных структур электрического поля и заряда в приземном слое атмосферы в условиях хорошей погоды, и развита нелинейная модель описания структур в ансамбле взаимодействующих аэроионов с учетом их рекомбинации и дрейфа. Обнаружены квазистационарные решения типа бегущей волны, адекватно описывающие экспериментальные результаты в случае разных подвижностей положительных и отрицательных ионов. Получено нелинейное динамическое уравнение для плотности пространственного заряда, решение которого зависит от эффективного «электрокинетического» числа Рейнольдса.

— Разработана теория инициированного электродного эффекта в приземном слое атмосферы, позволяющая на основе анализа экспериментально измеряемых профилей плотности пространственного электрического заряда и известных метеорологических параметров атмосферы находить подвижность аэроионов и коэффициент турбулентной диффузии в приземном слое.

5. Предложены новые методы теоретического описания коллективных процессов в аэрозольной плазме и на их основе:

— Изучено явление коллективной зарядки аэрозольных частиц, образующих многопотоковую систему в слабоионизованном газе. Показано, что индукционная зарядка при столкновениях приводит к росту широкого спектра возмущений поля и заряда даже в отсутствие возмущений скорости и концентрации аэрозольных частиц, что принципиально отличает эту неустойчивость от диссипативной пучковой неустойчивости в слабоионизованной плазме. Во внешнем однородном электрическом поле достаточно высокой напряженности реализуется другой вид неустойчивости, обусловленный безындукционной зарядкой. Обнарулсенные неустойчивости позволяют объяснить особенности стратификации электрического поля и объемного заряда, а также быстрый рост поля в активных областях грозовых облаков и мезомасштабных конвективных систем.

— Разработана теоретическая модель, объясняющая .ф°РмиРование и спектр мезомасштабных аэроэлектрических структур на основе коллективного взаимодействия заряженных аэрозолей и легких аэроионов, с учетом зависимости кинетических коэффициентов взаимодействия от амплитуды электрического поля.

— Предложена модель формирования диссипативных пространственных структур в трехкомпонентной неидеальной пылевой плазме, и в дебаевском щжближении найдены их характерные масштабы. Показано, что корреляционное взаимодействие пылевых частиц приводит в определенной области параметров к неустойчивости диффузионного типа, причем спектр волновых чисел неустойчивых возмущений ограничен.

Заключение

.