Турбулентность вечерней низкоширотной ионосферной плазмы

УДК 521(06) Астрофизика и космофизика
Г.Л. ГДАЛЕВИЧ1, В.Д. ОЗЕРОВ1, Н. БАНКОВ2,
С. ЧАПКАНОВ2, Л. ТОДОРИЕВА2
2
1 Институт космических исследований РАН, Москва,
Институт космических исследований БАН, София, Болгария
ТУРБУЛЕНТНОСТЬ ВЕЧЕРНЕЙ НИЗКОШИРОТНОЙ
ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ НА ВЫСОТЕ 900 км
ПО ДАННЫМ ИСЗ «ИНТЕРКОСМОС – БОЛГАРИЯ-1300»
В послезакатной низкоширотной внешней ионосфере зарегистрированы резкие
и пространственно протяжённые изменения плотности плазмы, на которые наложены более мелкие и менее глубокие неоднородности. Электронная температура
ионосферной плазмы низких широт испытывает слабые флуктуации вокруг медленно возрастающего уровня. Вероятная причина этих вечерних низкоширотных
ионосферных возмущений – турбулентность плазменной среды, вызванная взаимодействием между собой неоднородных и нестационарных термодиффузионных
потоков газов и плазмы, как поднимающихся из нижних, нагретых за день ионосферных слоёв, так и спускающихся вниз из более холодных, расположенных выше, областей внешней ионосферы [1].
ИСЗ ИКБ-1300 был запущен 7 августа 1981 г. на круговую орбиту с
высотой 900 км и наклонением 82о. Рассмотрим часть сеанса измерений,
выполненных 18.09.1981 в вечернее послезакатное местное время LT ~
21.5 - 21.9 на широтах от +16о.2 до –26о.4. На рис. 1 представлены полученные при помощи трёхэлектродной “плавающей” ионной ловушки и
цилиндрического зонда Ленгмюра значения плотности ионов и электронов
в виде пары почти слившихся кривых, как свидетельство довольно строгой квазинейтральности плазмы, а также величины электронной температуры, слабо флуктуирующие вокруг медленно возрастающих значений ~
2000 К. Слева, на низких широтах северного полушария, видны резкие
провалы и подъёмы концентрации плазмы с размахом от ~10 3 до ~105 см–3
и горизонтальной протяжённостью порядка 500 – 1500 км, которые содержат, в свою очередь, более мелкие неоднородности (на правом краю
рис.1 показаны также глубокие вариации электронной температуры ионосферной плазмы высоких широт южного полушария). Геофизическая обстановка: Кр = 6–, Dst = - 5 нТ → -37 нТ – фаза нарастания малой
магнитной бури.
Возможная причина образования наблюдавшихся ионосферных возмущённостей – неоднородная структура плазмы, образовавшаяся в результате взаимодействия встречных термодиффузионных потоков газов и
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 7
51
УДК 521(06) Астрофизика и космофизика
плазмы, как поднимающихся из нижних, нагретых за день ионосферных
слоёв, так и спускающихся из более высоких, охлаждённых областей. В
результате возникали вариации скорости и концентрации частиц этих потоков. Кроме движений плазмы гидродинамического типа,
UT
LT
LAT
LONG
2148
21.5
16.2
355.0
2152
21.6
1.9
356.2
2156
21.8
- 12.3
357.4
2200
21.9
- 26.4
358.8
2204
22.1
- 40.4
1.0
Рис. 1
на структуру плотности плазмы могла повлиять и примесная градиентнодрейфовая плазменная неустойчивость. Это неустойчивость на градиенте
средней массы ионов [2], обусловленная возникающей нестабильностью
композиционного равновесия плазмы внешней ионосферы из-за неоднородности массового состава термодиффузионных потоков и присутствия в
них компонентов с взаимно противоположно направленными, близкими
по величине градиентами концентраций лёгких и тяжёлых ионов [3].
Ранее пример случая возбуждения примесной неустойчивости, обнаруженного по наблюдениям мелкомасштабных колебаний плотности потока плазмы и выявлению обширной области обеднённой концентрации
плазмы на высотах ~ 800 – 1000 км, был описан в статье о результатах
эксперимента АСИН (Анализ Спектров Ионосферных Неоднородностей)
на ракете ВЕРТИКАЛЬ-10 также в послезакатное время [4] с подробным
анализом этого события в работе [3], где приведены свидетельства того,
525-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 7
ISBN
УДК 521(06) Астрофизика и космофизика
что причиной вспышки этих колебаний явилась примесная неустойчивость, приведшая к аномальному переносу [5], в качестве источника которой была выдвинута неустойчивость композиционного равновесия плазмы
внешней ионосферы под влиянием термодиффузионных потоков.
Слабые флуктуации электронной температуры в экваториальной области и их отсутствие в среднеширотной внешней ионосфере, возможно,
указывают на весьма умеренное тепловыделение в процессах, приведших
к образованию низкоширотной неоднородной структуры (в отличие от
процессов в высокоширотной области – см. температурную кривую на
рис.1 справа).
Заключение
Неоднородности концентрации плазмы в вечерней послезакатной
ионосфере средних широт на высоте 900 км, вероятно, имели источником
своего происхождения термодиффузионные потоки плазмы, поднимавшиеся из нагретых за день нижних слоёв ионосферы, и затем, остыв на высотах более 900 – 1000 км, устремлявшиеся вниз, навстречу поднимающимся потокам. Это порождало неоднородность плотности потоков, турбулентность и при этом вызывало более или менее сильное замедление восходящего потока посредством его охлаждения и, следовательно, понижения его градиента температуры, который необходим для поддержания потока. Изменения скорости потока приводили к соответствующим противофазным вариациям концентрации частиц в этом потоке. На фоне пониженного уровня концентрации стационарной плазмы вечерней внешней
ионосферы эти вариации концентрации частиц термодиффузионных потоков могли породить как мелкомасштабные, так и значительно протяжённые неоднородности ионосферной плазмы. В том же процессе могли принять участие и области обеднения плазмы тяжёлыми ионами в результате
аномального переноса, вызванного развитием примесной плазменной неустойчивости.
1.
2.
3.
4.
5.
Список литературы
Гдалевич Г.Л., Озеров В.Д. // Научная сессия МИФИ-2005. Сб. трудов. 2005. (наст.
выпуск).
Coppy B., Furth H.P., Rosenbluth M.N., Sagdeev R.Z. // Phys. Rev. Lett. 1966. V.17.
P.377.
Озеров В.Д. // Космич. исслед. 2002. Т.40. С.134.
Gdalevich G.L., Gubsky V.F., Natorf L., Ozerov V.D., Wernik A.W. // J. Atmosph. Terr.
Phys. 1984. V.46. P.953.
Хортон Н. Дрейфовая турбулентность и аномальный перенос / Основы физики
плазмы. Т.2. Энергоатомиздат, Москва 1984, с.362.
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 7
53