Анализ данных измерений искусственного оптического свечения ионосферы
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?да, его трудно наблюдать днем. Ночью же оно дает основной вклад в общее свечение неба, превышая суммарную светимость звезд. Искусственное оптическое свечение появляется, как уже указывалось, вследствие появления возбужденных частиц при столкновениях атомов, молекул или ионов с энергичными электронами, ускоренными плазменными волнами или нагретыми до соответствующих температур.
В основном атмосферные эмиссии обуславливаются наличием возбужденных частиц и их последующим переходом в основное состояние. Непосредственными причинами являются несколько процессов, в частности следующие:
В реакциях радиоактивной рекомбинации испускаются кванты излучения;
Продукты реакции часто находятся в возбужденном состоянии, а затем высвечиваются при переходе в основное состояние;
Возбужденные частицы могут быть образованы при столкновении с энергичными электронами, возникающими при ионизации и в электрических полях;
Возбуждение частиц может быть обусловлено действием солнечного излучения, дающего резонансные эмиссии.
Характеристики основных эмиссий, в порядке возрастания порогов возбуждения, приведены в Таблице 1. Зависимости соответствующих сечений возбуждения от энергии электронов, показаны на рисунке 1.
Таблица 1. Характеристики основных эмиссий.
АтомВозбужденное СостояниеПотенциал возбуждения в эВРадиационное время жизни в сек.Длина волны Перехода в нмО1D1.97110630.0O1S4.170.7557.7N2B3?g (1РN2)7.30~10-5670.4N2система 1PN2~7.5~10-5580 - 860N2система 2PN2~11~10-5353 - 460N2+B2?+u (1NN2+)~19~10-6427.8
Рис.1. Сечения возбуждения основных эмиссий искусственного свечения. По горизонтальной оси - энергия ударяющих электронов в эВ, по вертикальной оси - сечения в см2. 1 - O(1D), 2 - O(1S), 3 - B3?g (1РN2), 4 - система 2PN2, 5 - B2?+u (1NN2+).
Важная группа линий - это эмиссии атомарного кислорода. Схема переходов, представленная на рисунке 2, объясняет сильную зеленую линию 557.7 нм и дублет красной линии 630.0/636.4 нм (фактически триплет, но третья линия 639.1 нм очень слаба). Атомарный кислород в состоянии 1S переходит в основное состояние в два этапа; длительность первого этапа составляет 0.74 секунды, и длительность второго, когда излучается красная линия, - 101 секунда, линия 297.2 нм, получающаяся при прямом переходе в основное состояние, слишком слаба, чтобы представлять интерес. Если в первый момент атом находится в состоянии 1D, то излучаться может лишь красная линия.
В F-области ионосферы возбужденные атомы образуются в реакции диссоциативной рекомбинации. Выделяется энергия около 7 эВ и возбужденные атомы могут находится в состоянии 1S или 1D. Обнаружено, что интенсивность линии 630.0 нм тесно связана с измеряемыми в области F параметрами. Линии 557.7 нм и 630.0/636.4 нм - это основные линии, которые наблюдаются в экспериментах по воздействию мощным КВ радиоизлучением на ионосферу. Кроме того, в экспериментах на стендах HAARP и EISCAT уверенно зарегистрированы эмиссии в длинах волн 844.6 нм с порогом возбуждения 10.99 эВ, и 427.8 нм с порогом возбуждения 18 эВ.
Рис.2. Схема переходов при излучении атомарного кислорода.
. Эффекты воздействия
Вследствие воздействия мощной КВ радиоволны обыкновенной поляризации (волны накачки) на плазму F-слоя ионосферы в ней возникает плазменная турбулентность (искусственная ионосферная турбулентность). К искусственной ионосферной турбулентности относят собственные высокочастотные плазменные волны (ленгмюровские, верхнегибридные) с частотами f ~ f0, (f0 - частота волны накачки), а также различные низкочастотные возмущения: ионно-звуковые и нижнегибридные волны, вынужденные ионно-звуковые колебания, неоднородности концентрации плазмы различных масштабов (от нескольких см до десятков км), вытянутые вдоль геомагнитного поля [1,2].
Наиболее быстро после включения волны накачки в ионосфере развивается параметрическая неустойчивость, связанная со стрикционной нелинейностью. Она развивается вследствие выдавливания плазмы из областей с повышенной интенсивностью электрического поля E (усредненная высокочастотная сила, действующая на заряженную частицу ), значении электрического поля волны накачки Е0>Епс - некоторого порогового поля и приводит к возбуждению ленгмюровских волн и ионно-звуковых колебаний. В то же время в неоднородной среде - ионосфере существенным становится эффект разбухания поля волны накачки. При увеличении мощности волны накачки порог стрикционной параметрической неустойчивости достигается сначала вблизи точки отражения. Здесь возбуждается одномерная турбулентность: волновые векторы плазменных волн (ленгмюровских волн) и ионно-звуковых возмущений параллельны магнитному полю B. Амплитуда отраженного от ионосферы сигнала мощной волны через 1 - 5 мс после включения волны накачки уменьшается из-за стрикционного самовоздействия.
За время порядка 0.5-5 с после включения волны накачки в F-области ионосферы развивается тепловая параметрическая неустойчивость (ТПН) - параметрическая неустойчивость, обусловленная омическим нагревом плазмы в суммарном поле волны накачки и плазменных волн. ТПН приводит к возникновению плазменных волн локализованных вблизи уровня верхнего гибридного резонанса волны накачки (верхнегибридных волн) и мелкомасштабных (<?0 = c/f0) неоднородностей плотности плазмы сильно вытянутых вдоль геомагнитного поля с широким спектром поперечных геомагнитному полю масштабов от долей метра до десятков метров - верхнегибридной турбулентности. Тепловая нелинейность оказывается сильнее стрикцион?/p>