Нелинейные явления в ионосфере

Содержание

Содержание. 2

Введение. 3

1. Теоретический Обзор. 5

1.1. Нелинейные явления в ионосфере. 5

1.1.1. Нелинейные явления. 7

1.1.2. Эффект детектирования. 8

1.1.3. Явления в модифицированной ионосфере. 9

1.1.4. Физическая природа модификации ионосферы.. 10

1.1.5. Нелинейные явления в верхнегибридном резонансе. 12

1.1.6. Структуризация ионосферной плазмы.. 14

1.1.7. Аномальное и широкополосное поглощение. 17

1.1.8. Перенос модуляции. 18

1.2. Искусственное свечение ионосферы.. 18

2. Фотометрия. 23

2.1. Фотометрия протяженных объектов. 23

2.2. ПЗС-матрица. 24

2.2.1. Устройство и принцип действия ПЗС.. 25

2.2.2. Преимущества и недостатки ПЗС.. 27

3. Практическая часть. 31

3.1. Пошаговое описание методики. 31

3.2. Результаты.. 40

3.3. Численная оценка потока излучения. 43

Заключение. 47

Приложение 1. 48

Приложение 2. 53

Список литературы.. 54

 

Введение

       Ионосфера – естественная лаборатория для исследования физических явлений в плазме. В экспериментальных установках свойства плазмы во многом задаются процессами ее создания и взаимодействия со стенками камеры. В достаточной степени это относится к сильно разряженной плазме, подвижность и активное взаимодействие с электрическими и магнитными полями которой ведут к неустойчивости и турбулизации. Все это определяет исключительную  сложность экспериментального исследования плазмы и теоретического истолкования результатов наблюдений.

    Проведение физических экспериментов в свободной, созданной природой плазме, каковой является ионосфера, представляет особый научный интерес. Благодаря экспоненциально быстрому изменению концентрации нейтральных молекул с высотой в атмосфере и наличию магнитного поля Земли свойства свободной ионосферной плазмы необычайно разнообразны. Вследствие этого можно изучать линейные и нелинейные физические эффекты в плазме.

Активные эксперименты в ионосфере были начаты в нашей стране еще в 70 – 80-х годах прошлого столетия, а в последние годы исследования в этом направлении активизировались, поскольку интерес к ним и фундаментальной и прикладной науки стал возрастать, в том числе и за рубежом. На кафедре радиоэлектроники совместно с нижегородским НИРФИ проводятся исследования в этом направлении. В частности, выполняются эксперименты, связанные с оптическим излучением ионосферы под воздействием мощной радиоволны.  

         Целью данной работы является разработка методики и обработка экспериментальных данных, связанных с оптическими эффектами в ионосфере, модифицированной мощной радиоволной.

    Были поставлены следующие задачи:

1. ознакомиться с основами и особенностями активных экспериментов в ионосфере;

2. проанализировать существующие методы фотометрирования протяженных объектов и определить алгоритм обработки наиболее подходящий для нашего эксперимента;

3. изучить программный пакет обработки астрономических объектов «MaxIm» для использования в обработке данных эксперимента;

4. освоить  формат представления фотометрических данных принятый в астрономии и привести данные эксперимента к этому формату с целью дальнейшей обработки с помощью пакета «MaxIm»;

5. обработать данные экспериментов 2010 года и получить численную оценку стимулированного радиоволной потока излучения в красной линии кислорода (630 нм).

 

Теоретический Обзор

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 N_max достигается в верхнем слое F на высоте z 300км. В дневное время N_max 10⁶см^-3, в ночное время N_max 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.

 

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.