Структуризация ионосферной плазмы

 Эффект магнитного зенита

    Эффект магнитного зенита (MZ) заключатся в следующем. В линейном приближении обыкновенная радиоволна, направленная вертикально вверх, в области отражения должна отклоняться в северном полушарии к северу. Неожиданным оказалось то, что в экспериментах по модификации ионосферы пучок мощных обыкновенных радиоволн, направленный вертикально вверх, отклоняется к югу. В соответствии с представленными выше результатами вследствие нелинейной самофокусировки мощная волна может захватываться каналом и распространяться вдоль магнитного поля. Более того, самое сильное возмущение возникает именно в направлении линии магнитного поля, проходящей непосредственно через станцию. Это и есть эффект магнитного зенита (рис.2). В направлении MZ возникает канал, в котором распространяется мощная волна и сильно повышается электронная температура: от 1000К в окружающей плазме до 3000К в канале.

Рис.2. Эффект магнитного зенита (модель). Мощная станция посылает пучок радиоволн, направленный вертикально вверх. Однако наиболее сильный нагрев электронов, свечение и возмущение ионосферной плазмы наблюдаются не в вертикальном направлении, а в направлении магнитного зенита. Возмущение при этом поднимается до 400 выше 600км, т.е. значительно выше максимума F-слоя. Магнитный зенит – направление вектора магнитного поля в месте расположения станции на Земле. Отклонение MZ от вертикали θ_z определено магнитным склонением оси магнитного диполя к оси вращения Земли и географической широты места.

    Данные рассуждения справедливы для низких частот (f  4МГц), при высоких частотах (f  5МГц), картина усложняется. Поскольку при низких частотах область ВГ-резонанса находится существенно ниже точки отражения радиоволны при ее вертикальном падении на ионосферу. Поэтому даже при значительных углах наклона магнитного поля к вертикали радиоволны, направленные в МZ, достигают области ВГ-резонанса (рис.3(а)). При высоких частотах картина меняется. Область ВГ-резонанса в этом случае близка к точке отражения при вертикальном падении волны на ионосферу. Следовательно, даже при не очень больших углах наклона МZ к вертикали () радиоволна, направленная в MZ, распространяется наклонно и отражается ниже области ВГ-резонанса (рис.3(б)).

Рис.3. MZ – эффект в низкочастотном и высокочастотном пределе. Штрихованная прямая – направление магнитного поля (направление MZ), сплошные кривые – граничные лучи пучка возмущающей радиоволны, направленного в МZ. Высота z_UH соответствует области ВГ-резонанса, z_L – области ленгмюровского резонанса.

(а) Радиоволны низкой частоты. Видно, что пучок радиоволн, направленный в МZ, свободно достигает области ВГ-резонанса, где вследствие резонансной неустойчивости развивается ВГ-турбулентность, приводящая, в конечном счете, к сильному разогреву плазмы и формированию канала, в который захватывается волна накачки. В результате возмущающая волна достигает области не только верхнегибридного, но и ленгмюровского резонанса, где происходит эффективное ускорение электронов. Область канала показана штриховкой.

 (б) Радиоволна высокой частоты. Область резонансов (между z_UH и z_L) в этом случае узкая. Радиоволна, направленная в MZ, отражается ниже электронов плазмы в окрестности точки отражения, плазма постепенно “продавливается” (область прогрева показана пунктирной линией). В результате волна достигает области ВГ-резонанса. Далее процесс возникновения MZ-эффекта идет так же, как и для низкочастотной волны. Отличие в запаздывании проявления эффекта на 20–30с. Это время прогрева электронов с постепенным выдавливанием плазмы.

           В этом случае эффект достигается за счет омического нагрева электронов ионосферы в окрестности точки отражения радиоволны. Вследствие прогрева электронов в области отражения плазма “продавливается ” и волна, продвигаясь выше, достигает области ВГ-резонанса. Затем процесс развивается так же, как и в низкочастотном случае. Наличие предварительного прогрева фиксируется в эксперименте как запаздывание возникновения MZ-свечения в высокочастотном пределе (так как предварительный прогрев требует значительного времени: 20–30с). Поэтому можно сказать, что MZ-эффект в высокочастотном случае в известном смысле аналогичен пробиванию “дыры” в ионосфере в результате омического нагрева плазмы. Однако общая физическая природа MZ-эффекта, связанная с резонансными процессами, значительно сложнее.