2. 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>Е_пс - 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 (<л₀ = 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 стрикционной, когда , , , где характерные продольные и поперечные B масштабы низкочастотных возмущений, длина свободного пробега и гирорадиус тепловых электронов, ф - характерное время их развития. В процессе ТПН биения волны накачки и плазменных волн создают неоднородный источник нагрева электронов. Плазменных волны возникающие в результате рассеяния волны накачки на мелкомасштабных неоднородностях должны быть почти ортогональны B. Развитие ТПН приводит к аномальному ослаблению волны накачки.

Процессы, протекающие в ионосфере под воздействием мощной КВ радиоволны показаны на рисунке 3 [10].

Рис.3. Искусственная ионосферная турбулентность под действием мощной КВ радиоволны.

Первые теоретические модели процессов возникновения надтепловых частиц при воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением основывались на одномерной квазилинейной теории ускорения электронов плазменными волнами, возбуждающимися в процессе развития стрикционной параметрической неустойчивости вблизи точки отражения мощной волны. Условием эффективного ускорения, как известно, является условие Черенкова: щ=kv, где щ - частота плазменной волны, k - ее волновой вектор, а v - скорость электрона. Поэтому эффективно взаимодействуют с плазменной турбулентностью электроны с энергиями (V₀= щ/k_p - фазовая скорость плазменных волн).

Для повышения эффективности ускорения необходимо увеличение времени жизни электронов в области локализации плазменной турбулентности, что может быть достигнуто за счет многократного пересечения электроном этой области, вследствие упругих соударений с тяжелыми частицами. Величина времени жизни возрастает также вследствие эффекта турбулентного удержания электронов в области ускорения, обусловленного их рассеянием на плазменных волнах при не одномерном распределении последних в пространстве волновых векторов. Такая не одномерность возникает при достаточно высоком уровне турбулентности из-за нелинейной перекачки плазменных волн по спектру. Увеличение уровня турбулентности приводит к увеличению эффективности ускорения и к улучшению условий удержания быстрых электронов в области ускорения.

ВЧ плазменные волны ускоряют электроны до энергий 5-30 эВ. Эти энергии превышают энергии возбуждения уровней ¹S и ¹D атомарного кислорода (что показано на рисунке 2), следовательно, в результате столкновений ускоренных электронов с нейтральными частицами, они могут возбуждать искусственное оптическое свечение в экспериментах по воздействию на ионосферу.

Необходимыми для успешной регистрации искусственного оптического свечения являются следующие условия: 1) отсутствие облаков; 2) отсутствие Луны, измерения должны проводиться в периоды, близкие к новолунию; 3) критические частоты ионосферы (F-области) должны превышать минимальную рабочую частоту волны накачки, для стенда «Сура» fmin=4.3 МГц.