1000-

IZ to

Доплата

Широта

Дол е. О та

Рис. 2.7 Захват радиоволи в неоднородные образования

вертикальные отражения от ионосферы. Однако ветви 2 на этом рисунке автор работы [253] считает результатом отражения от основания неоднородного образования захваченных в него радиоволн. По мере удаления от основания этой неоднородности увеличивается постепенно время запаздывания отраженных сигналов.

Естественно, что критические частоты характеристик внешней ионосферы, отмеченные на рис. 2.1-2.4, непосредственно определяют электронную концентрацию NjF2 главного максимума ионосферы 1см. (1. 10)1 и магнитное поле Н на высоте [см. (1. 17)].

Начало характеристик определяет соответствующие значения и Н на высоте орбиты спутника z по тем же формулам (1. 16), (1, 17).

При наличии трех ветвей - (о), (х) и (г) получаемые значения и Я контролируются с помощью формулы (1. 14 б) для ветви (z). В этом случае с помощью формулы (2. 3) можно также определить угол 6 между магнитным полем Земли и вертикалью. Обращение высотно-частотных характеристик (методы описаны в гл. 3) позволяет получать высотное распределение электронной концентрации N (z) между высотой z и высотой орбиты спутника, а также высоту главного максимума z.

Информацию о параметрах ионосферы, контролирующую, в частности, данные, получаемые из высотно-частотных характеристик, дают также резонансные частоты - выступы S. Эти данные служат также основой для более глубокого изучения физических процессов, происходящих в ионосферной плазме.

2. Общее выражение коэффициента преломления

( о > Йя, Qo)

В этом разделе экспериментальные данные соответствуют частотам о), значительно большим гиро- и плазменной частот ионов Qn и Q, поэтому пас интересуют в основном только высокочастотные свойства ионосферы, опре-

* ~ So

где o)=47riVe/w; QlnNe/M - соответственно квадраты плазменных (ленгмюровских) частот электронов и ионов/

Пространственная дисперсия / обусловлена тем, что поведение зарядов в данной точке зависит не только от поля в этой точке, но и от поля в ее окрёст-HocTj;, Движение зарядов и их колебания пространственно особенно сильно взаимосвязаны на некоторых характерных расстояниях между ними. В плазме такими характерными расстояниями являются, например, длина свободного пробега электронов

или лармороеы радиусы прецессии электронов и ионов

Ря, = -. Р . = -. (2-5)

где - sJ2v.Tlm - средняя тепловая скорость электрона; = \J2y.TjM - тепловая скорость ионов; QE = eHfMc - гирочастота ионов.

Однако наиболее часто таким характерным расстоянием является так называемый дебаевский радиус

т. е. расстояние, на котором данный заряд экранируется окружающими зарядами. Величину D иногда называют дебаееской длиной волны (расстояние, которое пробегают колебания частотой Ш(, со скоростью, равной v. Энергетический смысл дебаевской экранировки состоит в том, что

Т>~, (2.7)

где r-H\jN - среднее расстояние между электронами. Условие (2. 7) показывает, что испо.чьзуемое рассмотрение основано па том, что средняя кинетическая энергия зарянешшх частиц v.T превышает энергию кулонов-ского взаимодействия между ними; оно вытекает из требования 4/3 DN 1.

деляемые главным образом поведением электронов. Однако в ряде случаев при рассмотрении ВЧ колебаний плазмы полностью игнорировать влияние ионов нельзя. Кроме того, при более общем подходе к вопросу о колебаниях и волнах в плазме картина становится яснее. Поэтому здесь рассматривается выражение коэффициента преломления плазмы, в котором также учтено движение тяжелых заряженных частиц.

Общий подход к вычислению комплексного коэффициента преломления (и-ix) плазмы, без которого невозможно понять ее резонансные свойства, основывается на необходимости учета не только частотной дисперсии (зави- симости коэффициентов преломления и поглощения от частоты),но й про-страйственной дисперсии, т. е. зависимости диэлектрической проницаемости: плазмы от волнового вектора h. Физически это связано с тем, что в электро- магнитных процессах играет роль не только инерционность плазмы во времени, но и в пространстве. Частотная дисперсия! как известно, обусдовлена тем, что поведение каждого заряда в плазме определяется не только значением действующего на него поля в данный момент, но зависит также от протекания всех процессов во времени, от их характерных времен. В плазме такими характерными временами могут быть, например,

2tz 2-75;

г. = - или X.

к=(у или д~й=(7.

где с - скорость света в вакууме. Именно это характерно для подавляющего числа случаев, рассматриваемых в этой книге. Однако без пространственной дисперсии вообще невозможно объяснить такие эффекты, как существование в плазме продольных плазменных воля, резонансное затухание колебаний; нельзя объяснить так называемое циклотронное, и-яи черепковское, затухание колебаний, не зависящее от соударений между частицами (затухание Ландау), и т. п.

Итак, тепловое движение частиц приводит к качественно новым эффектам, роль которых в ионосфере коротко описана в дальнейшем, главным образом, с целью анализа экспериментальных данных и методов определения на их основе свойств и параметров плазмы.

Коэффициент преломления и резонансы холодной плазмы. Через компоненты тензора диэлектрической проницаемости коэффициент преломления в более общем виде определяется из дисперсионного уравнения

Ап~Вп-\-С=.0, (2.9)

A = s sin 2 6 -f - 83 cos 0;

Б = -s.e (1 4- cos2 0) (sf - e) sin 0; (2. 10)

С==вз(4-в),

Характерные расстояния (2. 4)-(2. 6), от которых зависит пространственная дисперсия, как мы видим, определяются тепловым движением частиц, т. е. их температурой Т. Таким образом, для полного рассмотрения электромагнитных свойств плазмы необходимо использование кинетических уравнений, связывающих электромагнитные процессы с функциями распределения частиц / (v, v*, t), в общем случае зависящих от скорости координаты частицы г и времени L Равновесная ?ке максвелловская функция распределения, например, для электронов, как известно, равна

/о () = {) е~ -- Nu~;/.e-yl (2. 8)

Совместное (самосогласованное) решение кинетических уравнений с уравнениями Максвелла позволяет вычислить компоненты тензора ejj. диэлектрической проницаемости плазмы, зависящие как от частоты, так йот волнового числа: s., = s (to, А;).

С помощью ( j, к) затем определяют комплексный коэффициент преломления [245-248].

Получаемое по такой схеме решение электромагнитной задачи называют решением для горячей плазмы. Если не учтено тепловое движение частиц, то определяются свойства так называемой холодной плазмы [в (2. 5)- (2. 8) Г 0].

В частности, все формулы (1. 6)-(1. 14) получены с помощью уравнения (1.4) - уравнения микрополя - и пригодны только для холодной плазмы.

Сказанное вовсе не следует понимать как утверждение, что формулы для холодной плазмы мало пригодны. На самом деле учет теплового движения часто определяет особенно в ионосфере, лишь некоторые ноправки Д к рассчитываемым величинам. Обычно эти поправки очень малы: