Ф() = Ло если 1>Ео,

ф (I) = /c/V, если 0,

то из (5. 74) получаем

N{1 t)=:

2 у/т

+ k \ (H-2xV)e-xX+ \ (t-{-2xsjD7t)ey.dx\ (5.74a)

2 VST 2\/ii

При наличии общего движения в плазме, приводящего, в частности, к тому, что скорости и Vf дрейфа электронов и ионов не равны, процесс ATV 0) усложняется, возникает так называемый дисперсионный механизм расплывания, форма неоднородности существенно зависит от скорости дрейфа [3641.

В процессе движения и рассасывания может происходить перераспределение избыточной электронной концентрации, так что в неоднородности появляются два максимума с различными законами убывания концентрации. Так, показано, что в нижней ионосфере центральный максимум, соответствующий первоначальному центру неоднородности, убывает как второй - вновь возникающий максимум,-убывает как причем векторы скоростей перемещения обоих максимумов отличаются. В направлениях, не совпадающих с этими векторами, избыточная электронная концентрация убывает как т. е. быстрее, чем в отсутствие общего движения. При этом неоднородность вытягивается в направлении, которое в общем случае не совпадает с и в конечном итоге может распасться на две неоднородности. Это xoponio видно из рис. 5.10, на котором приведены результаты расчета эволюции формы неоднородности при наличии движения нейтральных частиц со скоростью V. Верхняя часть рис. 5.10 соответствует времени t-j2D.IVl, а нижняя часть - времени t~\i относительно начального момента времени =0 (3.64).

Времена жизни неоднородности. Выше были рассмотрены некоторые особенности процесса расплывания неоднородностей малого размера. Естественно, что картина существенно усложняется при произвольных значениях §0 начального возмущения AJV(o, 0). В этом случае характер процесса зависит также от формы и размеров неоднородности. Для иллюстрации рассмотрим простой случай изотропной диффузии, когда неоднородность имеет сферическую форму, ее радиус равен и в начальный момент t-0 электронная концентрация постоянна во всей сфере и равна A;iVo, где /с 1, а iV - электронная концентрация окружающей среды. Необходимо рассчитать, как рассасывается эта сфера вследствие диффузии в окружающую среду, так как другие процессы (например, рекомбинация) здесь протекают медленнее.

Уравнение диффузии (5. 65) в сферически симметричном случае имеет вид

7V (, о = [ (Ф + Ч V)} ft + 2х т) (5. 74)

где - расстояние от центра шара, а функция Ф() описывает начальное распределение ионизации iV(o) 0). Так как мы приняли, что при i=0

jlOOM- ив 64 80 9в пг 1Z8 Ш160

£.-5UUm иоо 600 800 ~W0O

ц в IP. 10 го гч Z8 3Z зо но

1 1-1-:-i-1-1-1-1

1600 гчоо 3Z00 иооо

i--5000M-

U-W 6-ю 8 10 Время , сек

4=50м

i=500M-

iflOOOM-

i~Z00OM-

iSOOOM-

15W Z.5W 3.5W

j

0,56

J L

J [

56,0

I -,1 ,

18-10

0.72

18,0

1Z,D

150 250 350 Время , сек

Рис. 5.11. Зависимость (?o, f)/7\rот времени В центре шара радиуса Eq, когда в момент =0 значение JV (?о, 0)=2iV

Кривые рассчитаны для области F (г 250 кж) и ?в=50, 100 20П, 500, 1С00, 2000 и 5000 лг

Рис. 5.12. Зависимость N (Eqi *) W от времени в центре шара радиуса со, когда в момент /=0 .значение N Щ2N

Кривые рассчитаны для области Е (гИО кж)

Для интересующих нас оценок достаточно рассмотреть лишь, как изменяется электронная концентрация в центре шара (в точке 1=0), т. е. воспользоваться формулой

= 1 + -1) М)-; е.р ( . ,5.77)

получаемой из (5. 76) при =0.

С помощью (5. 77) рассчитаны кривые изменения ионной концентрации шарообразной неоднородности для разных значений р, высот zя 250 и \ км и /с=2 (рис. 5.11 и 5.12).

При амбиполярной диффузии при

(5. 78)

(5. 79)

откуда видно, что время жизни малой неоднородности возрастает при {Qh.jimis. (OjJvJi. Если плазма движется, то время жизни т неоднородности, как показано в [364], при некоторых условиях уменьшается.

Легко заметить, что время t неоднородностей с линейными размерами в несколько сот метров всюду в ионосфере составляет от малой доли секунды до нескольких десятков секунд.

6. Степень мутности ионосферы и флуктуации электронной плотности

Свойства отраженных от ионосферы радиоволя, как мы видели, позволяют сделать заключение, что наряду с зеркально отраяченной компонентой Eq cos в точке наблюдения принимается спектр рассеянных волн

2,cos{(a), + Q)i-cpJ. (5.80)

Таким образом, ионосферу можно охарактеризовать как полупрозрачную мутную среду со степенью мутности

в теории колебаний эта величина называется отношением сигнала к шуму. Вместо величины р, которая изменяется от О до оо, удобнее ввести кооф-фициент мутности а, определяя его как отношение энергии пучка рассеянных волн к суммарной энергии отраженной волны, т. е.

2£

а

(5. 82)

Являясь мерой неоднородности отражающей области, ос изменяется от единицы до пуля.

По величине В, способ определения которой был описан выше [см. (5. 26), (5. 27) и рис. 5.5], можно найти и другую весьма важную физическую характеристику неоднородпости ионосферы - флуктуацию электронной плотности (bN). Последняя по самому своему смыслу есть среднее квадратичное отношение отклонения электронной плотности рассеивающей неоднородности (AiV) к среднему значению электронной плотности N:

#7. (5-83)

Использование этих кривых позволяет оценивать времена жизпи неоднородностей, когда диффузия описывается формулой (5. 77).

Время жизни 1 неоднородности можпо определять как время, в течение которого избыточная электронная концентрация A-/V(?o, 0) убывает в центре неоднородности, например, в 10 раз. Тогда для неоднородностей малых размеров, используя формулы (5. 71)-(5. 72), для изотропного случая получаем