книги из ГПНТБ / Альперт, Я. Л. Волны и искусственные тела в приземной плазме

же в межпланетной среде на космической ракете «Мари- нер-4». Плотность энергии этих волн изменялась в зави­ симости от частоты как (о~,/г (Siscose, Davies, Coleman, Smith, Jones [186]).

§ 15. Результаты исследований СНЧ волн

В диапазоне частот QH (Н +) ^ w со*,, как изве­ стно (см. рис. 1 и 3), холодная плазма не имеет резонанс­ ных ветвей, а в неизотермической плазме возможно воз­ буждение только ионно-звуковых волн. Другая важная особенность этого диапазона частот состоит в том, что здесь наиболее сильно проявляется влияние различного сорта ионов на возбуждение и распространение электронной волны (свистового мода). Это приводит к появлению ряда интересных эффектов, которые стало возможным экспе­ риментально обнаружить и исследовать лишь в последние годы в опытах, проводимых непосредственно в приземной плазме на ИСЗ и ракетах. По указанным причинам экс­ периментальные данные, относящиеся к этому разделу, приводимые в литературе, наиболее разнообразны по свое­ му характеру и физической сути. Естественно, что мы име­ ем возможность рассмотреть здесь эту информацию лишь очень коротко, в известной мере схематично.

1.Излучение на кратных гирочастотах протонов.

Спектры излучения, обрезаемые на гирочастоте протонов. В некоторых опытах наблюдались полосы возбуждения волн, кратных гирорезонансным частотам протонов, опи­

ние Ландау. Гирорезонансные протонные волны до вось­ мой кратности, по-видимому, зарегистрированы впервые на ракете «Джавелин» (рис. 63; Mosier, Gurnett [109] и Gurnett, Mosier [110]). Кратное гирорезонансное возбужде­ ние протонов также наблюдалось на ИСЗ «Инжун-5» [108].

В опытах на ИСЗ «OGO-2» в интервале высот его орби­ ты zs — 415 ~ 1507 км зарегистрированы СНЧ волны, которые имеют максимальную амплитуду (возбуждаются, обрезаются) на гирочастоте протонов Q #(H +). Диапазон частот этих волн изменялся в различных сеансах наблю­ дений от 300 -г- 700 гц до 18 кгц примерно в тех пределах,

энергии волны Е2/Ьл гг; 7•10~а эрг/см3-, она соизмерима с NkT в рассматриваемой области ионосферы. Максималь­ но ожидаемая интенсивность ионно-звуковых волн тео­ ретически может быть порядка V2 NxTe (Rostoker [113]; Scarf, Crook, Fredericks [114]). Поэтому кажется правдо­ подобной интерпретация результатов этих опытов, кото­ рая дана выше. Однако полученное максимальное значение напряженности поля Е все нее кажется завышенным, так как регистрируемое излучение занимает широкую поло­ су частот и интегральная плотность их энергии будет боль­ ше, чем 7 -10~8 эрг1см3. Естественно, что поскольку одно­ временно в этих опытах не определялись концентрация N и температура Те плазмы, трудно окончательно судить, насколько результаты измерений расходятся с теорети­ ческими оценками.

этих опытах на одной из орбит, приведены на рис. 64. Авторы следующим образом суммируют результаты опы­

мкв/м; часто на ночной стороне Земли наблюдались вспыш­ ки поля Е гг; (20 -н 100) мв/м продолжительностью в 3— 10 минут, случалось, что Е ~ 1 в/м. Поскольку нижняя граница использованного в [114] диапазона частот со или ^ »Q h (H+), то не могло наблюдаться циклотронное возбуждение этой ветви ионно-звуковых волн, как в экспериментах, описанных выше [112]. Естественно, что поэтому напряженность поля Е не достигла очень

оценками Emin. Так, согласно [ИЗ] при со Q0 и ширине

166 ГЛ. III. ВОЛНЫ И КОЛЕБАНИЯ В ПРИЗЕМНОЙ ПЛАЗМЕ

полосы приемника Д ///< ^ 1

1,35

Рис. 64. Записи напряженности поля ионно-звуковых быстрых

в [114]) получается для средних значений параметров об­ ласти ионосферы, где проходила орбита ИСЗ, Emin zz ~ 360 мкв/м. Это значение Еmjn меньше наблюденных, что, возможно, является еще одним доказательством ионно­ звуковой природы зарегистрированных волн. К этому же выводу пришли авторы работы [114] в своих последую­ щих экспериментах на ИСЗ «ОУЗ-З» (Scarf, Fredericks, Crook [115]), которые технически были более совершен­ ными. В этих опытах измерения проводились на четырех частотах / = гц, 400 гц, 1,65 кгц и 7,3 кгц. При этом были использованы как рамочная, так и линейная антен­

ны, что позволило выделить те случаи, когда регистриро­ вались не продольные электростатические волны, а по­ перечные электромагнитные волны. В области высот ор­ биты «OV3-3» (zs = 354 -f- 4460 км) две из частот, на ко­ торых проводились измерения (80 и 400 гц), были часто меньше почти всех гирочастот ионов, входящих в состав внешней ионосферы. Таким образом, наряду с быстрыми ионно-звуковыми СНЧ волнами могли регистрироваться также медленные ионно-звуковые УНЧ волны со < (см. рис. 6). Следует здесь отметить, что в плазме, состоя­ щей из нескольких сортов ионов, характер дисперсионных кривых должен быть иным, чем показанные на рис. 5 и 6 зависимости о> (к) и со (0). Детальные теоретические ис­ следования этого вопроса не известны автору. Результа­ ты измерений (см. рис. 65) показывают, что всегда наблю­ даются обе ветви ионно-звуковых волн, причем медленные УНЧ волны (частотой 80 и 400 гц) обычно, по-видимому, более интенсивны, чем быстрые ионно-звуковые волны. Этого, однако, нельзя с уверенностью сказать, так как авторы не приводят значений напряженности поля, а только значения потенциала поля Е на антенне. (На рис. 65 показано, в каких пределах изменялось Е.)

Ионно-звуковые волны зарегистрированы и на более низких высотах, чем в рассматриваемых выше опытах.

Так, на ракете «Джавелин-8.45» (Shawhan, Gurnertt [116])

наблюдались интенсивные продольные волны (большие значения Е, отсутствие эффекта на магнитной антенне) в диапазоне частот / < 1 Кгц. При этом амплитуда элект­ рического поля Е имела максимальные значения на ми­ нимальных высотах, на которых еще проводились изме­ рения (z 250 -г - 280 км). Не исключено, что эти волны частично соответствуют ветви медленных УНЧ ионно­ звуковых волн (о) < Q# (Н+)) — точные данные о диапа­ зоне частот в цитированной работе [116] отсутствуют.

В более высоких областях внешней ионосферы, повидимому, также наблюдались ионно-звуковые волны. Так, на ИСЗ «OGO-З» в цитированной работе [69] на диск­ ретных частотах / = 100, 300 и 800 гц зарегистрированы интентивные СНЧ колебания на магнитной антенне с напряженностью поля Н ^ 0,2 н -1 г. Предположив, что магнитное поле индуцировалось в рамку, движущуюся относительно электрического поля Е быстрых ионно-

звуковых СНЧ волн, поскольку в указанной области ио­ носферы &н < © < ®L) и используя' формулу (III.9), получаем, что напряженность поля Е изменялась в опы­ тах в пределах 3—ь-12 в!м, а плотность энергии Е2/8я—

« Пионер-8 » 11декабря 1967г.

Рис. 66. Записи амплитуды потенциала быстрых ионно-звуковых волн, наблюдавшихся в солнечном ветре на расстоянии в миллион километров от Земли.

— 2 -10~® эрг!см3. Мы видим, что это столь же интен­ сивное излучение, как и наблюденное на более низких вы­ сотах на ИСЗ «OGO-2» [112].

В заключение интересно здесь привести для иллюст­ рации результаты наблюдений, по-видимому, быстрых ионно-звуковых волн на спутнике «Пионер-8», выведен­ ному на солнечную орбиту. Их частота / была порядка 400 гц и в условиях опытов меньше Q0 ^ 530 гц. Резуль­ таты, полученные в солнечном ветре на расстоянии по­ рядка 10е км от Земли, приведены на рис. 66 (Scarf и др.

170 ГЛ. XII. ВОЛНЫ И КОЛЕБАНИЯ В ПРИЗЕМНОЙ ПЛАЗМЕ

[117]). Напряженность поля в этих опытах, по-видимому, изменялась в пределах от Е ж 0,2 мв/м до Е ^ 30 мв/м (неизвестна точно эффективная длина антенны). Это дает плотности энергии Е2/8л — 10"1в -н 4 -10—14 эрг/см~3; по порядку величины они близки к тем же значениям, которые получены в некоторых опытах во внешней ионо­ сфере (см. [114]). Результаты исследований ионно-звуко­ вых волн на «Пионере-8», «Пионере-9» и «OGO-5» более подробно описаны недавно (Siscose и др. [163]; Scarf, Fredericks, Green [164]).

3. Возбуждение волн на нижнегибридной частоте.

В конце предыдущей главы приводились результаты наблю­ дений резонансных возбуждений колебаний в ионосфере на нижнегибридной частоте в окрестности ИСЗ. Эти ко­ лебания или волны стимулировались свистящими атмосфериками (см. рис. 50) и были обнаружены впервые на ИСЗ «Алуэт-1» (Barrington, Belrose [118]; Barrington, Belrose, Keeley [119]). В дальнейшем результаты этих из­ мерений были использованы для определения эффективной массы ионов Мец (см. (1.42)) и других параметров ионо­ сферы (Barrington, Belrose, Nelms [120]). Наряду с этим на ИСЗ «Алуэт-1» было обнаружено широкополосное из­ лучение типа шипения (Hiss), обрезаемое на нижнегиб­ ридной частоте (Brice, Smith [121]), которое регистри­ ровалось главным образом на электрическую антенну, т. е. представляло собой продольные волны (k„|| Е). Соно­ грамма таких волн изображена на рис. 67. Видно, что излучение обрезалось на частоте соь, значение которой уменьшалось со временем от 10 до 5 кгц, так как спутник двигался в сторону более высоких широт и высота его была почти неизменной (zs^sl000 км), но уменьшалось зна­ чение магнитного поля и, следовательно, а>ь- Не исклю­ чено, что рассматриваемые волны соответствуют резо­ нансной ветви НЧ волн, возбуждаемых в холодной плазме (см. рис. 3). В нижней части рис. 68 приведены результаты одновременных наблюдений на земной поверх­ ности, где под ИСЗ также наблюдалось излучение типа шипения, которое, однако, не обрезалось на нижнегиб­ ридной частоте и, по-видимому, являлось излучением другой природы.

Резонансные эффекты на нижнегибридной частоте были обнаружены затем во многих опытах. В виде узкополос-