Лабораторное моделирование процессов формирования спектров искусственного радиоизлучения при нагреве ионосферы мощным радиоизлучением М.В. Стародубцев, - презентация

1 Лабораторное моделирование процессов формирования спектров искусственного радиоизлучения при нагреве ионосферы мощным радиоизлучением М.В. Стародубцев, В.В. Назаров, А.В. Костров Институт прикладной физики РАН Нижний Новгород Физика плазмы в солнечной системе М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ

2 Физика плазмы в солнечной системе Работа стимулирована нагревными ионосферными экспериментами Исследуются процессы, приводящие к формированию искусственного радиоизлучения ионосферы (ИРИ) Основное внимание уделяется механизмам генерации наиболее интенсивной спектральной компоненты ИРИ: главного спектрального максимума (downshifted maximum), связанного с мелкомасштабной филаментацией нагретой области ионосферы Механизмы генерации ИРИ будут иучаться с помощью лабораторного моделирования Цели и задачи экспериментов

3 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Ground NeNe Height (km) UH range: Plasma waves, Small-scale filamentation, SEE etc. Нагревные эксперименты в ионосфере Тепловой этап воздействия EM radiation (O polarized) f = 2 – 9 MHz > 1 sec P eff = 150 – 1000 MW Reflection Upper Hybrid

4 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Нагревные эксперименты в ионосфере Формирование мелкомасштабных неоднородностей Гуревич А.В. УФН, т.177,1145 (2007) KelleyM C et al. J. Geophys. Res (1995)

5 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Возбуждение квазиэлектростатических ВГ волн при трансформации ВН на флуктуациях плазмы O-mode + Fluctuation Quasi-electrostatic waves E N e, N i e i Нагревные эксперименты в ионосфере Формирование мелкомасштабных неоднородностей Захват ВГ волн в объеме неоднородности Поглощение ВГ волны внутри неоднородности, нагрев неоднородности и ее углубление вследствие термодиффузии

6 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Нагревные эксперименты в ионосфере Формирование мелкомасштабных неоднородностей Используемые физические модели: Резонансная неустойчивость Васьков, Гуревич. ЖЭТФ (1975) Тепловая параметрическая неустойчивость Грач, Трахтенгерц. Изв. вузов. Радиофизика (1975) Однако, лабораторные эксперименты показывают, что единственным процессом, приводящим к мелкомасштабной стратификации магнитоактивной плазмы, является тепловое самоканалирование ленгмюровских волн Starodubtsev et al. Phys.Rev.Lett. (2007)

7 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Нагревные эксперименты в ионосфере Формирование главного спектрального максимума ИРИ Leyser et al. J. Geophys. Res. 95, (1990) ВГ(ω) ВГ(ω - ω LH ) + НГ(ω LH )

8 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Возбуждение квазиэлектростатических ВГ волн в результате рассеяния волны накачки на мелкомасштабных плазменных неоднородностях: ВН(ω) ММН + ВГ(ω) Нагревные эксперименты в ионосфере Формирование главного спектрального максимума ИРИ Распад ВГ волн на ВГ и НГ волны: ВГ(ω) ВГ(ω - ω LH ) + НГ(ω LH ) Частота вторичной ВГ волны смещена вниз на ω LH Трансформация вторичной ВГ волны в электромагнитную волну в результате обратного рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях: ВГ(ω - ω LH ) + ММН DM(ω - ω LH )

9 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Задачи экспериментов Механизмы мелкомасштабной филаментации ионосферной плазмы Возможен ли захват квазиэлектростатических волн в объеме плазменных неоднородностей? Какой тип волн может захватываться и при каких параметрах плазмы? Возможно ли формирование мелкомасштабной неоднородности в поле захваченной волны? Формирование главного спектрального максимума ИРИ Возможно ли формирование сателлитов в спектре квазиэлектростатической волны, захваченной в плазменной неоднородности? Каковы механизмы формирования спектральных сателлитов?

10 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Постановка экспериментов 30 G < B 0 < 100 G 10 8 cm -3 < N e < cm -3 T e = 0.5 eV f = 300 MHz (i.e. ω = ω p at N e = 10 9 cm -3 )

11 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Wave dispersion in the UH range Two modes: O and Z Верхнегибридный диапазон частот p < < UH Ionospheric heating experiments: O-mode is excited O ES near the reflection layer ES interacts with plasma Our laboratory modeling: O ES We will excite directly the quasi-electrostatic modes and study how it interacts with a laboratory plasma. O Z

12 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Экспериментальные результаты Основные характеристики волн ВГ диапазона Resonance cones to excite the quasi- electrostatic mode we need a small antenna k max ~ 1/R V gr are in the same direction

13 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Resonance cones at different plasma densities and in afterglow plasma Экспериментальные результаты Основные характеристики волн ВГ диапазона

14 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе When the input antenna signal is small, only resonance cone structure is observed in the UH frequency range. At higher input voltages, nonlinear modification of the antenna radiation pattern is observed at: = 0 = p Экспериментальные результаты Нелинейная модификация диаграммы направленности

15 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Radiation amplitude as a function of the input antenna signal New radiation component characterizes by: threshold fast growth saturation If a minor initial density irregularity exist in a plasma, threshold amplitude decreases substantially. Instability? Экспериментальные результаты Неустойчивость?

16 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Порог неустойчивости возрастает в окрестности электронных гирогармоник Экспериментальные результаты Порог неустойчивости

17 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Localized as a narrow beam along B 0 No angular divergence is observed. Propagates very far from the emitter. Propagates slowly (V < C s ) ES wave? Trapping? Density modification? Экспериментальные результаты Новая компонента излучения

18 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Local plasma heating Formation of density channel Localization of antenna radiation inside the density channel Trapping of the short-wavelength mode inside the depletion Absorption of a short-wavelength mode Local plasma heating Thermo-diffusion Narrow density depletion Экспериментальные результаты Природа неустойчивости

19 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Экспериментальные результаты Плазменная неоднородность

20 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Experimental results Thermo-diffusion There are two possible mechanisms of thermo-diffusion. 1.Ambipolar thermo-diffusion: slow process (V diff > Cs) narrow and long plasma irregularities i e T e

21 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Langmuir waves Resonance cones A new radiation component arises due to finite plasma temperature Обсуждение Захват волн в плазменную неоднородность

22 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Narrow density depletion in a slightly overdense plasma Eigenmode: k = h = const Could it be trapped inside the depletion? V gr always turns toward the center of the depletion Langmur wave is trapped inside the depletion Обсуждение Захват волн в неоднородность

23 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Обсуждение Тепловое самоканалирование ленгмюровских волн Основные характеристики процесса: Наблюдается в окрестности плазменного резонанса Плазма нагревается коротковолновым квазиэлектростатическим излучением Под действием нагрева и тепловой нелинейности формируется плазменный канал с пониженной концентрацией электронов Квазиэлектростатические волны (ленгмюровская ветка) захватываются и направляются плазменной неоднородностью

24 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Experimental results Trapping of probe waves Narrow density channel is formed by a pump wave at 300 MHz. Probe waves are exited by a small antenna situated at the center of the density channel. Effective probe wave trapping is observed in the vicinity of the plasma resonance. No trapping is observed at the upper hybrid resonance.

25 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Experimental results Trapping of probe waves Narrow density channel is formed by a pump wave at 300 MHz. Probe wave is exited by a small antenna located near the channel. Probe wave trapping is observed at the plasma resonance. No trapping is observed at the upper hybrid resonance.

26 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе При распространении ленгмюровской волны через магнитоактивную плазму в режиме теплового самоканалирования происходит преобразование ее спектральных характеристик Экспериментальные результаты Спектр захваченной волны

27 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Experimental results Spectral sidebands Two types of spectral sidebands are observed when a pump Langmuir wave is trapped inside a small-scale plasma irregularity: dynamic and stationary sidebands Dynamic sideband Stationary sidebands t=0.2ms

28 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Two types of spectral sidebands are observed when a pump Langmuir wave is trapped inside a small-scale plasma irregularity: dynamic and stationary sidebands Dynamic sideband: f ~ 1.5 MHz Stationary sidebands: f ~ 1 MHz Экспериментальные результаты Спектр захваченной волны

29 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Dynamic sideband is observed during formation of the irregularity Экспериментальные результаты Динамический спектральный сателлит

30 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Экспериментальные результаты Динамический спектральный сателлит Два возможных механизма формирования динамического спектрального сателлита Доплеровский сдвиг частоты захваченной волны за счет отражения от движущейся передней границы Параметрический сдвиг частоты

31 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Экспериментальные результаты Доплеровский механизм – оценка

32 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Экспериментальные результаты Параметрический механизм – оценка

33 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Экспериментальные результаты Параметрический механизм – оценка

34 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Stationary sidebands are observed in the well-formed irregularity : Рассеяние захваченной ленгмюровской волны на собственных (напр. дрейфовых) колебаниях неоднородности: = drift ~ V Te 2 k / c L Δ f 1 MHz (при R неоднор ~ 1 cm) (в ионосфере: Δ f ~ 10 kHz для неоднородности радиусом 1 м) Drift oscillations? Экспериментальные результаты Стационарные спектральные сателлиты

35 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Как проверить механизм формирования стационарного спектрального сателлита (т.е. природу низкочастотных колебаний)? Собственные колебания неоднородности должны существовать, пока существует сама неоднородность. Исследуем релаксацию спектра пробной волны сразу после выключения волны накачки: если формирование стационарных спектральных сателлитов связано с рассеянием пробной волны на собственных колебаниях плазменной неоднородности, они будут существовать, пока существует сама неоднородность. Характерное время существования тепловой плазменной неоднородности порядка Экспериментальные результаты Стационарные спектральные сателлиты Динамика спектра пробной волны в релаксирующем плазменном канале (после выключения волны накачки)

36 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Trapped pump wave Trapped sideband wave (DM) Экспериментальные результаты Стационарные спектральные сателлиты

37 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Experimental results Spectral sidebands Spectral features of the self- channeled Langmuir wave are similar to the stimulated electromagnetic emission observed during the ionospheric heating experiments

38 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Заключение. Результаты экспериментов.

39 М.В. Стародубцев и др. Лабораторное моделирование ИРИ Физика плазмы в солнечной системе Conclusions Relations to the ionospheric heating experiments The most effective small-scale plasma density modification should occur in the plasma resonance region. The origin of the small-scale plasma density modification is thermal self-channeling of Langmuir waves. High efficiency of Langmuir wave trapping ( NB! ) Frequency spectrum of the trapped wave exhibits narrow lower-frequency sidebands – Downshifted Maximum ?