Температура электронов в спорадическом слое Е ионосферы Земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт земного магнетизма ионосферы и распространения радиоволн Российской академии наук им. Н.В. Пушкова.

Температура электронов в спорадическом слое Е ионосферы Земли

Л.Б. Волкомирская,

О.А. Гулевич,

Н.В. Кривошеев,

Спорадический слой Es представляет собой случайное, локальное образование в ионосфере с повышенной концентрацией электронов, которая играет существенную роль при распространении радиоволн декаметрового и метрового диапазона. Слой может как способствовать появлению дополнительного канала радиопередачи, так и вызывать дополнительные помехи, приводя в ряде случаев к полному прекращению радиосвязи Необходимо учитывать влияние спорадического слоя на распространение радиоволн на трассах в зависимости от их протяженности, технического оснащения и времени работы [1,2].

Трудности прогнозирования параметров слоя Es объясняются рядом причин, среди которых основными можно назвать: случайность появления слоя, отсутствие продолжительных непосредственных измерений характеристик слоя с помощью ракетной техники, многообразие физических явлений, оказывающих воздействие на образование и существование слоя s [1].

Возникновение спорадического слоя Е в средних широтах описывается теорией ветрового сдвига [3,4]. Одной из трудностей этой теории является несоответствие пикообразного теоретического и прямоугольного экспериментального профиля электронной концентрации в спорадическом слое. Это несоответствие может быть отчасти устранено при учете высотного хода электронной температуры в спорадическом слое.

Число экспериментов по измерению температуры электронов в спорадическом слое Е невелико и результаты их не всегда однозначны из-за малой разрешающей способности измерительной аппаратуры и технической сложности эксперимента.

На рисунке 1 показан высотный профиль концентрации электронов в области Е ионосферы, на котором наблюдается спорадический слой.

Рис. 1. - Высотный профиль электронной концентрации в присутствии спорадического слоя.

Профиль был получен в результате одного из экспериментов с высокочастотным импедансным зондом, обладающим достаточно высокой разрешающей способностью [5]. Примеры теоретического исследования профиля электронной температуры в среднеширотном спорадическом слое Е также обсуждались в [5].

В одном из примеров рассмотрено уравнение энергетического баланса электронного газа из которого получено выражение для расчета разности между электронной температурой Те и температурой нейтральных частиц Тn в спорадическом слое. На рисунке 2 (кривая 1) приведен высотный ход разности (Тe - Тn) в идеализированном пикообразном спорадическом слое Е, для которого зависимость nе/nо от высоты h представлена кривой 3. Здесь nе и nо - электронная концентрация в спорадическом слое и за его пределами соответственно. Однако расчетная формула сложна для определения Тe(h) и, что наиболее существенно, входящий в нее коэффициент рекомбинации сам является функцией электронной температуры [3,4].

Рис. 2. - Высотный ход разности (Тe - Тn) в идеализированном пикообразном спорадическом слое Е.

Мы предлагаем более простой метод расчета Те(h) в спорадическом слое, который также свободен от указанного выше недостатка. Исходя из уравнения энергетического баланса, считая процесс стационарным а среду плоскослоистой запишем уравнение теплового баланса для электронов в спорадическом слое Е:

Здесь - скорость притока тепла к электронам, - скорость охлаждения электронов, - скорость нейтрального ветра, -постоянная Больцмана. ионосферный электрон ветровой температура

В этом уравнении членами, учитывающими теплопроводность и электрическое поле, пренебрегаем в силу их малости. Для решения уравнения теплового баланса были использованы граничные условия в виде заданного значения электронной температуру вне спорадического слоя вблизи его основания.

Высотный профиль (Те - Тn), рассчитанный, исходя из приведенного выше уравнения теплового баланса для идеализированного спорадического слоя Е, показан на рисунке 2 (кривая 2). Видно, что как кривая 1 из [5], так и кривая 2 указывают на уменьшение Те в области максимума электронной концентрации и на относительное увеличение температуры электронов вблизи границ слоя. Количественные различия результатов расчета полученных двумя методами не превышают 25 К.

На рисунке 3 представлен профиль высотной зависимости концентрации электронов nе(h) типичного параболического спорадического слоя Е с nе/nо = 2,5 в максимуме. На рисунке 4 для этого слоя представлено изменение профиля Те(h) в зависимости от величины притока тепла Qe к электронному газу. Кривая 1 рассчитана для Qe = 1,5*104 (nе/nо)2 эВ/см3 с1,

кривая 2 - для Qe =2,25*104 (nе/nо)2 эВ/см3 с1. Из сопоставления результатов расчета видно, что увеличение притока тепла Qe к электронному газу приводит к смещению профиля Те(h) в область более высоких значений температуры не изменяя его формы.

Рис. 3. - Высотные профили электронной концентрации.

Было проведено ориентировочное сопоставление рассчитанного нами профиля Те(h) с одним из экспериментальных профилей приведенным в [5]. Результаты измерений профиля Те(h) и профиля электронной температуры, рассчитанного из уравнения (1) для того же спорадического слоя показаны на рисунке 5 (кривая 1). Данные полученные в эксперименте отмечены точками. Здесь же (кривая 2) представлен профиль электронной концентрации в рассматриваемом спорадическом слое Е. Приток тепла Qe к электронному газу принимался равным 2,25 104 эВ/см3 с1.

Рис. 4. - Изменение профиля Те(h) в зависимости от величины притока тепла Qe к электронному газу для этого слоя.

Рис. 5. - Результаты измерений профиля Те(h) и профиля электронной температуры, рассчитанного из уравнения (1) для того же спорадического слоя.

В эксперименте было получено всего три значения Те в окрестностях спорадического слоя и в самом слое. Теоретическая кривая удовлетворительно согласуется с результатами эксперимента.

В [6, 7, 8] было, в частности, показано, что приток тепла к электронному газу от фотоэлектронов зависит от электронной концентрации. Использование этой зависимости позволяет хотя бы отчасти учесть высотные вариации Qe при расчете температуры электронов в спорадическом слое Е.

Нами были рассчитаны два профиля Те(h) для слоя, для двух случаев

Qe = 1,5 104 (nе/nо)2 эВ/см3 с1 и Qe = 2,25 104 (nе/nо)2 эВ/см3 с1. Потери энергии тепловыми электронами определялись с учетом процессов описанных в [9-12].

Для обоих случаев, как и для постоянного в пределах слоя Qe, получено падение электронной температуры на высоте максимума электронной концентрации до 50 К.

Таким образом, по нашему мнению в спорадическом слое Е имеет место тенденция к уменьшения температуры электронов.

Литература

1. Шерстюков О.Н., Минуллин Р.Г., Акчурин А.Д., Назаренко В.И., Сапаев А.Л., Зыков Е.Ю. Влияние спорадического слоя Е на распространение метровых и декаметровых радиоволн на коротких трассах // Геомагнетизм и аэрономия. 2000. 40. N 5. С. 69-74.

2. Омельянчук Е.В., Тихомиров А.В., Кривошеев А.В. Особенности проектирования систем связи миллиметрового диапазона радиоволн //Инженерный вестник Дона, 2013

3. Бахметьева Н.В., Беликович В.В., Игнатьев Ю.А., Понятов А.А. Вертикальные движения в нижней ионосфере и спорадические слои // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. Нижний Новгород: Научно-исследовательский радиофизический институт. 1999. 42. №1. С. 26-35.

4. Бахметьева Н.В., Беликович В.В., Каган Л.М., Понятов А.А., Толмачева А.В. Исследование атмосферы Земли методом резонансного рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях ионосферной плазмы // Вестник РФФИ. 2007. № 3 (53). С. 8-35.

5. Клюева Н.М., Кривошеев Н.В., Часовитин Ю.К. Некоторые вопросы интерпретации результатов зондовых измерений температуры электронов в области Е ионосферы // Труды института экспериментальной метеорологии ГУГМС. 1976. вып.5(62). С.84 -103.

6. Волкомирская Л.Б., Гулевич О.А., Кривошеев Н.В., Ларина Т.Н., Резников А.Е. Расчет притока тепла к электронному газу на высотах области Е ионосферы Земли// Инженерный вестник Дона 2016,

7. Bilitza D. Heatbalance of the ionosphere: implications for the international reference ionosphere. Аdv. Space res. 1985-1986. № 10, pp. 123-130.

8. Khazanov G. V., Glocer A., Liemohn M. W., Himwich E. W. Superthermal electron energy interchange in the ionosphere-plasmasphere system.J. Geophys. Res. A. 2013. 118, N 2, pp. 925-934.

9. Moffett R.J. Rates of electron cooling in the upper atmosphere. Planet and space sci. 1988. 36, № 1, pp. 65-72.

10. Павлов А.В. Скорость охлаждения тепловых электронов при возбуждении колебательных уровней N(2) электронным ударом //Геомагнетизм и аэрономия. 1986. 26, №4, C. 669-670.

11. Павлов А. В. Колебательно- возбужденные N2 и O2 в верхней атмосфере (обзор) //Геомагнетизм и аэрономия. 2011. 51, N 2, C. 147-173.

12. Волкомирская Л.Б., Гулевич О.А., Кривошеев Н.В., Ларина Т.Н., Резников А.Е. Результаты расчета высотного профиля температуры электронов в области Е ионосферы Земли //Инженерный вестник Дона, 2017,

1. Sherstjukov O.N., Minullin R.G., Akchurin A.D., Nazarenko V.I., Sapaev A.L., Zykov E.Ju. Geomagnetizm i ajeronomija. 2000. 40. N 5. pp. 69-74.

2. Omel'janchuk E.V., Tihomirov A.V., Krivosheev A.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №2. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1742/.

3. Bahmet'eva N.V., Belikovich V.V., Ignat'ev Ju.A., Ponjatov A.A. Nizhnij Novgorod: Nauchno-issledovatel'skij radiofizicheskij institute. 1999. 42. №1. pp. 26-35.

4. Bahmet'eva N.V., Belikovich V.V., Kagan L.M., Ponjatov A.A., Tolmacheva A.V. Vestnik RFFI. 2007. № 3 (53). pp. 8-35.

5. Kljueva N.M., Krivosheev N.V., Chasovitin Ju.K. Trudy instituta jeksperimental'noj meteorologii GUGMS. 1976. vyp.5 (62). pp.84 -103.

6. Bilitza D. Аdv. Space res. 1985-1986. № 10, pp. 123-130.

7. Khazanov G. V., Glocer A., Liemohn M. W., Himwich E. W.J. Geophys. Res. A. 2013. 118, N 2, pp. 925-934.

8. Moffett R.J. Planet. and space sci. 1988. 36, № 1, pp. 65-72.

9. Pavlov A.V. Geomagnetizm i aeronomiya. 1986. 26, №4, pp. 669-670.

10. Pavlov A. V. Geomagnetizm i aeronomiya. 2011. 51, N 2, pp. 147-173.

Аннотация

Отмечается необходимость изучения теплового баланса ионосферных электронов в спорадическом слое Е для уточнения условий его образования в рамках теории ветрового сдвига. Рассмотрена методика расчета высотного профиля температуры электронов в спорадическом слое Е ионосферы. Отмечено удовлетворительное совпадение расчетного профиля электронной температуры с экспериментом.

Ключевые слова: ионосфера, температура электронов, спорадический слой, тепловой баланс, скорость нагрева, ветровой сдвиг, высотный профиль температуры, зондовые измерения.

Размещено на Allbest.ru