КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-72-01066
НазваниеНеустойчивости в метеороидных хвостах и эффекты, связанные с магнитными полями и электрофонными звуками
РуководительМорозова Татьяна Игоревна, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2023 - 06.2025 |
Конкурс№84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-503 - Ионосферная и космическая плазма
Ключевые словаметеороидные хвосты, плазма, ионосфера Земли, пылевые частицы, электрофонные звуки, плазменные неустойчивости, флуктуации магнитного поля в атмосфере Земли
Код ГРНТИ29.27.21, 29.27.17
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект посвящен исследованию различных неустойчивостей в хвостах метеороидов, связанных с возникновением электрофонных звуков при пролете метеорных тел, а также с генерацией флуктуаций магнитных полей во время пролетов метеороидов.
Цель проекта – дополнить ранее разработанную автором теорию генерации электрофонных шумов от пролета метеорных тел с частотами до 60 Гц с учетом пылевой компоненты процессами, связанными с неустойчивостями без пыли, которые порождают возмущения на более высоких частотах из диапазона электрофонных шумов, а также к возникновению флуктуаций магнитного поля в атмосфере Земли.
До настоящего времени не было исследовано неустойчивостей в плазменных хвостах метеороидов за исключением работ автора проекта. Полученные теоретические результаты по распространению плазменных волн и неустойчивостей в метеороидном хвосте будут иметь фундаментальный характер. Объяснение процессов генерации магнитных полей в результате пролетов метеорных тел в атмосфере Земли, а также возникновения электрофонных шумов одновременно с пролетом метеороидов будут иметь как теоретический, так и практический интерес с точки зрения описания корректности работы наземного оборудования, работы летательной техники и систем радиолокации.
Будет развита теория, объясняющая возникновение электрофонных шумов от пролета метеорных тел как для отдельных метеороидов, так и для метеорных потоков в результате ряда процессов. В том числе вследствие развития неустойчивостей, в результате которых начальная электромагнитная волна накачки модулируется низкочастотными колебаниями, а также в результате излучения или возникновения плазменных колебаний, которые подвергаются далее распадным процессам и преобразуются в поперечные волны, которые в свою очередь достигают поверхности Земли и воспринимаются как электофонные звуки посредством приемников.
Будут рассмотрены неустойчивости без магнитного поля, в том числе модуляционная неустойчивость электромагнитной волны, связанная с ионно-звуковой модой, а также ионно-звуковая неустойчивость, возбуждаемая в результате относительного движения плазмы метеороидных хвостов и ионосферной плазмы. В числе процессов будет рассмотрена модуляционная неустойчивость ленгмюровских волн, дающая широкий спектр низкочастотных поперечных колебаний как один из возможных механизмов объяснения возникновения электрофонных шумов от пролета метеороидов в диапазоне частот до 12 кГц. Будут обсуждаться механизмы рассеяния, распада и слияния ленгмюровских и ионно-звуковых волн с преобразованием продольных плазменных колебаний в поперечные волны, которые, достигая поверхности Земли, посредством антенн воспринимаются как электрофонные звуки.
Будут рассмотрены неустойчивости, связанные с магнитным полем, в хвостах метеороидов. В том числе будут обсуждаться дрейфовая неустойчивость, циклотронные неустойчивости, неустойчивости Драммонда-Розенблюта, нижнегибридных колебаний и другие неустойчивости с магнитным полем без пыли. Будет показано влияние развития данных неустойчивостей на магнитное поле Земли и на возникновение электрофонных шумов одновременно с пролетом метеорных тел.
Будет показана возможность возникновения циклотронных волн в плазме метеороидных хвостов. Будет обсуждаться влияние низкочастотного циклотронного излучения плазменных частиц на возникновение флуктуаций магнитного поля при пролете метеорных тел и на возникновение электрофонных шумов одновременно с пролетом метеороидов. Будут учтены турбулентные процессы, связанные с этими колебаниями, которые также могут приводить к возникновению электрофонных шумов у поверхности Земли.
Будут оценены магнитные поля, возникающие в хвостах метеороидов в результате развития неустойчивостей, связанных с магнитным полем в хвостах метеороидов и будет дано их сравнение с данными наблюдений.
Будут найдены инкременты и характерные времена развития рассматриваемых неустойчивостей и показано, что данные неустойчивости успевают развиться во время жизни хвоста метеороида.
Ожидаемые результаты
Будет дано объяснение возникновения электрофонных шумов от пролета метеорных тел во всем наблюдаемом диапазоне диапазоне частот 0.003 Гц – 12 кГц. Таким образом будет показан возможный механизм генерации более широкого диапазона частот электрофонных шумов, чем рассматривалось ранее, в том числе автором по проекту РНФ № 19-72-00005 и в дополнение к ранее построенным теориям будет получена самосогласованная модель возникновения электрофонных шумов от метеороидов.Также будет объяснено возникновение флуктуаций магнитного поля в атмосфере Земли, возникающих при пролете метеорных тел.
В этом контексте будут рассмотрены неустойчивости в плазме хвостов метеороидов, в том числе модуляционная неустойчивость электромагнитной волны, связанная с ионно-звуковой модой, которая охватывает более высокий диапазон частот электрофонных шумов, чем рассмотренная ранее модуляционная неустойчивость электромагнитной волны, связанная с пылевой звуковой модой, а также ионно-звуковая неустойчивость, возбуждаемая в результате относительного движения плазмы метеороидных хвостов и ионосферной плазмы, модуляционная неустойчивость ленгмюровских волн, дающая широкий спектр низкочастотных поперечных колебаний, дрейфовых и циклотронных неустойчивостей, неустойчивости Драммонда-Розенблюта и неустойчивости нижнегибридных колебаний. Будут построены графики инкрементов данных неустойчивостей и показано, что рассматриваемые неустойчивости успевают развиваться в хвосте метеороида во время его пролета в атмосфере Земли.
Данные исследования внесут вклад в понимание явлений, связанных с пролетом метеороидов, а также последствий и воздействий, которые данные явления оказывают на человека и природу. Важность рассмотрения пролетов метеороидов обусловлена их непредсказуемостью и труднопрогнозируемостью. Объяснение процессов генерации магнитных полей в результате пролетов метеорных тел в атмосфере Земли, а также возникновения электрофонных шумов одновременно с пролетом метеороидов будут иметь как теоретический, так и практический интерес с точки зрения описания корректности работы наземного оборудования, работы летательной техники и систем радиолокации.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Рассмотрена возможность распространения ионно-звуковых волн в хвостах метеороидов, связанная с развитием ионно-звуковой неустойчивости. Развитие данной неустойчивости связана с относительным движением плазмы хвоста метеороида и ионосферной пылевой плазмы. Отмечается, что развитие ионно-звуковой неустойчивости в системе, в которой температуры электронов и ионов имеют схожие значения, реализуемо в ситуации присутствия пыли, что наблюдается в плазме хвостов метеороидов.
Найдены выражения максимальных инкрементов развития ионно-звуковой неустойчивости и характерных времен ее развития для наиболее значимых диапазонов частот. Показано, что ионно-звуковая неустойчивость успевает развиться за время пролета метеорного тела в ионосфере Земли ввиду того, что времена ее развития много меньше времени жизни хвостов метеороидов. Приведены значения инкрементов развития ионно-звуковой неустойчивости и времен ее развития для типичных параметров плазмы метеороидных хвостов и ионосферной плазмы. Показано, что характерные значения волновых векторов, при которых развивается ионно-звуковая неустойчивость, имеют размеры, соотносимые с размерами хвостов метеороидов. Найдены скорости метеорных тел, при которых оказывается возможным развитие ионно-звуковой неустойчивости в рассматриваемых диапазонах частот. Показано, что в результате раскачки ионно-звуковой неустойчивости и нарастания амплитуды колебаний возможен переход на нелинейный режим. В частности, это реализуется на временах развития неустойчивости порядка 10^{-6}-10^{-4} c. По данному исследованию отправлена статья «Ионно-звуковые волны при взаимодействии хвостов метеороидов с ионосферой Земли» в журнал «Plasma physics reports» и принята в печать.
Найдено, что в результате распадных процессов ионно-звуковых волн не могут рождаться низкочастотные электромагнитные волны, потому что это запрещено законами сохранения для законов дисперсии данных волн. Отсюда сделан вывод, что данным физическим механизмом невозможно объяснить возникновение электрофонных шумов от пролета метеороидов и нужно прибегать к других средствам их объяснения, в частности, которые были развиты автором и которые развиваются в настоящее время в рамках данного гранта. А именно, модуляционная неустойчивость электромагнитных волн, связанная с пылевой звуковой модой, модуляционная неустойчивость электромагнитных волн, связанная с ионно-звуковой модой, а также модуляционная неустойчивость ленгмюровских, нижнегибридных и ионно-звуковых волн.
Обсуждалось влияние модуляционной неустойчивостям волн, связанных с ионным звуком, на возникновение электрофонных шумов от пролетов метеороидов. В частности, начата работа по исследованию модуляционной неустойчивости электромагнитной волны, связанной с ионно-звуковой модой, которая может объяснить возникновение электрофоных шумов одновременно с пролётом метеорных тел в диапазоне частот до не скольких килогерц. Что в совокупности с рассмотренной ранее модуляционной неустойчивостью электромагнитной волны, связанной с пылевой звуковой модой (что было рассмотрено в работах по предыдущему гранту РНФ № 19-72-00005) может более полно объяснить весь наблюдаемый диапазон электрофонных шумов при пролёте метеорных тел (от нескольких Гц до нескольких кГц).
Также начато рассмотрение модуляционной неустойчивости относительно высокочастотных ионно-звуковых, порождающей низкочастотные ионно-звуковые волны. Однако показано, что данный тип неустойчивости не может приводить к возникновению электрофонных шумов от пролёта метеорных тел.
В числе процессов рассмотрена модуляционная неустойчивость ленгмюровских волн, исследованная ранее, и показано, что она приводит к генерации широкого спектра низкочастотных поперечных колебаний и может служить одним из возможных механизмов объяснения возникновения электрофонных шумов от пролета метеороидов в диапазоне частот до 10 кГц.
Начато исследование по изучению развития ряда неустойчивостей и распространению волн, связанных с проявлением магнитного поля в хвостах метеороидов. В частности, начато рассмотрение влияния магнитного поля на развитие ионно-звуковой неустойчивости. Оказывается, что принимая во внимание вид функций распределения электронов и ионов, образуется небольшой конус потерь в пространстве скоростей, где нет волн, попадающих в резонанс с электронами и такие электроны вызывают ток в плазме. С учетом того, что ионы не успевают перемешиваться под действием магнитного поля (и в рассматриваемой ситуации ионы не замагничены), искажается вид функции распределения ионов по скоростям, что влияет на инкремент ионно-звуковой неустойчивости и что планируется исследовать во второй год. Также показано, что в ситуации без магнитного поля и протекания достаточно интенсивного тока в плазме условия развития ионно-звуковой неустойчивости похожим образом меняют свой вид. В обоих случаях можно использовать методы, аналогичные методам описания аномального сопротивления плазмы.
Оценено, что для существования циклотронного резонанса в атмосфере Земли нужны резонансные энергии электронов и ионов, которые в хвостах метеороидов оказываются недостаточными в условиях высокого магнитного поля Земли. А именно, циклотронные волны генерируются энергичными ионами или электронами, причем чем больше магнитное поле, т.е. гирочастота ионов или электронов, тем выше нужна энергия заряженных частиц для выполнения условий циклотронного резонанса. Ионы в данной системе оказываются незамагниченными, в то время как электроны — замагниченными. Сделан вывод, что излучение вследствие циклотронных резонансов не может наблюдаться в плазменной системе хвостов метеороидов.
Данные процессы наиболее полно описывают механизмы, происходящие в хвостах метеороидов и дают представление о многообразии волн и неустойчивостей, которые возникают в данной системе.
Публикации
1. Морозова Т.И., Попель С.И. Ионно-звуковые волны при взаимодействии хвостов метеороидов с ионосферой Земли Plasma physics reports, Т. 50, № 7. (год публикации - 2024)
2. - Затухание Ландау Пресс служба ИКИ РАН, - (год публикации - )