Работа на конкурс научных работ ИКИ РАН 2011-2012 года (в категорию “научная работа молодого учёного”)

Название работы: On whistler mode wave scattering from density irregularities in the upper ionosphere.

Автор работы: Кузичев Илья Валерьевич, младший научный сотрудник отд. 54, лаб. 541, ИКИ РАН.

e-mail: kuzichevIV@gmail.com

Публикация: Kuzichev, I. V. (2012), On whistler mode wave scattering from density irregularities in the upper ionosphere, J. Geophys. Res., 117, A06325, doi:10.1029/2011JA017130

Аннотация:

Работа посвящена проблеме выхода волн ОНЧ диапазона (~1-30 кГц) на поверхность Земли. В ионосфере и магнитосфере Земли волны этого частотного диапазона распространяются в свистовой моде и играют важную роль в динамике плазмы, в частности, они связаны с высыпаниями частиц в авроральной зоне, полярными сияниями и суббурями, поэтому описание их распространения в магнитосфере и ионосфере является важной задачей.

Одним из вопросов, касающихся распространения ОНЧ волн, который до сих пор остаётся актуальным, является выход волны на Землю. Волны в ОНЧ диапазоне наблюдаются как на спутниках, так и на поверхности Земли. Однако распространение волны в ионосфере обычно рассчитывается в рамках модели плоскослоистой среды, в которой все параметры плазмы зависят только от высоты.. В модели плоскослоистой среды горизонтальная компонента волнового вектора при распространении в ионосфере сохраняется в силу закона Снелла, а в атмосфере показатель преломления должен быть равен единице. Это накладывает ограничения на угол падения, определяя так называемый конус прохождения: если волновой вектор падающей на ионосферу волны лежит в конусе прохождения, то волна может выйти на Землю, трансформируясь в нижних слоях ионосферы из свистовой моды в вакуумную электромагнитную волну, если же вне конуса прохождения, то волна испытывает полное внутреннее отражение от нижних слоёв ионосферы.

В то же время расчёты распространения волны в магнитосфере в рамках геометрической оптики показывают, что обычно волна, распространявшаяся не в дакте, в верхних слоях ионосферы имеет показатель преломления много больше единицы, а волновой вектор направлен почти перпендикулярно магнитному полю Земли, точнее, лежит вблизи резонансного конуса. Для средних и авроральных широт, где, в основном, и наблюдаются ОНЧ волны на поверхности Земли, это означает, что угол падения, т.е. угол между вертикалью к поверхности Земли у волновым вектором, достаточно большой - лежит вне конуса прохождения.

Таким образом случаи наблюдения ОНЧ волн должны были бы быть гораздо более редкими, если бы не было какого-либо механизма, приводившего к появлению в поле волны новых гармоник, лежащих внутри конуса прохождения. Наиболее очевидным таким механизмом может служить рассеяние на неоднородностях плотности, которые присутствуют в ионосфере, например, на неоднородностях F-слоя.

В работе предлагается новый подход к задаче рассеяния свистовых волн на неоднородностях, основанный на сведении дифференциальных уравнений Максвелла к интегральным с помощью функции Грина. Такой подход позволяет отказаться от представления поля в виде медленно меняющихся амплитуд и быстро меняющейся фазы, таким образом включая в рассмотрение различные масштабы неоднородностей и учитывая наличие неволновой моды, характерной для свистового диапазона частот. Интегральные уравнения решаются методом последовательных приближений по амплитуде неоднородностей.

В первом порядке метода получены выражения для коэффициентов прохождения и отражения волны, с помощью которых рассчитана плотность потока энергии, переносимой волнами, рассеянными в конус прохождения, для различных статистических спектральных плотностей неоднородностей: для Гауссова распределения и для степенного распределения, которое более точно описывает неоднородности F-слоя. Показано, что в случае квази-электростатической волны, волновой вектор которой лежит вблизи резонанского конуса, мелкомасштабные неоднородности плотности могут рассеивать такую волну в конус прохождения, и доля энергии, выходящей на Землю, лежит в установленных предыдущими теоретическими работами и наблюдениями рамках. В то же время, нерезонансная свистовая волна, волновой вектор которой лежит далеко от резонансого конуса, но при этом не в конусе прохождения, может быть рассеяна в конус прохождения крупномасштабными неоднородностями. Таким образом, выход свистовых волн на Землю, как недактированных, так и дактированных, может быть объяснён рассеянием на, соответственно, мелкомасштабных, или крупномасштабных неоднородностях плотности в ионосфере.