Н.А. Айдакина, М.Е. Гущин , И.Ю. Зудин, С.В. Коробков, А.В. Костров, А.В. Стриковский

1. КВАЗИСТАЦИОНАРНЫЕ ТОКИ И МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ, ВОЗБУЖДАЕМЫЕ В ЗАМАГНИЧЕННОЙ ПЛАЗМЕ мощными РАДИОИМПУЛЬСаМИ Н.А. Айдакина, М.Е. Гущин, И.Ю. Зудин, С.В. Коробков, А.В. Костров, А.В. Стриковский ИПФ РАН, Нижний Новгород mguschin@appl.sci-nnov.ru

2. Актуальность проблемы • Объяснение результатов геофизических исследований, в которых наблюдаются квазистационарные (импульсные или низкочастотные) возмущения магнитного поля, коррелирующие со всплесками естественных узкополосных излучений высокой интенсивности • Прогноз нелинейных эффектов, развивающихся при проведении экспериментов по активному радиочастотному воздействию на околоземную плазму • Для организации контролируемых высыпаний энергичных электронов («чистка» радиационных поясов Земли) обсуждаются запуски ИСЗ с мощными передатчиками килогерцового диапазона на борту (~5кГц, P ~ 5 кВт) • U. Inan, T.F. Bell, J. Bortnik, and J.M. Albert. J. Geophys. Res., 108, SMP6 (2003)

3. Актуальность проблемы • Создание в околоземной плазме протяженных излучающих токовых структур для генерации низкочастотных волн (1Гц … 10 кГц), прямое возбуждение которых с борта КА или с поверхности Земли малоэффективно • Проблема “Ionospheric Current Drive”:объяснение эффектов генерации низкочастотных токов и магнитных полей в экспериментах по активному радиочастотному воздействию на ионосферу в условиях, когда не работают традиционные механизмы (нет эффекта Гетманцева, нет поглощения в окрестности плазменного резонанса) • K.Papadopoulos, Ionospheric Current Drive at Low Frequencies (Invited), American Geophysical Union, Fall Meeting 2009, abstract #SA11B-01

4. Актуальность проблемы • Фундаментальный интерес: при умеренных (дорелятивистских) интенсивностях электромагнитного излучения генерация квазистационарного магнитного поля (или возмущений внешнего магнитного поля в замагниченной плазме) – самый быстрый нелинейный эффект • «Магнитная» нелинейность характеризуется меньшей инерцией, чем стрикционная и тепловая нелинейности; создание (или перераспределение) магнитного поля в плазме не всегда сопровождается перераспределением плазмы или ее нагревом. Теоретический анализ: В.И. Карпман, ЖЭТФ, 89, 71 (1985) и т.д. Экспериментальные наблюдения:НЕТ!

5. Цели работы • Обнаружение квазистационарных магнитных полей (КМП), возбуждаемых при взаимодействии пространственно-неоднородного интенсивного ВЧ излучения со слабостолкновительной замагниченной плазмой, и выявление ключевых физических механизмов, отвечающих за генерацию КМП • Экспериментальное исследование мелкомасштабной и крупномасштабной динамики КМП, возбуждаемых в плазме импульсной ВЧ накачкой • Лабораторное моделирование процессов параметрической генерации НЧ волн при взаимодействии с плазмой интенсивного ВЧ излучения с модуляцией интенсивности за счет «магнитной» нелинейности • Формулировка предложений по постановке активных экспериментов в околоземной плазме

6. Стенд «Крот» (ИПФ РАН, Нижний Новгород)

7. Стенд «Крот» (ИПФ РАН, Нижний Новгород)

8. Стенд «Крот» Преобразование спектра электромагнитного излучения в нестационарной магнитоактивной плазме: А.В. Костров и др., Письма в ЖЭТФ, 7, 1026 (2003) М.Е. Гущин и др., ЖЭТФ, 126, 1123 (2004) M.E. Gushchin et al., Advances in Space Research, 42, 979 (2008) V.E. Shaposhnikov et al., Journal of Geophysical Research, A116, A0325 (2011) Распространение низкочастотного излучения в неоднородной плазме: М.Е. Гущин и др., Письма в ЖЭТФ, 81, 274 (2005) M.E. Gushchin et al., Physics of Plasmas, 15, 023504 (2008) Диагностика плазмы: И.Г. Кондратьев и др., Физика плазмы, 28, 977 (2002) Д.В. Янин и др., ЖТФ, 78, 133 (2008) Антенны в плазме: М.Е. Гущин и др., Письма в ЖТФ, 32, 18 (2006) С.В. Коробков и др., Физика плазмы, 33, 120 (2007) M.E. Gushchin et al., Physics of Plasmas,15, 053503 (2008) В.А. Колданов и др., Физика плазмы, 37 (2011) Лабораторное моделирование электродинамических параметров бортовых антенн космических аппаратов: M.E. Gushchinet al., Proceedings of the 18th Topical Conference on Radio Frequency Power in Plasmas (RF2009), Belgium, Gent, June 24-26, 2009 (ed. V Bobkov and J.-M. Noterdaeme, Melville, New York, 2009), p.659-666

9. Стенд «Крот» Генерация квазистационарных магнитных полей и низкочастотных волн при взаимодействии интенсивного электромагнитного излучения с плазмой: М.Е. Гущин, С.В. Коробков, А.В. Костров, А.В. Стриковский, Письма в ЖЭТФ, 88, 752 (2008) М.Е. Гущин, С.В. Коробков, А.В. Костров, Д.А. Одзерихо, С.Э. Привер, А.В. Стриковский, Письма в ЖЭТФ, 92, 89 (2010) Н.А. Айдакина, М.Е. Гущин, И.Ю. Зудин, С.В. Коробков, А.В. Костров, А.В. Стриковский, Письма в ЖЭТФ,93, 555 (2011)

10. Описание эксперимента Накачка:f<< fpe; f < fce – свистовый диапазон частот, fce < f << fpe – область непрозрачности плазмы для электромагнитного излучения Система измерения КМП: чувствительность лучше 10-5 Гс (1 нТл) при характерных временах изменения КМП 100 нс – 10 мкс

11. Экспериментальные результаты 1. Генерация КМП в резонансном режиме взаимодействия ВЧ поля с замагниченной плазмой: электронно-циклотронный резонанс (ЭЦР) Диамагнитный эффект – ослабление внешнего магнитного поля в области плазмы, занятой ВЧ полем накачки (а) Осциллограмма импульса накачки (b)Осциллограмма возмущения магнитного поля DB(t), обусловленного диамагнитным эффектом в условиях ЭЦР Возмущение магнитного поля DB (мГс) в зависимости от отношения частоты импульса накачки fк электронной циклотронной частоте fce.

12. Экспериментальные результаты 1. Генерация КМП в резонансном режиме взаимодействия ВЧ поля с замагниченной плазмой: электронно-циклотронный резонанс (ЭЦР) Диамагнитный эффект – ослабление внешнего магнитного поля в области плазмы, занятой ВЧ полем накачки Ускорение электронов в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР), т.е. при совпадении частоты накачки fс электронной циклотронной частотой fceи ее гармоникамиnfce Набор электронами поперечной энергии при пролете ближней зоны антенны Увеличение магнитного момента электронов Диамагнитный эффект

13. Экспериментальные результаты 2. Генерация КМП в нерезонансном режиме взаимодействия ВЧ поля с плазмой: усредненная пондеромоторная сила Парамагнитный эффект – усиление внешнего магнитного поля в области плазмы, занятой ВЧ полем накачки «Медленная» составляющая КМП «Быстрая» составляющая КМП • Осциллограмма импульса накачки • Неинтегрированный сигнал с магнитного зонда • Зависимость КМП от времени; возмущение концентрации плазмы

14. Экспериментальные результаты 2. Генерация КМП в нерезонансном режиме взаимодействия ВЧ поля с плазмой: усредненная пондеромоторная сила 2.1. Объяснение «медленной» составляющей КМП Продольная (аксиальная) пондеромоторная сила: Перераспределение плазмы в области сильного ВЧ поля DB = - (b /2)B0 (Dn/ne) Появление некомпенсированного тока намагничивания b = 8pneTe / B02 Добавочное магнитное поле (КМП)

15. Экспериментальные результаты 2. Генерация КМП в нерезонансном режиме взаимодействия ВЧ поля с плазмой: усредненная пондеромоторная сила 2.2. Объяснение «быстрой» составляющей КМП Поперечная (радиальная) пондеромоторная сила: Пондеромоторный потенциал для квазипродольных свистовых волн: Дрейфовый (азимутальный) ток электронов: Закон Ампера: Показатель преломления квазипродольных свистовых волн: Продольное (аксиальное) возмущение магнитного поля: При B0 ~ 100 Гс, |Bpump| ~ 5 x 10–2 Гс DBz ~ 10–5Гс Оценка согласуется с результатами экспериментов

16. Экспериментальные результаты 2. Генерация КМП в нерезонансном режиме взаимодействия ВЧ поля с плазмой: усредненная пондеромоторная сила 2.3. Поперечная структура КМП и квазистационарных токов Поперечные распределения аксиальной (Bz)и азимутальной (By) компонент КМП, возбуждаемых на расстоянии z = 3.5см от плоскости ВЧ рамочной антенны, и отвечающих за их генерацию компонент нелинейного тока, восстановленных из закона Ампера Возбуждается сложная система квазистационарных электронных токов, имеющих поперечную (азимутальную) и продольную (аксиальную) компоненты, которые замыкаются по фоновой плазме в области, занятой полем ВЧ накачки, и ее ближайшей окрестности

17. Качественнаякартинаквазистационарных токов,возбуждаемых пространственно-неоднородной ВЧ накачкой в слабостолкновительной замагниченной плазме Дрейфовые электронные токи Продольные токи Возмущения концентрации плазмы Область замагниченной плазмы, занятая ВЧ полем Токи намагничивания Синие стрелки: Продольнаяпондеромоторная сила Красныестрелки: Поперечная пондеромоторная сила

18. Экспериментальные результаты 3. Динамика КМП, возбуждаемых импульсной ВЧ накачкой 3.1. Перенос КМП вдоль внешнего магнитного поля Продольный перенос возмущений магнитного поля происходит со скоростью свистовых волн: Vz = c (f fce)1/2 / fpe, f ~ (длительность фронта накачки)-1 Продольный транспорт магнитного поля – всегда волны (конвекция)

19. Экспериментальные результаты 3. Динамика КМП, возбуждаемых импульсной ВЧ накачкой 3.2. Перенос КМП поперек внешнего магнитного поля ПЛОТНАЯ ХОЛОДНАЯ ПЛАЗМА (ne > 1011см-3, Te ~ 0.5 эВ) Экспериментально полученный коэффициент диффузии как функция температуры электронов Пространственно-временная динамика КМП, возбуждаемого радиоимпульсной накачкой (эксперимент) Поперечный транспорт магнитного поля – диффузия (плотная холодная плазма)

20. Экспериментальные результаты 3. Динамика КМП, возбуждаемых импульсной ВЧ накачкой 3.2. Перенос КМП поперек внешнего магнитного поля РАЗРЕЖЕННАЯ «ТЕПЛАЯ» ПЛАЗМА (ne ~ 1010см-3, Te ~ 1.5 эВ) НЧ возмущения магнитного поля (Bzкомпонента), вызываемые одиночным ВЧ импульсом накачки (P = 250Вт, f = 68.5МГц, t = 500нс), регистрируемые при различных радиальных позициях магнитного зонда. Измерения выполнены на расстоянии z = 48.5см от излучающей антенны. Концентрация плазмы ne = 2 х 1010см-3, магнитное поле B0 = 90 Гс Поперечный транспорт магнитного поля – снова волны!

21. Экспериментальные результаты 3. Динамика КМП, возбуждаемых импульсной ВЧ накачкой 3.3. Теоретическое описание эволюции КМП • fce-1 << Характерный временной масштаб << fci-1 • rce << Характерный поперечный пространственный масштаб << rci РЕЖИМ ЭЛЕКТРОННОЙ (ХОЛЛОВСКОЙ) МАГНИТНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ • ионы неподвижны; • магнитное поле «вморожено» в электронный ток, j = -eneve; • движение электронов сохраняет квазинейтральность плазмы с точностью до небольшого разделения зарядов, поддерживающего холловское электрическое поле (|E| ~ |ve| B0 / c) Уравнение электроннойМГД (ЭМГД) при невозмущенных значениях концентрации однородной фоновой плазмы: Диффузия Конвекция со свистовыми скоростями

22. Экспериментальные результаты 4. Параметрическая генерация НЧ волн (a)бигармоническая ВЧ накачка на биениях попутных волн (b) бигармоническая ВЧ накачка на биениях встречных волн (c)амплитудно-модулированная ВЧ накачка дакт плотности дакт плотности дакт плотности Поперечное распределение концентрации плазмы с дактом пониженной плотности, удерживающим ВЧ волны в режиме волноводного распространения

23. Экспериментальные результаты 4. Параметрическая генерация НЧ волн Модулированный ЭЦР нагрев с помощью антенны диаметром 7 см НЧ сигнал подан непосредственно на ту же антенну Возбуждение НЧ волнового пакета на биениях двух высокочастотных волновых пучков (нелинейность обусловлена поперечной пондеромоторной силой) При модуляции интенсивности ВЧ накачки НЧ волны возбуждаются в очень большой области пространства, фактически – по всему сечению плазменного столба! Поперечная структура НЧ волн, возбуждаемых в столбе замагниченной плазмы

24. Использование полученных результатов 1. Эксперимент по параметрической генерации НЧ волн при воздействии на ионосферную плазму с борта космического аппарата в условиях ЭЦР КА Интеркосмос-19, Космос-1809: ионозонды космического базирования Поток ускоренных электронов в канале E=130эВ f=fpe F.K.Shuiskaya, Yu.I.Galperin, A.A.Serov et al., Planet. Sp. Sci., 38, 173 (1990) f=fce Параметры экспериментов в лабораторной и космической плазме, масштабный коэффициент g=100)

25. Использование полученных результатов 1. Эксперимент по параметрической генерации НЧ волн при воздействии на ионосферную плазму с борта космического аппарата в условиях ЭЦР Система КА «Вулкан» - группировка из 4-х ИСЗ с мощными радиоимпульсными передатчиками на борту, запуск – до 2015 г. (ФЦП «Геофизика») По результатам лабораторного моделирования, выполненного на стенде «Крот», в научную программу КА «Вулкан» возможно включение активного эксперимента по параметрическому возбуждению НЧ волн в ионосфере Земли

26. Использование полученных результатов 2. Объяснение результатов экспериментов по генерации искусственных геомагнитных пульсаций при воздействии КВ излучения на ионосферу Проблема: генерация искусственных магнитных пульсаций амплитудно-модулированным КВ излучением в прозрачной ионосфере без E-слоя (нет эффекта Гетманцева и сильного поглощения в окрестности плазменного резонанса) ICD = Ionospheric Current Drive Спектр искусственных магнитных пульсаций (20 Гц) Эффект генерации КМП дрейфовыми токами, возбуждаемыми под действием поперечной компоненты усредненной пондеромоторной силы, используется для объяснения искусственных геомагнитных пульсаций, возбуждаемых при воздействии на ионосферу мощного КВ излучения

27. Использование полученных результатов 2. Объяснение результатов экспериментов по генерации искусственных геомагнитных пульсаций при воздействии КВ излучения на ионосферу Диаграмма направленности нагревного стенда «Сура» Расчетные распределения КМП в лучах нагревных стендов «Сура» и «HAARP» (Д.С.Котик, А.В. Рябов, Е.Н. Ермакова и др.) Рассчитанные для нагревных стендов «Сура» и «HAARP» абсолютные значения магнитных полей, возбуждаемых дрейфовыми токами, в области источника (максимум F-слоя ионосферы) очень велики: до 30 нТл!

28. Заключение • Экспериментально исследована генерация квазистационарных магнитных полей (КМП) и токов при взаимодействии пространственно-неоднородных ВЧ полей с замагниченной слабостолкновительной плазмой; обнаружено несколько механизмов генерации КМП, а именно: • резонансное ускорение электронов плазмы; • генерация дрейфовых электронных токов под действием поперечной пондеромоторной силы; • изменение внешнего магнитного поля за счет стрикционного вытеснения плазмы под действием продольной пондеромоторной силы. • На основе механизмов «магнитной» нелинейности плазмы предложены методы параметрической генерации НЧ волн. Модельные эксперименты показывают, что в параметрической схеме возбуждения НЧ волны могут возбуждаться в существенно большей области пространства, чем при их прямой генерации с помощью компактных антенн, занимая, фактически, весь объем плазмы в лабораторной установке. • По результатам лабораторного моделирования, выполненного на стенде «Крот», предложен способ параметрической генерации НЧ волн с борта ионосферного космического аппарата. Полученные результаты используются для объяснения эффектов генерации КМП в экспериментах по нагреву ионосферы амплитудно-модулированным КВ излучением.

29. Спасибо за внимание!