Геофизическая электродинамика

Данное междисциплинарное направление объединяет натурные эксперименты, лабораторное моделирование и теоретические исследования, связанные с изучением фундаментальных проблем электродинамики атмосферы и ближнего космоса. Общей и сравнительно новой проблемой геофизической электродинамики является проблема электрического динамо – генерации крупномасштабного электрического поля в слабопроводящей среде, в том числе в дисперсных многофазных средах, в пылевой и аэрозольной плазме с учетом турбулентности. Большой интерес в последнее время привлекают исследования взаимодействия геосферных оболочек, динамики атмосферного электричества в условиях изменяющегося климата. Особое внимание во всем мире уделяется проблемам формирования глобальной электрической цепи в атмосферах Земли и других планет Солнечной системы, а также выявления связи электрических явлений с особенностями солнечной активности, радиационного режима, общей циркуляции и гидрологического цикла планет.

В ИПФ РАН развитие данного направления было инициировано работами В. Ю. Трахтенгерца, Ю. В. Чугунова, П. А. Беспалова, А. В. Кострова, С. В. Голубева, в последнее время активно развивается, прежде всего, в отделе геофизической электродинамики и в секторе ионосферной и магнитосферной плазмы. В последние годы сотрудниками ИПФ (Е. А. Мареев, Д. И. Иудин, Ю. В. Шлюгаев, В. В. Клименко, С. С. Давыденко, А. В. Калинин, Н. А. Богатов и др.) в широкой российской и международной кооперации получен ряд новых результатов.

• Впервые найдены и включены в климатическую модель высокого разрешения (совместно с ИВМ РАН) параметризации основных генераторов глобальной электрической цепи – квазистационарных токов электрически активных облаков. Модельные расчеты ионосферного потенциала для эпохи инструментальных наблюдений продемонстрировали суточную и сезонную изменчивость, хорошо соответствующую наблюдаемым. Показано, что при развитии глобального потепления в типичных сценариях роста содержания парниковых газов в атмосфере ионосферный потенциал должен уменьшаться с уменьшением площади конвекции в тропиках.

  

• Исследована динамика медленных переходных токов молниевых вспышек и роль этих токов в глобальной электрической цепи. Эффективность вспышек «облако – земля», как источников тока в глобальной цепи, существенно зависит от высоты расположения заряда в проводящей атмосфере и изменяется в пределах от 15 до 90%, в интервале высот от 1 до 14 км над землей. Полученные результаты подтверждены прямыми измерениями медленной компоненты электрического поля в натурных условиях.

  

• Предложен и апробирован метод детектирования глобальной частоты грозовых разрядов «облако – земля» по статистическим характеристикам естественного электромагнитного шума в полосе частот 1–30 Гц. Полученная оценка частоты разрядов «облако – земля» (10–30 с^-1) в 3–5 раз меньше характерной частоты детектируемых на ИСЗ оптических вспышек и согласуется с известным средним соотношением между частотой разрядов «облако – земля» и внутриоблачных разрядов. Последовательная во времени активизация грозовых центров сопровождается увеличением частоты разрядов, но не их средней мощности. Предложенный метод позволяет оперативно измерять количественные характеристики молниевой активности в глобальной токовой цепи и оценивать ее отклик на внешние воздействия, такие как форбуш-понижения потока космических лучей во время солнечных вспышек.

  

• Совместно с Геофизической обсерваторией «Борок» ИФЗ РАН проведены обширные исследования короткопериодных пульсаций электрического поля, тока и пространственно-временных структур в пограничном слое атмосферы. Изучены закономерности формирования и эволюции аэроэлектрических структур в приземном слое в условиях хорошей погоды и тумана. Частота образования аэроэлектрических структур в пограничном слое является количественным показателем интенсивности начальной стадии конвекции, что дает возможность использовать простые дистанционные измерения для совершенствования прогноза и изучения климатологии конвективной облачности в атмосфере.
• По результатам наземных и баллонных измерений построена модель распределения электрического поля и тока в окрестности мощных грозовых комплексов – мезомасштабных конвективных систем с горизонтальными размерами от десятков до сотен километров. Вклад таких систем в глобальную электрическую цепь более чем на порядок превосходит вклад одиночных гроз и в зависимости от внутренней структуры комплекса может приводить и к поддержанию, и к релаксации ионосферного потенциала.
• Развита теория генерации интенсивных слоев положительного заряда в нижней части слоисто-дождевых облаков и мезомасштабных конвективных систем, обусловленной электризацией ледяных частиц при их таянии вблизи нулевой изотермы. Выявлен значимый вклад этих слоев в квазистационарный ток глобальной атмосферной электрической цепи и его вариации с периодами от долей секунды до десятков секунд.
• Разработаны модели инициации разрядов в средней атмосфере – спрайтов и гало – и плазменно-химические модели для описания эффектов влияния спрайтов и гало на уровень ионизации и состав нижней ионосферы.
• Реализовано лабораторное моделирование спектров электрогазодинамической (ЭГД) турбулентности конвективного облака в слабоионизованной аэрозольной среде. Предложено использовать методику измерения спектров ЭГД-турбулентности для диагностики компактных областей сильного поля в грозовых облаках, что необходимо для изучения проблемы инициации молнии.
• С целью разработки эффективного лазерного метода управления молниевыми разрядами исследован механизм инициации разряда в постоянном электрическом поле с помощью плазменного канала, создаваемого в воздухе мощным фемтосекундным лазерным импульсом.

Некоторые последние достижения в области электродинамики ближнего космоса связаны с быстрым прогрессом спутниковых и ракетных экспериментов. Но лабораторное моделирование остается важным и даже необходимым инструментом для изучения ряда проблем. Это относится, в частности, к исследованиям физических процессов, развивающихся при возбуждении, распространении и взаимодействии интенсивного электромагнитного излучения с замагниченной плазмой, к эффектам генерации постоянных токов и магнитных полей, к формированию самосогласованных плазменно-полевых структур. Особенно полезными оказываются лабораторные эксперименты при моделировании эффектов активного воздействия на ионосферную и магнитосферную плазму, включая изучение сложнейшего комплекса явлений, развивающихся при нагреве ионосферы мощным радиоизлучением КВ-диапазона.

На плазменных стендах «Крот» и «Ионосфера» (А. В. Костров, А. В. Стриковский, М. Е. Гущин, М. В. Стародубцев и др.) получены интересные результаты:

• В экспериментах на крупномасштабном плазменном стенде «Крот» обнаружен эффект генерации квазистационарного магнитного поля в слабостолкновительной замагниченной плазме в пространственно-неоднородном высокочастотном поле свистового диапазона частот. Этот эффект может наблюдаться в активных экспериментах, проводимых в верхней ионосфере и магнитосфере Земли, в частности с использованием мощных передатчиков диапазона ОНЧ на борту ИСЗ и ракет. Учет подобных эффектов важен при планировании активных экспериментов. При периодической модуляции ВЧ-накачки явления генерации квазистационарного магнитного поля могут использоваться для возбуждения свистовых и альфвеновских волн.
• По результатам модельных лабораторных экспериментов, выполненных на стенде «Крот», предложен новый способ параметрической генерации низкочастотных волн электронами замагниченной плазмы, ускоренными в ближнем поле бортовой антенны космического аппарата в условиях электронноциклотронного резонанса.
• Показано, что амплитудная модуляция сигнала, подводимого к антенне, приводит к излучению волн на частоте модуляции в окружающую плазму; при этом протяженная область плазмы с ускоренными электронами выступает в роли параметрической «бестелесной» антенны. Впервые методом ближнепольного СВЧ-зондирования проведены бесконтактные измерения плотности плазмы и электронной частоты столкновений в разряде атмосферного давления. Предложенный метод может использоваться для диагностики параметров плазмы в космических условиях.
• При лабораторном моделировании процессов, приводящих к формированию спектров искусственного радиоизлучения ионосферы (ИРИ), и в ходе активных экспериментов по модификации ионосферной плазмы мощным КВ-радиоизлучением передатчиков наземного базирования показано, что структуры, сходные с главным спектральным максимумом ИРИ, могут наблюдаться в процессе теплового самоканалирования ленгмюровских волн в вытянутых мелкомасштабных плазменных неоднородностях. Предложенная модель была использована для объяснения механизмов генерации новой компоненты ИРИ, обнаруженной в нагревных экспериментах на стенде «Сура».