НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ

ім. О.Я. Усикова

Міліневський Геннадій Петрович

УДК 550.510.535; 550.388

ВзаЄМОДІЯ ШТУЧНИХ газо-плазмОВИХ УТВОРЕНЬ

З атмосфероЮ ЗемлІ

04.00.22 - геофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка, м. Київ

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

академік НАН України

Литвиненко Леонід Миколайович,

Радіоастрономічний інститут НАН України

(м. Харків), директор.

доктор фізико-математичних наук, професор

Таран Віталій Іванович,

Інститут іоносфери НАН України та Міносвіти і науки України (м. Харків), директор.

доктор фізико-математичних наук, професор

Юхимук Адам Корнілович,

Головна астрономічна обсерваторія НАН України (м. Київ), завідувач відділу фізики космічної плазми.

Провідна установа: Харківський національний університет

ім. В.Н.Каразіна Міносвіти і науки України, кафедра космічної радіофізики.

Захист відбудеться 6 грудня 2001 р. об 11-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (61085, м. Харків, вул. Академіка Проскури, 12, у залі засідань).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (61085, м. Харків, вул. Академіка Проскури 12).

Автореферат розісланий 3 листопада 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.Я. Кириченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми: Техногенна діяльність у навколоземному просторі в останні десятиліття значно активізувалася і її вплив на стан "близького" космосу (усе більш часто уживаний термін - "геокосмос") постійно зростає. Тут у даний час працює велика кількість космічних апаратів і систем, що забезпечують потреби теле- і радіокомунікацій, діагностики і прогнозування погоди, транспорту енергії, дистанційного зондування Землі, навігації. Практично постійно в космосі знаходяться населені орбітальні апарати, створюється міжнародна багатофункціональна космічна станція. Це викликає необхідність моніторингу параметрів геокосмосу, довгострокового і короткострокового прогнозування його стану, моделювання фізичних процесів, що відбуваються тут. Такі міжнародні зусилля втілюються в розробці нової наукової концепції нинішнього століття – "космічна погода". Її створення дозволить контролювати, візуалізувати і передбачати стан геокосмосу так само, як погоду поблизу поверхні Землі.

З іншого боку, у результаті активної промислової діяльності навколоземний простір усе більше піддається забрудненню електромагнітним випромінюванням, викидами речовини і плазми, уламками орбітальних апаратів. Порушення екологічного стану середовища відбуваються в результаті запусків космічних апаратів, космічних аварій, роботи двигунів орбітальної корекції, дезінтеграції космічних систем, що відпрацювали. Досить відзначити, що загальна вага довгоживучих уламків у навколоземному просторі на даний час складає близько 3000 т [1]*. Геокосмос нині піддається такому інтенсивному впливу, що виникає проблема ліквідації "космічного сміття". Відзначимо, що поблизу поверхні Землі маса й енергоємність атмосфери досить велика, щоб "згладжувати" наслідки техногенних емісій значних кількостей речовини й енергії. Але на висотах іоносфери навіть незначні викиди можуть приводити до істотної зміни властивостей середовища. Тому розробка наукової методики оцінок впливу на навколоземний простір викидів речовини, плазми, енергії є актуальною.

Діагностика стану навколоземного простору як правило здійснюється за допомогою наземних дистанційних методів зондування, ракетних і орбітальних сенсорів. Серед типових наземних засобів використовуються лідари, іонозонди, загоризонтні локатори сітки SuperDARN, радари некогерентного розсіювання, ріометри, радіотомографи й ін. Для безпосередніх, in situ вимірів параметрів атмосфери й іоносфери застосовуються бортові прилади: ленгмюрівські зонди, мас-спектрометри й інші датчики частинок, електричних і магнітних полів. Усі ці методи є пасивними, що не змінюють стану середовища. В останні десятиліття було розроблено методи активних експериментів у космосі, що дозволяють проводити діагностику геокосмосу за допомогою _______

* - використані джерела

контрольованих, дозованих викидів речовини, плазми, потужних потоків радіовипромінювання.

Активні експерименти дають можливість використовувати навколоземний простір як гігантську “природну лабораторію”, де можна вирішувати фундамен-

тальні задачі фізики плазми, моделювати багато типів плазмових нестійкостей, розвиток яких неможливо досліджувати в земних умовах. В експериментах створюються штучні, локалізовані в просторі, газо-плазмові утворення, які правлять за активні зонди середовища.

Штучні локалізовані газо-плазмові утворення, слугуючи "трасерами", відображають просторово-часові властивості середовища і є індикаторами стану атмосфери й іоносфери [2-4]*. Використання газо-плазмових утворень для "модифікації" параметрів атмосфери й іоносфери дозволило промоделювати штучні полярні сяйва, викиди в атмосферу великих кількостей нейтрального газу, плазми, плазмогасячих сумішей під час стартів ракет, тригерні явища в іоносфері [5-7]*. Досліджено процеси дифузії і нейтральні вітри у верхній атмосфері [4]*, параметри і спряженість геомагнітних силових ліній [8, 9]*, проведено експериментальне моделювання розвитку плазмових нестійкостей і іоносферних неоднорідностей, виконано вимірювання електричних полів в іоносфері [10]*. Виникла необхідність розглянути самі активні експерименти як джерела екологічного забруднення геокосмосу продуктами інжекції. Однак порівняння кількості інжектованої в дослідницьких цілях речовини з масою в десятки тон продуктів згоряння, що викидається в атмосферу під час запусків великих ракет [1, 6, 11]*, показує, що впливом дослідницьких викидів на навколоземний простір можна знехтувати.

До недостатньо досліджених питань можна віднести еволюцію великомасштабних плазмових структур в іоносфері. Залишається відкритим питання про існування механізму критичної альвенівської іонізації, немає експериментальної інформації про поведінку великомасштабних електричних полів в іоносфері. Мало вивчено також початкову фазу динаміки газо-плазмових утворень з властивою для неї різкою зміною стану речовини і навколишнього середовища [12]*. Існуючі моделі не відтворюють всіх особливостей поведінки штучних плазмових неоднорідностей, зокрема динаміки стратифікації іонної барієвої хмари [10, 13]*.

Для діагностики параметрів штучних газо-плазмових утворень успішно використовувалися оптичні засоби спостережень [14-16]*. Однак існуючі на той час оптичні системи реєстрації вже не відповідали вимогам нових програм досліджень у навколоземному космосі. Були недостатніми чутливість і часова роздільна здатність для досліджень швидкоплинних процесів у початковій фазі інжекції. Не були розвинуті методики калібрування й обробки результатів оптичних вимірів, не відпрацьовано методику й апаратуру спектральних вимірів. Недостатньо розробленою була методика комплексних багатопозиційних оптичних спостережень, не існувало мобільних комплексів апаратури для забезпечення корабельних експериментів.

Зважаючи на стан вирішення вищевказаних проблем, в дисертації розроблено наукову концепцію комплексного використання штучних газо-плазмових геофізичних утворень в активних експериментах для діагностики навколоземного простору, моделювання фізичних процесів активної взаємодії нейтральних потоків газу і плазми з атмосферою Землі в рамках єдиного підходу, що об'єднує три головних напрямки:

1. Використання газо-плазмових утворень в якості маркерів для досліджень динаміки природних процесів у навколоземній плазмі.

2. Моделювання техногенного впливу на середовище, що виникає в процесі експлуатації навколоземного простору ракетно-космічними системами.

3. Дослідження динаміки штучних та природних локалізованих газо-плазмових утворень і їх взаємодії з атмосферою Землі.

В рамках першого і третього напрямків розв'язуються задачі моделювання природних фізичних процесів на мікро і макрорівнях (взаємодія частинок, хвиль, плазмові нестійкості, великомасштабні електричні і магнітні поля, полярні сяйва та ін.), отримання інформації про властивості навколоземного простору в спокійних і збурених умовах, а також розвиток методів візуалізації процесів в інтересах створення концепції "космічної погоди". Зокрема, в дисертації розглянуто моделювання розвитку в штучних утвореннях в іоносфері плазмових нестійкостей типу градієнтно-дрейфової та виникнення звукових коливань - процесів, які мають місце в природних умовах геокосмосу.

Відповідно до задач другого напрямку проводиться моделювання роботи стартових і маршових двигунів, бортових прискорювачів частинок, згоряння уламків в густих шарах атмосфери, створення штучних плазмових антен, викидів газо-плазмових відходів зварних технологій, вибухів у космосі для вирішення проблеми "космічного сміття" з метою прогнозування можливих наслідків дії на атмосферу великої кількості запусків ракет і вибухів в навколоземному космосі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до планів науково-дослідних робіт Київського національного університету ім. Тараса Шевченка та Українського антарктичного центру в період 1982-2001 р. Дослідження, що складають зміст даної дисертації, були здійснені в рамках наступних наукових програм і науково-дослідних робіт: (1) "Дослідження штучних геофізичних утворень і явищ в іоносфері Землі за допомогою комплексу радіофізичних і оптичних засобів ("Радон", 1982-1983, 01820072687) – науковий керівник теми; (2) "Дослідження нестаціонарних процесів в іоносфері та магнітосфері Землі" (1992-1995, 0193U044513) - відповідальний виконавець теми; (3) "Природні та штучні збурення в іоносфері" (1994-1996, 0194U018147); (4) комплексна наукова програма з астрономії "Фізичні та метричні властивості Всесвіту, його походження та еволюція", (1997-2001, 0197U003061).

Роботи, що проводилися за тематикою Міністерства освіти та науки України в рамках "Державної програми досліджень України в Антарктиці" (Постанова Кабінету Міністрів України № 719 від 4 липня 1996 р.).

Міжнародні програми активних експериментів у навколоземному космосі АРАКС, CRRES.

Автор також був науковим керівником науково-дослідних тем, що виконувались з Інститутом прикладної геофізики за програмою "Активні експерименти і антропогенні ефекти в іоносфері" (1986-1992 рр.) [19]*.

Мета і задачі дослідження. Навколоземний космічний простір, атмосфера й іоносфера Землі складають об'єкт досліджень дисертаційної роботи. Предмет досліджень - штучні і природні локалізовані газо-плазмові геофізичні утворення, як інструмент діагностики навколоземного космічного простору і вивчення механізмів взаємодії газо-плазмових утворень з атмосферою Землі й іоносферною плазмою. Методи досліджень – оптична реєстрація газо-плазмових утворень за допомогою розробленого діагностичного комплексу апаратури в поєднанні з іншими методами дистанційних і бортових вимірювань, визначення кількісних характеристик зареєстрованого оптичного сигналу шляхом фотометричної, триангуляційної і спектральної обробки, фізичне моделювання динаміки локалізованих газо-плазмових утворень.

Метою роботи є виявлення закономірностей взаємодії газо-плазмових утворень з іоносферою й атмосферою Землі, розробка методів діагностики навколоземного космічного простору для розв'язання задач фізики іоносферної плазми, визначення кількісних характеристик динаміки й еволюції штучних газо-плазмових утворень, використання отриманих результатів для моделювання процесів, обумовлених природними та техногенними причинами.

Задачі дослідження: 1. Розробити методику комплексних вимірювань і створити багатопозиційний комплекс оптичної апаратури (телевізійної, електрофотометричної, спектральної і фотографічної), методики калібрування й обробки даних для дослідження ефектів інжекції газо-плазмових утворень в іоносфері.

2. Виконати серії комплексних оптичних вимірювань в активних експериментах у середньоширотній і екваторіальній іоносфері для дослідження динаміки й еволюції локалізованих газо-плазмових утворень у геокосмосі.

3. Узагальнити дані експериментальних вимірювань та розробити моделі релаксації локалізованих газо-плазмових утворень і їхньої взаємодії з іоносферною плазмою і вивчити: а) дрібномасштабні поверхневі і внутрішні нестійкості, зв'язані з формуванням газо-плазмових утворень і їх швидкою початковою динамікою; б) повільну еволюцію газо-плазмових утворень (дрейф, дифузію, рекомбінацію, електричні поля); в) іоносферну і магнітосферну конвекцію, великомасштабні електричні поля в експериментах з довгоживучими газо-плазмовими утвореннями.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі розвинуто комплексний підхід до досліджень атмосфери й іоносфери Землі методами активних експериментів з використанням ракетної і супутникової техніки та дистанційної оптичної діагностики штучних утворень в навколоземному космосі.

Запропоновано і реалізовано нову методику оптичних вимірювань в активних експериментах в геокосмосі, що базується на синхронній багатопозиційній реєстрації практично всіх оптичних і просторово-часових характеристик об'єктів, що досліджуються, у видимому діапазоні спектру.

Розроблена методика включає нові засоби калібрування оптичного сигналу, які підвищують точність вимірювань і забезпечують сучасний рівень оптичних досліджень. Методика має переваги для вивчення тонких оптичних ефектів у порівнянні з подібними дослідженнями в інших країнах.

Уперше виявлено і вивчено нові властивості газо-плазмових утворень, не прогнозовані існуючим станом досліджень, що ініціювало розвиток і створення нових теоретичних моделей: а) розвиток поверхневих хвиль іонної хмари в F-шарі, б) надтонка структура стратифікації іонної хмари, в) формування квазіперіодичної структури в початковій фазі еволюції барієвої хмари, г) поширення високошвидкісного фронту світіння при інжекції пари барію з орбітальними швидкостями.

Вперше розроблено та створено багатопозиційний комплекс апаратури, що забезпечив отримання повної інформації в оптичному діапазоні – зображень штучних газо-плазмових утворень, фотометричних перерізів в окремих спектральних лініях, геометричних параметрів, динаміки штучних газо-плазмових утворень як під час процесів на початковій фазі інжекції, так і в періоди повільної еволюції.

Завдяки новому підходу відтворювався вичерпний "оптичний портрет" плазмового (нейтрального) утворення і простежувалась його еволюція. Для визначення кількісної інформації із даних спостережень були розроблені методики обробки, що дозволяють отримувати енергетичні, динамічні, геометричні параметри газо-плазмових утворень.

Побудовано нові двовимірну та тривимірну моделі стратифікації плазмових хмар, виникнення страт і їхньої еволюції, результати чисельного моделювання на основі розроблених моделей пояснюють динаміку стратифікації, що спостерігається. Цикл модельних побудов представляє сукупність не досліджених раніше динамічних процесів еволюції газо-плазмових утворень в широкому діапазоні початкових енергетичних впливів, просторових і часових масштабів штучно створених неоднорідностей.

Вперше зареєстровано довгоживучі штучні плазмові неоднорідності в оптичному діапазоні. Це явище дозволяє провести якісно нові експерименти з дослідження процесів великомасштабної конвекції в іоносферній F- області.

Запропоновано новий підхід до штучно інжектованих утворень в іоносфері з екологічних позицій, коли штучні утворення розглядаються як сторонні домішки, що забруднюють середовище. Це дозволяє за результатами досліджень часу життя штучних викидів в іоносфері вивчати ефекти впливу на навколоземне середовище ракетно-космічної техніки та іншої технологічної діяльності в геокосмосі.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати можуть використовуватись для вивчення й освоєння космічного простору при розв'язанні прикладних і фундаментальних задач фізики іоносфери і навколоземної плазми.

Теоретичні розробки та модельні побудови, пояснюють сукупність не досліджених раніше процесів взаємодії газо-плазмових утворень з іоносферою, можуть використовуватись для інтерпретації нових явищ в галузі фізики іоносферних неоднорідностей. Наприклад, модель стратифікації барієвого плазмового утворення добре описує результати експериментів серії "Спурт-АЕ", моделювання початкової фази інжекції барію з орбітальними швидкостями в експериментах CRRES дозволяє пояснити утворення філаментації, що спостерігається.

Створені комплекси оптичної апаратури забезпечували дослідження характеристик газо-плазмових утворень в іоносфері при наземних і корабельних спостереженнях, а також при спостереженнях з борту літака-лабораторії. Комплекс успішно використано в 40 ракетних та супутникових експериментах, з них у 21 експерименті - з борту науково-дослідного судна. Таке широке використання розробленої апаратури і методів оптичних вимірів істотно підвищує ефективність досліджень навколоземного простору в активних експериментах.

Комплекс апаратури, результати оптичних досліджень штучних геофізичних об'єктів та рекомендації з проведення подальших активних експериментів впроваджені в Інституті прикладної геофізики Держкомгідромету СРСР (акт від 10.09.1989 р.)

Розроблені методи, апаратура й отримані результати можуть бути використані для досліджень і контролю екологічного стану навколоземного простору.

Досвід розробки апаратури оптичних досліджень в активних експериментах використовується для створення нових приладів дистанційного зондування верхньої атмосфери в Антарктиці, у нових космічних проектах України (“Інтербол”, “Попередження”).

Методики обробки оптичних даних та ряд розроблених оптичних пристроїв використовуються в навчальному процесі на кафедрі астрономії та фізики космосу Київського національного університету ім. Тараса Шевченка.

Результати роботи можуть використовуватись під час організації і проведення нових експериментів у космосі, для вивчення авроральних явищ, досліджень процесів обміну енергією між шарами атмосфери.

Розроблений комплексний підхід в дослідженнях атмосфери й іоносфери Землі методами дистанційної діагностики в оптичному діапазоні спектру використовується при плануванні та виконанні завдань Державної програми досліджень України в Антарктиці на 2002-2010 рр. (Розпорядження Кабміну України № 422-р від 13 вересня 2001 р.).

Довгоживучі штучні плазмові неоднорідності можуть використовуватись для проведення якісно нових експериментів в верхній атмосфері з метою дослідження процесів великомасштабної конвекції в F- області.

Особистий внесок здобувача. 1. Розробка концепції і методики оптичних вимірювань в експериментах, наукове керівництво, розробка і виготовлення апаратури оптичного комплексу, організація підготовки і проведення експедиційних оптичних спостережень, постановка завдань, планування і розробка схем проведення експериментів [2, 8, 9, 11, 23, 30].

2. Формулювання принципів, задач і участь у розробці методик калібрування й обробки результатів вимірювань [27, 28, 29].

3. Організація й особиста участь у проведенні телевізійних, спектральних і фотометричних вимірювань, обробці й інтерпретації результатів експериментальних досліджень [1, 5, 6, 7, 14, 16, 19, 26, 31, 33, 34].

4. Постановка задач і участь у дослідженнях характеристик нових ефектів взаємодії газо-плазмових утворень з атмосферою [3, 4, 10, 12, 18].

5. Експериментальне виявлення, визначення характеристик і інтерпретація явища довгоживучих штучних плазмових утворень в іоносфері [20, 21, 24].

6. Розробка програм та постановка завдань теоретичних досліджень, участь у побудові моделей і теоретичному узагальненні особливостей взаємодії газо-плазмових утворень з атмосферою й іоносферою [13, 15, 22, 25, 32].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації заслухані й обговорені на: Всесоюзних розширених семінарах з магнітосферно-іоносферних зв'язків (Мурманськ, 1983 р.; Апатити, 1986 р.), VІІІ Всесоюзній конференції "Динаміка розріджених газів" (Москва, 1985 р.); III і V Всесоюзних нарадах по дослідженню динамічних процесів у верхній атмосфері (Обнінськ, 1979 і 1985 рр.); XXVI Plenary Meetіng COSPAR (France, 1986); Міжнародному симпозіумі "Полярні геомагнітні явища" (Суздаль, 1986 р.); 17-му Семінарі по полярних сяйвах і світінню нічного неба (Апатити, 1987 р.); Другому симпозіумі ГЛОБМЕТ (Казань, 1988 р.); 7-й і 8-й Всесоюзних науково-технічних конференціях ВНДІ ОФВ (Москва, 1988 і 1990 рр.); Міжнародному симпозіумі "Оптичні емісії середньої і верхньої атмосфери”, (Болгарія, 1989 р.); Third Symposium on Artificial Modification of the Ionosphere, (USSR, 1991); The Annual European Meetіngs on Atmospherіc Studіes by Optіcal Methods (Sweden, 1992; Russia, 1993; United Kingdom, 1994; Finland 1995; Ukraine, 1996; Germany, 1999); Моделювання космічних явищ у лабораторній плазмі (Росія, 1992); Іnternatіonal Symposіum on Hіgh Latіtude Optіcs (Norway, 1993); Іnternatіonal Semіnar on Space Plasma Physіcs (Ukraіne, 1993); International Symposium "From solar corona into Earth's magnetosphere: Interball" (Ukraine, 2000); The First Ukrainian Antarctic Meeting (Київ, 2001).

Публікації. За матеріалами, що ввійшли до дисертації опубліковано 34 роботи (серед них: статей у наукових журналах – 26, тез конференцій – 5, авторських свідоцтв - 2, патент – 1).

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, огляду літератури, шести тематичних розділів, 22 таблиць і 137 рисунків (на 31 стор.), висновків, списку використаних джерел із 276 найменувань на 28 сторінках, чотирьох додатків. Обсяг основного тексту складає 290 стор., повний обсяг дисертації складає 418 стор. Дисертацію написано російською мовою.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Вступ. У вступі обґрунтовано актуальність роботи, виконано постановку наукових проблем, на вирішення яких спрямовано дисертаційну роботу. Сформульовано мету, наукову новизну, методи досліджень. Коротко наведені зміст розділів дисертації, основні результати.

Перший розділ містить огляд сучасного стану проблеми досліджень навколоземного космічного простору методами активних експериментів. Активними експериментами в ближньому космосі прийнято називати такі впливи на навколоземний простір, у яких виконуються контрольовані дозовані викиди речовини. При цьому речовина або є маркером параметрів навколоземного космосу (подібно до поплавця на воді для реєстрації хвиль), або істотно змінює фізико-хімічні властивості обмежених областей простору. За процесами релаксації такого збурення здійснюється діагностика параметрів навколоземного простору [8, 10]*.

Звернено увагу на екологічні наслідки запусків ракет [17]*, вивчення яких може здійснюватись також методами активних експериментів.

Одним із найбільш інформативних і наочних методів у дослідженнях неоднорідностей в активних експериментах є оптичний метод діагностики. У перших експериментах оптичні спостереження проводилися розрізненою апаратурою і вдавалося одержувати обмежену інформацію в оптичному діапазоні [5]*. Виникла нагальна потреба в комплексних вимірюваннях максимальної кількості оптичних параметрів – динаміки просторових розмірів, яскравості, спектральних і фотометричних характеристик газо-плазмових утворень [18]*.

Обсяг і рівень проведених у різних країнах досліджень методами активних експериментів, розгортання вітчизняних програм привели до необхідності розробки концепції комплексного використання штучних газо-плазмових геофізичних утворень в активних експериментах для діагностики навколоземного простору, моделювання фізичних процесів активної взаємодії нейтральних потоків газу і плазми з атмосферою Землі в рамках єдиного підходу, забезпечення оптичних вимірювань характеристик газо-плазмових утворень і досліджень їхньої динаміки. Ці складові є основою проблеми, що вирішена при виконанні даної роботи.

В другому розділі викладено результати створення апаратурних комплексів для оптичних вимірювань в активних експериментах, розглянуто задачі оптичних спостережень і вимоги до апаратури комплексу, що випливають з властивих для газо-плазмових утворень діапазонів зміни яскравості, спектральних характеристик, розмірів і динаміки.

Починаючи з 1983 року за програмою "Активні експерименти й антропогенні ефекти в іоносфері" [19]* під керівництвом і за участю автора було розроблено і створено низку модифікацій оптичного діагностичного комплексу, що включали телевізійну, електрофотометричну, спектральну і фотографічну апаратуру (рис. 1), і розміщувалися в двох чи більше пунктах спостережень, рознесених на десятки кілометрів, а також у літаку-лабораторії та на науково-дослідному судні.

Рис. 1. Склад основного і двох виносних пунктів оптичних спостережень: ТВ - телевізійні камери, СЕФ - скануючі електрофотометри, ВКУ - відеоконтрольний пристрій, ССП – скануючий спектрометр, РФК - кіно-камери для зйомки з екрана ВКУ, УН - пристрій для наведення; Зеніт, Салют, НАФА - фотокамери

Кожен оптичний комплекс розроблявся з урахуванням прогнозованих особливостей оптичних явищ, що виникають в експериментах з інжекцією різних речовин з борту ракет і ШСЗ, а також накопиченого в ході таких експериментів досвіду. Постійне поліпшення параметрів комплексу дозволило істотно підвищити ефективність оптичних спостережень, що відбилося на якості отриманого експериментального матеріалу і пріоритетності проведених досліджень.

Наземний комплекс оптичних приладів призначено для роботи у видимому діапазоні довжин хвиль - 400-800 нм. Область спектру, що досліджується, і типи об'єктів, які реєструються, визначають підхід до вибору приймачів випромінювання. Основу комплексу склали високочутливі приймачі зображень, їхні модифікації для реєстрації спектрів, електрофотометри.

Штучні газо-плазмові утворення, які формуються в іоносфері в активних експериментах, є специфічним класом оптичних об'єктів. Вони характеризуються великим діапазоном зміни поверхневої яскравості – у 102 – 103 разів (до 60 дБ), починаючи від найнижчого рівня - фонового світіння нічного неба, великим діапазоном кутових розмірів (від декількох градусів до ~50°), відносно швидкими (0.1 с) змінами яскравості і просторових характеристик. Вивчення оптичних характеристик газо-плазмових утворень поставило низку принципових вимог до створюваної апаратури і методики спостережень, серед яких найважливішими є:

- забезпечення комплексних вимірювань (телевізійних, спектральних, фотометричних) оптичних характеристик штучних іоносферних утворень, оскільки тільки поєднання даних, отриманих різними методами, дозволяє одержати найповнішу достовірну сукупність спектрально-яскравісних параметрів зображень газо-плазмових утворень;

- проведення тріангуляційних спостережень для одержання даних про просторову структуру і положення газо-плазмових утворень;

- можливість застосування комп'ютерної обробки результатів оптичних спостережень для формалізації процесу обробки і використання нових методів аналізу і реконструкції зображень;

- можливість проведення комплексного аналізу результатів спостережень і модельних оцінок динаміки оптичних характеристик газо-плазмових утворень для прогнозу їхніх оптичних характеристик на різних стадіях розвитку.

Усі ці вимоги враховувалися в процесі розробки і наступної модифікації апаратури оптичного комплексу спостережень.

У розділі наведено параметри, варіанти комплектування і розміщення апаратури, докладно розглянуто організацію багатопозиційних оптичних спостережень, методики спостережень, калібрувань і обробки даних, отриманих у видимому діапазоні. Для бортових вимірювань розроблено інфрачервоний радіометр.

Створений діагностичний комплекс за оптичними характеристиками, складом апаратури і параметрів, що реєструються, не мав аналогів у світі. Комплекс апаратури успішно використаний автором у 40 експериментах з інжекцією газо-плазмових утворень. Таким чином було розв'язано задачу забезпечення оптичних вимірювань за програмою [19]* та в низці експериментів за міжнародною програмою CRRES [20]*.

У третьому розділі представлено результати оптичних спостережень штучних газо-плазмових хмар в іоносфері, утворених у ракетних експериментах у навколоземному космосі. Характеристики газо-плазмових утворень обговорюються на прикладах експериментів з інжекцією пари барію, нейтрального газу, плазми, плазмоутворюючих і плазмогасячих сумішей в іоносфері Землі. Отримані дані є основою для побудови оптичного "портрета" штучних світних неоднорідностей.

За допомогою комплексу оптичних засобів проведено дослідження газо-плазмових утворень в рамках низки програм активних експериментів 1983-1992 рр., здійснених у середньоширотній і екваторіальній іоносфері в області висот 140-500 км.

При цьому спектр робочих речовин в експериментах був досить широкий, експерименти відрізнялися висотою інжекції і масою інжектованої речовини, а також типом інжекції. У більшості експериментів проводився точковий, імпульсний викид реагентів. У додатку Г наводяться дані про всі експерименти, у яких брав участь автор. Їх загальна кількість – 84, з них в дисертації докладно розглядаються матеріали близько 30 експериментів.

Експерименти з інжекцією пари барію. Інжекція пари барію в іоносфері найчастіше використовувалася для утворення і дослідження поведінки плазмових неоднорідностей в іоносфері Землі на висотах більше 100 км. Це пов'язано з тим, що атоми барію легко іонізуються під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця. Необхідно відзначити, однак, що існує висотна залежність механізму окислення атомів барію, що конкурує з процесом фотоіонізації. Ці процеси аналізуються в розділі 5.

Еволюція газо-плазмових утворень в іоносфері може бути умовно поділена на кілька фаз, кожна з яких характеризується своїми особливостями розвитку неоднорідності й істотно відрізняється динамічними процесами. Це, насамперед, початкова (швидка) фаза – перші секунди і десятки секунд після інжекції. Вона супроводжується короткочасним вивільненням енергії під час викиду робочої речовини і різким, ударним впливом на навколишню іоносферу. Відбуваються швидкі процеси як в інжектованій речовині, так і в іоносферній плазмі. У серії активних експериментів, що проводилися в 1983-1991 роках у средньоширотній і екваторіальній іоносфері, з високим часовим розділенням отримані оптичні дані про динаміку розмірів штучних утворень відразу після інжекції. Одним з найбільш цікавих ефектів, що спостерігалися в ряді експериментів, є високошвидкісні хвилі світіння квазісферичної форми (рис. 2а). Вони поширювалися від точки викиду зі швидкостями до 3 км/с, що перевищують швидкість звуку для висот проведення експериментів (рис. 2б). Для порівняння на рис. 2б показано радіальне розширення газової хмари без гальмування (пряма 4) і за моделлю "снігового плуга" (крива 5).

Наступна фаза в динаміці інжектованої хмари – фаза повільної еволюції, що дозволяє досліджувати і параметри іоносфери.

Створення великомасштабних штучних неоднорідностей для дослідження параметрів іоносфери. Було проведено кілька ракетних експериментів у середньоширотній іоносфері з викидом великої кількості речовини. Спостереження за дифузією і дрейфом продуктів інжекції дозволяють досліджувати параметри іоносфери на великих просторових масштабах. Докладну інформацію про еволюцію штучного утворення отримано шляхом побудови тривимірної картини його релаксації і дрейфу методами тріангуляційної обробки зображень (рис. 3).

Рис. 2. Хвилі світіння, що поширювалися від точки інжекції (а) і зміна відстані фронтів хвиль 1, 2, 3 від точки інжекції впродовж 13 с (б)

Рис. 3. Еволюція великомасштабних іоносферних хмар в експериментах з викидами цезію (ліворуч) і барію (праворуч)

Експерименти з інжекцією нейтрального газу і модифікація іоносфери під час роботи ракетних двигунів у космосі. Одним з важливих прикладних застосувань активних експериментів є дослідження антропогенних впливів на навколоземне середовище. Ці впливи пов'язані з великомасштабними змінами складу і ступеня іонізації іоносфери, забрудненням ближнього космосу уламками техногенного походження і дрібнодисперсними, аерозольними частинками. Вплив роботи двигунів великих космічних апаратів на іоносферу вперше було відмічено при виведенні на орбіту космічної лабораторії "Скайлеб" за допомогою ракети "Сатурн-5" 14 травня 1973 року [6]*. У зв'язку з освоєнням і використанням навколоземного космічного простору проблема антропогенного забруднення верхньої атмосфери аерозольними частинками (при роботі двигунів ракет і космічних апаратів) є дуже актуальною.

Досліджувати процеси переносу аерозольних частинок, час їхнього життя в атмосфері, перемішування з атмосферою під впливом молекулярної і турбулентної дифузії можна за допомогою штучних викидів аерозольних сумішей на висотах іоносфери, а також безпосередньо вивчаючи оптичні ефекти роботи двигунів і розділення ступенів при запусках багатоступінчастих ракет. У цьому розділі наведено результати телевізійних спостережень роботи гальмових двигунів при спуску важкого ШСЗ з орбіти, а також оптичних ефектів розділення першого і другого ступеня під час нічних запусків потужних ракет-носіїв. Отримані дані свідчать, що продукти викидів на цій стадії польоту ракети значно більш стійкі, ніж продукти згоряння палива при роботі ракетних двигунів до і після розділення ступенів.

Виявлено, що тривалість світіння у збуреній області при інжекції газу і повітря в нічній атмосфері тільки максимальними значеннями наближається до мінімальних часів життя світних утворень, що виникають при викиді забруднюючих речовин в області розділення ступенів ракети. У середньому час життя останніх приблизно на порядок більший. Підкреслимо, що в нічних експериментах, при відсутності впливу на продукти викиду сонячного випромінювання, у чистому вигляді виявляється активність забруднюючої речовини і реакція на неї навколишньої атмосфери. При всій короткочасності викидів речовини в момент розділення ракетних ступенів варто звернути увагу на забруднюючий ефект в атмосфері від цього процесу, як і від процесів включень і вимикань орбітальних двигунів корекції.

Стратифікація іонних хмар. Для вивчення стратифікації в барієвих іонних хмарах проведено велику кількість ракетних експериментів [10, 12]*. Однак детального розуміння процесів фрагментації іонного згустку і формування в ньому дрібномасштабних волокон ще не досягнуто. Механізми і моделі, що залучалися для пояснення цього явища, не пояснюють всіх особливостей філаментації. Отримані в дисертації нові кількісні експериментальні дані є основою для більш докладного теоретичного опису процесу формування іонних волокон. Розглянуто 4 іоносферних викиди барію, здійснених у середніх і екваторіальних широтах. На рис. 4 показано вигляд стратифікованої іонної хмари з волокнами діаметром близько 50 м (а) та схему розділення і дрейфу двох компонент хмари – нейтральної та іонізованої (б).

Побудовано своєрідні "карти" філаментації, що докладно відбивають її розвиток (рис. 5). Вперше визначено сукупність динамічних параметрів філаментації: момент початку, швидкість філаментації N(t) - зміна кількості волокон з часом на різних етапах процесу, розподіл дрейфових швидкостей волокон і їхніх поперечних розмірів.

Наведено порівняння параметрів, що характеризують динаміку системи волокон у викидах, здійснених у різних умовах. Моделювання процесу стратифікації з використанням характеристик іоносфери й іонної хмари виконано у розділі 5.

Розділ 4 присвячено результатам оптичних досліджень динаміки газо-плазмових утворень в іоносфері при інжекції з борту ШСЗ з орбітальними швидкостями. У карибській серії експериментів CRRES автором вперше отримано ряд нових даних про швидку початкову динаміку штучних утворень, а також про їхню повільну еволюцію. Унікальність отриманого матеріалу була забезпечена вибором точки спостережень моменту інжекції за методикою автора – при основі силової лінії, на якій здійснювався викид.

Рис. 4. Телевізійне зображення системи іонних волокон (а) і схема дрейфового зміщення нейтральної (сферичної) і іонізованої (стратифікованої) складових штучної барієвої хмари

Рис. 5. Схема розвитку системи іонних волокон у трьох експериментах. Показано положення і розміри волокон в процесі їхнього подрібнення і дрейфу (у поперечному до магнітного поля перерізі стратифікованої хма-ри)

Ефекти початкової фази в експериментах CRRES. У карибській серії експериментів CRRES було зареєстровано швидкоплинні процеси, що відбуваються в перші секунди після викиду в безпосередній близькості від точки інжекції. Більшість аналізованих нижче ефектів спостерігалися вперше, частина з них тільки з борту науково-дослідного судна.

Найбільш цікаві і несподівані ефекти виявлені насамперед в експериментах CRRES G-9 і G-11a. Це "скіддінг" – “проковзування” іонів у магнітному полі, зміщення основного іонного струменя на північ від траєкторії ШСЗ, тонкий іонний трек від точки викиду барію, поширення високошвидкісного фронту світіння, утворення мікроструктури і хвилеподібної деформації хмари. Особливості мікроструктури показані схематично на рис. 6.

"Скіддінг". Виявлено наявність трьох відстаней "скіддінгу" в експерименті G-9: 10, 15 і 18 км (рис. 6, ліворуч). У напрямку польоту супутника (і інжектованого з нього нейтрального барію) відбулося ступінчасте гальмування певних порцій іонізованого барію, що проявилося у формуванні вузьких (~1 км) іонних волокон на зазначених відстанях від точки інжекції.

Початковий іонний трек в експерименті G-11а. В експерименті G-11a спостерігався тонкий іонний трек між точкою інжекції і західним краєм іонної хмари, тобто вздовж відстані "проковзування" (рис. 6, праворуч). Це коротка смужка світіння, орієнтована в напрямку траєкторії. Іонний трек мав довжину 8 км, ширину 2 км і характеризувався рівномірною яскравістю по всій довжині. Через кілька хвилин він мав довжину близько 11 км. Зображення, отримані за допомогою передоб'єктивних дифракційних ґраток, показують що всі елементи структури світного утворення, у тому числі і трек, складаються з іонів барію. Подальша динаміка треку протягом 20 хвилин відбувалася узгоджено з динамікою всього іонного шару, включаючи розвиток хвильової деформації.

Рис. 6. Схема розташування структурних елементів іонної хмари в двох експериментах CRRES карибської серії 1991 р.

Наявність тонкого іонного треку також і в експерименті G-11b є доказом процесу іонізації, викликаного високою температурою горіння плазмоутворюючої суміші в центральній (з найбільшою густиною) частині барієвої хмари. Ця іонізація не обумовлена сонячним ультрафіолетом (викид G-11b відбувся в тіні) і тривала не більше 1 секунди. При цьому, за оцінкою яскравості треку, в цій області утворилося іонів менше 0.5% від кількості інжектованих атомів барію. За попередніми даними, ударної іонізації уздовж силових ліній магнітного поля не спостерігалося, а непрямі оцінки показують, що ця іонізація повинна бути менше 1%.

Радіальне розширення хмари нейтрального барію. У двох експериментах (G-9 і G-11a) в інтервалі 0-5 с від початку викиду автором зареєстровані високі швидкості початкового розширення барієвої хмари, що досягали 3-5 км/с (рис. 7). Це в 2-3 рази більше, ніж розрахункове значення швидкості поширення атомів нейтрального барію від точки викиду й істотно більше, ніж очікувалося у великому викиді серії CRRES (експеримент G-9, див. [20]*).

Поширення високошвидкісного (7-9 км/с) фронту дифузного світіння - один з найбільш цікавих і не прогнозованих ефектів. Область поширення фронту не узгоджується ні з рухом по траєкторії нейтральної барієвої хмари, ні з рухом іонів уздовж силових ліній магнітного поля. Існування цього ефекту автором виявлено в експерименті G-11a. Фронт світіння рухався від місця гальмування основного іонного струменя в північно-східному напрямку – у площині зображення нагору і вліво від початку іонного сліду (рис. 8).

Рис. 7. Швидкості радіального розширення нейтрального барію (а) і поширення іонів барію уздовж силових ліній вгору і вниз від точки інжекції (б)

Рис. 8. Поширення високошвидкісного фронту світіння

Явище спостерігалося впродовж перших 10 секунд після інжекції. Значення швидкості фронту знаходилося в межах 7-9 км/с. Середня поверхнева яскравість на початку поширення близька до яскравості іонної хмари і швидко слабшає в процесі поширення світіння. Динаміка фронту світіння свідчить про існування маломасштабного, короткочасного і спрямованого збурення руху нейтралів, що розширюються, у момент і в місці формування іонного струменя - через 1-3 секунди після викиду на відстані "скіддінгу". Цим збуренням закінчується процес "проковзування" іонів у магнітному полі і починається процес сонячної іонізації барієвої хмари.

Як показують наведені нові дані про мікроструктуру газо-плазмових утворень, спостереження, проведені уздовж силових ліній магнітного поля, дозволяють з одного пункту досліджувати параметри іонних хмар у площині, перпендикулярній до вектора магнітного поля В, зокрема, розподіл іонів барію в магнітній силовій трубці, що недоступно при іншому ракурсі. Завдяки вибору такої точки спостережень, а також високій чутливості і просторовому розділенню приймачів зображення оптичного комплексу, отримані результати мають ряд переваг для дослідження процесів еволюції іонних хмар у порівнянні з даними інших спостерігачів в цих експериментах.

Хвилеподібна деформація "листка" барієвих іонів. На рис. 9а приведено послідовні положення на небесній сфері шару барієвих іонів з 12-ї по 20-у хвилини після викиду. Видно ступінь його деформованості і величину дрейфового зміщення. Як показали спостереження, концентрація іонів у "листку" нижча, ніж "фонових" іонів у шарі F іоносфери. Тому динаміка іонної хмари визначається іоносферними умовами, а сама хмара є індикатором стану іоносфери. Причиною появи хвиль можуть бути дрібномасштабні збурення іоносферного електричного поля. У площині, перпендикулярній вектору магнітного поля В, значення електричного поля, визначеного за швидкостями дрейфового зміщення, складає: 1-2.3 мВ/м у напрямку на захід і вниз в експерименті G-11a і 0.2-0.6 мВ/м у напрямку на захід в експерименті G-11b. Як видно з рис. 9б, значення швидкостей (електричних полів) у цих експериментах не перекриваються. Тому, імовірно, виникнення чи відсутність хвиль на поверхні іонного шару пов'язано з величиною іоносферного електричного поля, швидкістю його зміни і локальною мікроструктурою.

Для пояснення розвитку поверхневих хвиль в експерименті G-11a у розділі 5 розглянуто моделювання ЕґВ-дрейфу барієвої плазми за умов слабкої змінності Ех-компоненти електричного поля.

Довгоживучі плазмові утворення в іоносфері. Вимірювання в двох експериментах з барієвими хмарами в іоносфері показали несподіваний результат - іонні хмари спостерігалися як компактні локалізовані утворення більш ніж через 10 годин після інжекції в одному випадку і через 14 годин - в іншому (рис. 10). З досвіду спостережень барієвих хмар було відомо, що іонна хмара звичайно зазнає дисипації за час від декількох десятків хвилин до 1-2 годин після інжекції. Однак, спостережений автором значно більший час життя штучної хмари розходиться з уявленнями про дисипативні процеси в іоносфері, що існували до цього. Великий час життя іонної