Группа российских ученых из НИУ ВШЭ, ИКИ РАН и ИЗМИРАН описала развитие в пылевой плазме ионосферы модуляционной неустойчивости электромагнитных волн, которая возникает при больших интенсивностях электромагнитного излучения. Исследователи учли неупругие столкновения частиц плазмы ионосферы, а еще сформулировали новые задачи и приложения, которые необходимо рассмотреть в будущем.
Российские ученые описали возможную причину зеленого свечения в небе / ©Getty images
Результаты исследования опубликованы в журнале Physics of Plasmas. Модуляционное взаимодействие важно для объяснения различных природных явлений. Это ключевой процесс при переходе плазмы от состояния слабой к состоянию сильной турбулентности. При слабой турбулентности волны в плазме ведут себя хаотично, но плохо коррелируют друг с другом, в отличие от сильной турбулентности, когда взаимодействие между ними существенное, в результате чего образуются сильно коррелированные структуры (солитоны, кавитоны, филаменты), генерируются магнитные поля, происходит нагрев и эффективное ускорение частиц.
В предыдущей работе 2009 года ученые изучили возможность развития модуляционной неустойчивости в плазме ионосферы на высотах от 80 до 120 км в присутствии высокоскоростных метеорных потоков. Оказалось, что метеорные потоки приводят к формированию пылевой плазмы на этих высотах, что, в свою очередь, оказывает существенное влияние на характер протекания нелинейных процессов в плазме.
В новом исследовании авторы отмечают важную роль неупругих столкновений нейтралов (нейтральных атомов) с электронами и ионами пылевой плазмы ионосферы. При этом влияние модуляционной неустойчивости на распространение электромагнитных волн в пылевой ионосферной плазме очень важно на высотах 90–120 километров. Это высота плотных слоев атмосферы, на которой нагреваются космические аппараты. Попадая на эти высоты, метеороиды испаряются, после чего метеорное вещество конденсируется, и образуются мелкие частицы, которые становятся частью пылевой плазмы.
Модуляционная неустойчивость в пылевой плазме воздействует на низкочастотную область спектра электромагнитных шумов, способствует генерации инфразвуковых волн, которые могут достигать поверхности Земли. «Инфразвуковые волны могут возбуждаться вследствие извержений вулканов, землетрясений, полетов сверхзвуковых самолетов, взрывов на земле и так далее. В этой связи для нас важно представлять себе характер источников инфразвука, что позволяет понять его происхождение», — считает автор статьи, профессор факультета физики НИУ ВШЭ, заведующий лабораторией ИКИ РАН Сергей Попель.
Модуляционное взаимодействие на высотах 110–120 километров позволяет объяснить усиление зеленого свечения в небе на длине волны 557,7 нм. Оно приводит к генерации пылевых звуковых волн, которые на высотах более 110 километров оказываются неустойчивыми, в результате чего формируются вихри. Те, в свою очередь, перемешивают вещество на разных высотах — появляются условия для химических реакций, сопровождающихся выделением фотонов. Именно они проявляют себя в виде зеленого свечения неба.
Также модуляционное взаимодействие приводит к образованию неоднородностей электронной и ионной концентраций в ионосфере при работе мощных нагревных стендов, таких как HAARP, EISCAT и другие. Помимо этого, авторы статьи исследовали пылевую плазму хвостов метеоров. Оказалось, что и в этом случае модуляционное взаимодействие объясняет наблюдаемые эффекты, например электрофонные шумы при пролете метеоров.
«Наши результаты важны для объяснения и описания природных явлений в ионосфере и атмосфере Земли, в частности распространения электромагнитных волн на высотах от 90 до 120 километров. Планируется продолжение исследований эффекта модуляционного возбуждения неоднородностей в ионосфере при работе таких установок, как HAARP, EISCAT и другие, влияющих на состояние атмосферы Земли», — комментирует Сергей Попель.
