Под активными эксперимен- тами понимаются обычно эксперименты, осуществляемые путем внесения в исследо- ванную систему специфических возмущений и наблюдений реакций системы на эти возмущения. Для изучения магнитосферы она подвергалась воздействию радиоволн, электрон- ных и плазменных пучков, плазменных ("бариевых") облаков. К этому надо добавить наблюдения над реакцией магнитосферы при воздействии на нее переменных косми- ческих факторов: вариации солнечного ветра, падения метеоритов и т. п. Самыми грандиозными активными экспериментами в верхних слоях атмосфе- ры были взрывы там атомных бомб. Первый такой взрыв произвели американцы в августе 1958 года над коралловым атоллом Джонсон в Тихом океане. Одним из неожиданных результатов этого и подобных других взрывов было переполнение радиационных поясов, сохранявшееся в течение более года. Но для науки большую информацию дают спокойные эксперименты. Коротко мы их сейчас и рассмотрим. Радиозондирование. Выше уже упоминалось, что именно особенности распро- странения радиоволн привели к открытию ионосферы ("слоя Хевисайда") и дали первичные наблюдательные данные о неоднородности и вариациях магнитосферы. Эти же данные стимулировали теоретические работы по распространению волн в плазме. Электронные пучки в магнитосфере. Пред- ставления о динамике частиц в магнитосфере бы- ли уточнены в ряде экспериментов с инжекци- ей электронных пучков в магнитосферу. Опишем коротко одни из них — франко-советский экс- перимент под названием "Араке" 0. Схема его изображена на рис. 9.2.8. Здесь показана силовая линия магнитного поля Земли, фиксирующая две магнитосопряженные точки на земной поверхно- сти: одна — на французском острове Кергелен в Индийском океане, а вторая — в Архангельской области около поселка Согра. С острова Кергелен стартовала ракета, поднявшая на высоту ~ 100 км Рис. 9.2.8. Схема эксперимента электронную пушку, которая начала посылать им- "Араке": 1, 2 — магнито- пульсы электронов с энергией ~ 12кэВ и общим сопряженные точки: 1 — током - 1 А. "Держась" за силовую линию, эти Французский остров Кергелен, 2 - электроны поднимались на высоту ~ 36000 км и, Архангельская область описав дугу общей длиной ~ 100000 км, "высыпа- лись" в верхних слоях атмосферы, вызвав мерцающую с частотой пушки сияющую полосу. Правда, сияние было слабым, но надежно фиксируемым с помощью усилите- ля света. Этот результат говорит об относительно слабом "сбое" электронов с расчёт- ной траектории под действием столкновений и различных колебаний. Эксперимент Араке был произведен в 1975 году. 1) С советской стороны руководителем эксперимента был Р. 3. Сагдеев. 16 А. И. Морозов 482 Гл. 9. Процессы в космосе и плазмодинамика "Бариевые облака'. Весьма ценную информацию дали эксперименты с так на- зываемыми "бариевыми облаками", предложенными И. С. Шкловским. Эти облака создаются путем взрыва на интересующей высоте контейнеров с металлическим барием, которые выносили в магнитосферу геофизические ракеты. При взрыве образуется облако паров бария, которое быстро ионизуется излучением Солнца и превращается в облако плазмы. Появившиеся ионы Ва+ возбуждаются опять- таки солнечным светом и начинают излучать характерную зеленую линию, которую хорошо наблюдать с Земли. Эксперименты с такими облаками позволяют наблюдать ориентацию магнитных силовых линий (светящаяся плазма растаскивается вдоль силовых линий магнитного поля), особенности диффузии плазмы поперёк магнитных силовых линий (т. е. выяснение роли классических и различного рода аномальных процессов), наличие поперечного электрического поля (по скорости дрейфа облака поперёк магнитного поля) и т. д. Искусственные плазменные потоки. Большое разнообразие процессов иниции- руется при работе в магнитосфере электрореактивных двигателей разных типов. Та- кие двигатели посылают компенсированный (квазинейтральный) поток ионов с энер- гией в сотни и тысячи эВ. В разделе 3.8 отмечалось, что квазинейтральный плазменный поток может дви- гаться поперёк магнитного поля благодаря явлению поляризации, т. е. появлению на "боковых" сторонах потока положительных и отрицательных зарядов, создающих в объёме потока электрическое поле, величина которого самосогласованно уста- навливается на таком уровне, чтобы скорость электрического дрейфа была равна "начальной" скорости потока сТг — ^поток- ?1 Такая же ситуация возникает и при выходе квазинейтрального (плазменного) потока из ЭРД в магнитосферу. Но легко видеть, что в магнитосфере поле поляризационных зарядов будет либо притягивать (к положительно заряженной стороне) электроны из тех участков магнитосферы, которые лежат вблизи магнитной поверхности, которая проходит вблизи положительно заряженной стороны потока, либо сбрасывать их, если речь идет об отрицательно заряженной стороне. Результатом этих взаимодей- ствий является ослабление — при удалении от источника поляризации пучка, т. е. замедление движения потока как целого и превращение его в пучок "независимых" ионов, объёмный заряд, который теперь уже компенсируется электронами магнито- сферы. Вот этот захват магнитосферных электронов и развал пучка сопровождается раскачкой интенсивных колебаний, спектр которых позволяет определить локальные характеристики магнитосферы. Другое дело, если плазменный поток инжектируется вдоль магнитного поля. В этом случае поляризация потока выражена значительно слабее, и колебания раскачиваются слабее. Сказанное хорошо подтвердили многочисленные наблюдения колебаний в магни- тосфере с помощью антенн, установленных как на космических аппаратах с ЭРД, так и на Земле. Была также реализована специальная программа исследований динамики потока и колебаний, вызванных ЭРД в международных экспериментах "Поркупайн" 0. В этом случае процессы в струе и ее окрестностях наблюдались несколькими космическими аппаратами, снабженными большим числом зондов. Но "рассыпанием" пучка и вспышкой ВЧ излучений дело не кончается. Образо- вавшийся поток свободных ионов двигается теперь под воздействием одного магнит- Руководитель эксперимента с советской стороны — В. Н. Ораевский 9.2. Магнитосфера Земли 483 ного поля и, как нетрудно видеть, здесь возникает красивое явление фокусировки ионного потока, о чём уже говорилось в разделе 1.4 (рис. 1.4.6). Планировавшийся активный эксперимент [231]. Здесь будет рассказано об одном активном эксперименте, который был подготовлен рядом институтов РФ к началу 1990 года, но в 1992 году эти работы были прекращены из-за финансовых трудностей. Планировалось, используя мощный источник ультрафиолетового излуче- ния, осветить значительный объём ионосферы и существенно увеличить количество возбужденных атомов и молекул. Учитывая интересную схему задуманного эксперимента, опишем ее подробнее. Предлагалось излучающий комплекс поднять стандартной метеоракетой МР-12 на высоту 100-140 км. В качестве источника УФ-излучения был выбран короткоим- пульсный эрозионный МПК с разрядным током ~ 2 • 106 А и длительностью импульса ~ 10 мкс. Особенности ракеты накладывали ограничение на массу излучающего комплекса (она должна была быть ^ 125 кг) и ее габаритные размеры (^ 0150 х х L700мм). Естественно, что ни емкостный, ни индуктивные накопители не под- ходят из-за своей массы, поскольку общий запас энергии должен быть порядка нескольких сотен кДж. Здесь единственным источником энергии может быть только взрывной магнит- ный генератор (ВМГ) 0. Опишем его принцип и ту схему, которая была положена в основу создаваемой системы. Взрывной магнитный генератор (ВМГ). Идея ВМГ проста (рис. 9.2.9). Пред- ставим себе два достаточно хорошо проводящих цилиндра, и пусть внутренний на- полнен взрывчаткой (ВВ), а внешний хорошо укреплен. Тогда, если предварительно в зазоре создать магнитное поле Яо, то после взрыва зазор будет уменьшаться и, R2-a2 в силу сохранения потока поля, будет расти H(t) = ]R2- ;. Здесь R — радиус А \ \ \ \\ внешнего цилиндра, а — начальный радиус внутреннего цилиндра, r(t) — текущий радиус расширяющегося внутреннего цилиндра. У/////////////// л а *' б Рис. 9.2.9. Принципиальная схема взрывного магнитного генератора (ВМГ) (а): 1 — взрыв- чатое вещество (ВВ), 2 — проводящая оболочка ВВ, 3 — зазор с магнитным полем, 4 — внешний проводящий цилиндр. Схема энергоизлучательного комплекса ВМГ-МПК (б): 1 — конденсатор питания ВМГ, 2 — разрядник; 3 — электродетонатор, 4 — спираль ВМГ, 5 — кассета с ВВ, б — анод МПК, 7 — плазмообразующий диэлектрик (фторопласт), 8 — катод МПК Если наружный цилиндр разрезать по винтовым линиям, то мы получим мощный генератор тока. Отметим, что с помощью ВМГ были получены рекордные величины магнитного поля - Я-20- 106Э. Излучающий комплекс в целом. Схема комплекса в целом изображена на рис.9.2.11. Слева находится блок ВМГ, а справа — эрозивный МПК. Каждый из этих 1) Генераторы этого типа были предложены А. Д. Сахаровым. 16* 484 Гл. 9. Процессы в космосе и плазмодинамика блоков был тщательно отработан, как по отдельности, так и в комплексе. Приведем основные характеристики излучающего комплекса. - масса В В — 1,5 кг; - максимальный ток — 1,8- 106А; - электрическая мощность, рассеиваемая в плазме — 15ГВт; - излучение разряда — 100 кДж; - энерговклад в плазму — 200 кДж; - скорость плазменного потока в максимуме тока — 60—65 км/с. Энергоизлучающие комплексы с такими параметрами имели диаметр 120 мм и длину 600 мм.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Активные эксперименты в магнитосфере» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
