Главная - Радиоастрономия - Распространение радиоволн в плазме. Генерация радиоизлучения плазменными колебаниями


Распространение радиоволн в плазме. Генерация радиоизлучения плазменными колебаниями
Наука - Радиоастрономия

Пусть на облако полностью ионизованного газа (плазмы) падает плоская монохроматическая волна, распространяющаяся вдоль оси z. Электрическое поле волны  Под действием этого поля электроны приходят в движение. Классическое уравнение движения электрона:

m – масса электрона, nст – частота столкновений в плазме (второе слагаемое в левой части уравнения описывает трение электрона об окружающую плазму, приводящее к затуханию колебаний).

Напомним также уравнения Максвелла:

В дальнейшем для простоты стрелки над векторами опускаем.

При решении уравнений Максвелла для случая распространения волны в проводящей среде (плазме) оказывается удобным ввести комплексную диэлектрическую проницаемость среды в виде:

Комплексная диэлектрическая проницаемость (2.3) равна квадрату комплексного показателя преломления, который, в свою очередь, состоит из обычного показателя преломления n (действительная часть) и коэффициента поглощения k (мнимая часть).

Вначале рассмотрим случай без магнитного поля (). Из решения уравнения движения для электрона (2.1) можно найти:

Выражение для частоты столкновений nст определяется решением задачи о рассеянии:

где – средняя скорость электронов, а N — их концентрация. В условиях солнечной короны (N ~ 108 см–3) nст ~ 1/15 с–1 << w для всего диапазона радиоволн, поэтому w2 + nст2 @ w2.

Для волны, распространяющейся вдоль оси z в плазме с диэлектрической проницаемостью e¢ (2.3), решение уравнений Максвелла дает:

Выбираем верхние знаки в экспоненте из соображений исчезновения волны на бесконечности. Первое слагаемое в показателе экспоненты характеризует распространение волны в среде с показателем преломления

называется плазменной (ленгмюровской) частотой и характеризует частоту собственных колебаний плазмы. Плазменная частота зависит (помимо атомных констант) только от местной электронной концентрации. Приближенно

Таким образом, при w ³ wp коэффициент преломления плазмы всегда заключен в пределах 0 £ n £ 1; при w < wp коэффициент преломления становится мнимым. Это означает, что в амплитуде волны появится еще один экспоненциально затухающий множитель, и волна будет поглощена на расстоянии ~l. Волны с w < wp в плазме распространяться не могут.

Величина  в показателе экспоненты в (2.6) характеризует уменьшение амплитуды волны за счет поглощения в плазме при свободно-свободных переходах. Чтобы перейти к более привычному коэффициенту поглощения для интенсивности, необходимо взять квадрат модуля комплексной амплитуды электрического поля, тогда коэффициент поглощения удваивается, и получим:

Рассмотрим распространение электромагнитной волны в плазме с магнитным полем. В замагниченной плазме, кроме ленгмюровской частоты, возникает еще одна особая частота – гирочастота

Формула для приближенных оценок:

Используем приближение , что всегда выполняется в большинстве астрофизических объектов (в том числе в короне Солнца), но может нарушаться в активных областях на Солнце, где магнитные поля достигают сотен и тысяч Гаусс.

В плазме магнитное поле создает выделенное направление, и электрические свойства плазмы оказываются неодинаковыми вдоль и поперек поля. В этом смысле плазму можно уподобить кристаллу с двулучепреломлением, у которого показатели преломления различны для света, распространяющегося вдоль или поперек оптической оси. Так же, как в кристалле, произойдет разделение исходной волны на две волны (обыкновенную – 1 и необыкновенную – 2) с различными направлениями поляризации. Для каждой из волн будут иметь место разные показатели преломления.

Рассмотрим два случая: a = 0 и a = p/2 (a – угол между направлениями магнитного поля и распространения электромагнитной волны). Общий случай сложен, подробности можно найти в книге В.Л. Гинзбурга [16].

1) a = 0 (продольное распространение). Волна распадается на две поляризованные по кругу волны. Знаки + относятся к индексу 1 (обыкновенная волна), знаки – – к индексу 2 (необыкновенная волна).

Для необыкновенной волны резко возрастает коэффициент поглощения вблизи w ~ wH; поэтому на частотах вблизи гирочастоты первоначально неполяризованное излучение может приобрести круговую поляризацию. У необыкновенной волны направление круговой поляризации совпадает с направлением ларморовского вращения электронов вокруг магнитных силовых линий, поэтому волна испытывает повышенные потери энергии по сравнению с обыкновенной.

2) a = p/2 (поперечное распространение). Волна распадается на две волны с взаимно ортогональными линейными поляризациями. У обыкновенной волны вектор электрического поля – вектору магнитного поля, и магнитное поле не оказывает влияния на движения электронов. Поэтому для обыкновенной волны n1 и k1 совпадают с выражениями (2.13) для случая . Для необыкновенной волны:

В случае поперечного распространения, из-за повышенного поглощения необыкновенной волны вблизи частоты  может возникнуть линейная поляризация первоначально не поляризованного излучения.

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Планеты соседи:

Строение Солнца

News image

ЯДРО - где температура в центре равна 27 м...

Наблюдение Венеры. Прохождение Венеры по диску Сол

News image

Найти Венеру на небе проще, чем любую другую планету. Ее пл...

Меркурий

News image

Меркурий - самая близкая к Солнцу планета. Среднее расстояние от Ме...

Солнечная активность

News image

Солнечная обсерватория SOHO зарегистрировала 4 января 2002...

В космосе...

Космонавтика энтузиастов

News image

Настойчивость и упорство ученых, энтузиастов и пропагандистов ракетной техники Н.И.Тихомирова, Ф....

Марсоход Спирит застрял окончательно

News image

Американское космическое агентство (NASA) решило отказаться от дальнейших попыток вызволить марсоход Спирит (Spirit), застрявший в песке Красной планеты в ...

Следы недавних вулканических извержений на Меркурии

News image

Астрономы обнаружили очередные доказательства недавнего вулканического прошлого Меркурия. Свои результаты они представили на съезде Американского геологического общества в Портленде, а кр...

Мой взгляд на космические журналы. Космонавт У Цзе о «Н

News image

Уже достаточно давно у меня сформировалось определенное отношение к космическим журналам. В 1997 г. я приехал учиться в российский Центр по...

Авторизация



Новости космонавтики:

Коррекция прикуса у детей: возможности с

News image

Здоровые зубы - это не просто важно, а обязательно. Проблем с зубами существует достаточно много, и практически каждая из них не отличается легкостью в лечении. ...

Работа помощник бурильщика эрбс и что с

News image

Газонефтяные залежи можно отыскать как на суше, так и под морским дном. В зависимости от объемов сырья привлекается различное число тяжелой техники и масштаб подготовки ...

Металлолом цена черный

News image

Черный металл - мы обычно понимаем под этим термином. Он постоянно перерабатывается и используется везде и всюду. Человек не знает жизни без металла и активно добывает окаменелости же...

Нержавейка цена за 1 кг

News image

Если в составе стали присутствует никель и легированной хромом тогда металл получает высокую стойкость к негативным факторам. Сплав сохраняет свою прочность и остальные свойства. Поэтому ме...