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:

Марс. Атмосфера

News image

Планета окутана газовой оболочкой - атмосферой, которая имеет меньшую плотность, че...

Открытие спутника

News image

22 июня 1978 г. Дж. У. Кристи из Морской обсерватории в ...

Строение Солнца

News image

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

Фотосфера

News image

Видимая поверхность Солнца. Достигая толщины около 0,001 RD (200-300 км), пл...

В космосе...

Рейтинг пригодных для обитания мест Солнечной системы

News image

Астрофизик Абель Мендес из Университета Пуэрто Рико предложил новую систему оценки обитаемости космических тел. С ее помощью он составил список на...

Большое количество новых метеорных дождей обнаружили ас

News image

Канадские астрономы обнаружили 62 ранее неизвестных метеорных дождя. Исследователи проводили наблюдения в провинции Онтарио. Осколки метеоритов и комет исследователи находили по...

Кеплер сможет искать спутники у экзопланет

News image

Британские ученые установили, что орбитальный телескоп Кеплер способен обнаруживать не только удаленные экзопланеты, но и их спутники. Статья уч...

Космический корабль Союз с экипажем 20-й экспедиции с

News image

Запуск состоялся в запланированное время с космодрома Байконур. Стыковка с Международной космической станцией запланирована на пятницу. На борту Союза н...

Авторизация



Новости космонавтики:

Мгновенно термос для школьника купить: с

News image

Настроение и аппетит улучшатся в разы, если на столе стоит оригинальная и качественная посуда. Непосредственно материал не имеет внушительного значения. Несомненно, у абсолютно любого из ...

Медицинская мебель для стоматологии (Пан

News image

Мебель является одним из главных атрибутов больниц в любой стране мира. Такой инвентарь как кресла, кушетки, шкафы, столы есть в любом больничном учреждении. Требования к ...

Каркасный дом

News image

Каркасная технология строительства домов считается самой подходящей для климатических условий нашей страны, она станет обеспечивать замечательный тепловой комфорт, и в комнатах будет присутствовать благоприятная ...

Купить игровую мышь: рекомендации экспер

News image

Регулярная работа за ноутбуком имеет кучу своих плюсов. Однако существуют и недостатки, так как, например, транспортировка его держа в руках – далеко не всегда хорошая ...