Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Физические исследования и математическое моделирование крупномасштабных геофизических экспериментов

Покупка
Артикул: 779277.01.99
Изложены результаты исследований и численное моделирование ионизационно-химических, оптических и магнитогидро-динамических характеристик возмущенных областей, образующихся при крупномасштабных геофизических экспериментах в околоземном космическом пространстве. Значительное место уделено физическому анализу рассматриваемых явлений и разработке, адаптированных к ним, численных алгоритмов. Материал книги, главным образом, основан на опубликованных работах авторов. Монография рассчитана на научных сотрудников, специализирующихся в области физики ионосферной плазмы, лабораторных исследований плазменных течений и распространения заряженных частиц. Первая часть будет полезна студентам старших курсов и аспирантам соответствующих специальностей.
Ступицкий, Е. Л. Физические исследования и математическое моделирование крупномасштабных геофизических экспериментов : монография / Е. Л. Ступицкий, А. С. Холодов. - Долгопрудный : Интеллект, 2019. - 800 с. - ISBN 978-5-91559-257-4. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1870047 (дата обращения: 14.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
ФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 

И  МАТЕМАТИЧЕСКОЕ 

МОДЕЛИРОВАНИЕ

КРУПНОМАСШТАБНЫХ 

ГЕОФИЗИЧЕСКИХ  
ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Е.Л. Ступицкий, А.С. Холодов

Федеральное государственное образовательное  

учреждение высшего образования

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ  

(государственный университет)

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

ИНСТИТУТ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Российской академии наук

2018

МОИ ПЕРВЫЕ КНИГИ ПО АСТРОНОМИИ

А.В. Урысон

О ЗВЕЗДАХ

2019

Å.Ë. Ñòóïèöêèé, À.Ñ. Õîëîäîâ
Ôèçè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ è ìàòåìàòè÷åñêîå ìîäåëèðîâàíèå êðóïíîìàñøòàáíûõ ãåîôèçè÷åñêèõ ýêñïåðèìåíòîâ: Ìîíîãðàôèÿ / Å.Ë. Ñòóïèöêèé, À.Ñ. Õîëîäîâ – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», 2019. – 800 ñ.

ISBN 978-5-91559-257-4

Èçëîæåíû ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé è ÷èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå èîíèçàöèîííî-õèìè÷åñêèõ, îïòè÷åñêèõ è ìàãíèòîãèäðîäèíàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê âîçìóùåííûõ îáëàñòåé, îáðàçóþùèõñÿ ïðè êðóïíîìàñøòàáíûõ ãåîôèçè÷åñêèõ ýêñïåðèìåíòàõ â
îêîëîçåìíîì êîñìè÷åñêîì ïðîñòðàíñòâå. Çíà÷èòåëüíîå ìåñòî
óäåëåíî ôèçè÷åñêîìó àíàëèçó ðàññìàòðèâàåìûõ ÿâëåíèé è ðàçðàáîòêå, àäàïòèðîâàííûõ ê íèì, ÷èñëåííûõ àëãîðèòìîâ. Ìàòåðèàë êíèãè, ãëàâíûì îáðàçîì, îñíîâàí íà îïóáëèêîâàííûõ ðàáîòàõ àâòîðîâ.
Ìîíîãðàôèÿ ðàññ÷èòàíà íà íàó÷íûõ ñîòðóäíèêîâ, ñïåöèàëèçèðóþùèõñÿ â îáëàñòè ôèçèêè èîíîñôåðíîé ïëàçìû, ëàáîðàòîðíûõ èññëåäîâàíèé ïëàçìåííûõ òå÷åíèé è ðàñïðîñòðàíåíèÿ
çàðÿæåííûõ ÷àñòèö. Ïåðâàÿ ÷àñòü áóäåò ïîëåçíà ñòóäåíòàì ñòàðøèõ êóðñîâ è àñïèðàíòàì ñîîòâåòñòâóþùèõ ñïåöèàëüíîñòåé.

Èçäàíèå îñóùåñòâëåíî ïðè ôèíàíñîâîé ïîääåðæêå Ðîññèéñêîãî
ôîíäà ôóíäàìåíòàëüíûõ Èññëåäîâàíèé ïî ïðîåêòó ¹ 18-12-00030

© 2018, Å.Ë. Ñòóïèöêèé, À.Ñ. Õîëîäîâ
© 2019, ÎÎÎ «Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò»,
îðèãèíàë-ìàêåò, îôîðìëåíèå

ISBN 978-5-91559-257-4

ОГЛАВЛЕНИЕ

П р е д и с л о в и е . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
10

В в е д е н и е . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
12

 
ЧАСТЬ I. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ 
 
О ПРОЦЕССАХ И УРАВНЕНИЯХ, ОПИСЫВАЮЩИХ 
 
КРУПНОМАСШТАБНЫЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ 
 
ЭКСПЕРИМЕНТЫ   . . . . . . . . . . . . . . . . .  
15

Глава 1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СРЕДЫ 
ДЛЯ ОПИСАНИЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ 
ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
16

1.1. Уравнения динамики газа в приближении сплошной среды . . . .  
19
1.1.1. Интегральная форма уравнений в переменных Лагранжа  .  
19
1.1.2. Интегральная форма уравнений в переменных Эйлера  . . .  
22
1.1.3. Уравнения динамики газа в дифференциальной форме . . .  
23
1.2. Использование кинетического подхода для получения 
уравнений динамики газоплазменной среды  . . . . . . . . . . . . . . .  
26
1.3. Физические процессы и уравнения, описывающие односкоростное 
неравновесное течение частично-ионизованного газа. . . . . . . . .  
37
1.3.1. Односкоростное приближение для описания неравновесного 
течения высокотемпературного одноатомного газа  . . . . . .  
38
1.3.2. Некоторые особенности кинетических процессов 
в частично-ионизованном молекулярном газе . . . . . . . . . .  
46
1.3.3. Схема химических реакций с учетом возбуждения 
метастабильных электронных состояний атомов и молекул  
48
1.3.4. Колебательная кинетика и ее влияние на температуру. . . .  
50
1.3.5. Равновесное приближение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
58
1.4. Одножидкостное приближение для проводящей смеси газов  . . .  
59
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
67

Глава 2. СКОРОСТЬ ОБМЕНА ИМПУЛЬСОМ И ЭНЕРГИЕЙ 
В РЕЗУЛЬТАТЕ СТОЛКНОВЕНИЙ ЧАСТИЦ 
В МНОГОСКОРОСТНОЙ ПЛАЗМЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
69

2.1. Интеграл столкновений и общая структура выражений 
для скоростей передачи импульса и энергии  . . . . . . . . . . . . . . .  
70
2.2. Скорость обмена импульсом 

Rαβ . Анализ сечений . . . . . . . . . . .  
72

Оглавление
4

2.3. Скорости кинетических процессов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
84
2.4. Скорость обмена энергией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
87
2.5. Сводка выражений для скорости обмена импульсом 
и энергией в упругих столкновениях между компонентами 
многоскоростной плазмы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
92
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
94

Глава 3. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ  . . . . . . . . . . . .  
96

3.1. Уравнения Максвелла и исходные представления 
об описании электродинамических процессов  . . . . . . . . . . . . . .  
96
3.2. Дрейфовое движение заряженных частиц в отсутствии 
столкновений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
104
3.2.1. Электрический дрейф . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
104
3.2.2. Градиентный дрейф (неоднородные B-поля) . . . . . . . . . . .  
107
3.2.3. Центробежный дрейф . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
108
3.2.4. Поляризационный дрейф  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
110
3.3. Дрейф заряженных частиц с учетом столкновений. 
Проводимость плазмы в стационарных полях  . . . . . . . . . . . . . .  
112
3.4. Адиабатические инварианты и диамагнитный дрейф плазмы . . .  
116
3.5. Общие закономерности распространения электромагнитных 
волн в холодной плазме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
119
3.6. Коллективные процессы в плазме  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
138
3.6.1. Общая характеристика колебательно-волновых процессов.  
138
3.6.2. Краткий анализ микронеустойчивостей и их влияний 
на взаимодействие ионов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
143
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
147

 
ЧАСТЬ II. ИОНОСФЕРНЫЕ ПЛАЗМЕННЫЕ 
 
ЭКСПЕРИМЕНТЫ. . . . . . . . . . . . . . . . .  
148

Глава 4. ИОНОСФЕРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ 
С БАРИЕВЫМИ СГУСТКАМИ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
149

4.1. Неравновесные процессы при разлете бариевого облака
в поле солнечного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
149
4.2. Физическая модель стратификации легкоионизируемого 
облака нейтрального газа, разлетающегося в геомагнитном 
поле.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
159
4.3. Численное моделирование стратификации легкоионизируемого 
газового облака, разлетающегося в геомагнитном поле.  . . . . . . .  
171
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
178

Глава 5. ЛАБОРАТОРНЫЕ И ИОНОСФЕРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ 
С ПЛАЗМЕННЫМИ СТРУЯМИ И ИХ ЧИСЛЕННОЕ 
МОДЕЛИРОВАНИЕ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
180

5.1. Исследование релаксации частично-ионизованного газа 
при течении в сопле. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
180
5.1.1. Ионизационно-рекомбинационная релаксация . . . . . . . . .  
180

Оглавление

5.1.2. Поуровневая модель релаксации ксеноновой плазмы 
при её истечении в сопле  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
196
5.2. Плазменная струя в геомагнитном поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
200
5.2.1. Начальное ионизационно-термодинамическое 
состояние плазмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
201
5.2.2. Пространственно – динамические характеристики 
плазменной струи в начальной стадии расширения. . . . . .  
203
5.2.3. Результаты расчета  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
210
5.2.4. Анализ поведения плазменной струи в эксперименте 
«Северная звезда» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
215
5.3. Динамика и кинетика лазерной плазмы.  . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
218
5.3.1. Начальные параметры лазерной плазмы  . . . . . . . . . . . . . .  
220
5.3.2. Динамика и кинетика лазерной плазмы при разлете 
в вакуум.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
222
5.3.3. Разлет лазерной плазмы в однородном магнитном поле  . .  
245
5.3.4. Фотоионизация фоновой среды излучением лазерной 
плазмы и электромагнитные процессы в фоновой среде  . .  
253
5.3.5. Взаимодействие потоков лазерной плазмы. . . . . . . . . . . . .  
277
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
285

Глава 6. ДИНАМИКА ПЛАЗМЕННОГО СГУСТКА 
НА НАЧАЛЬНОЙ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ СТАДИИ 
ДВИЖЕНИЯ В РАЗРЕЖЕННОМ ГАЗЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
289

6.1. Физическая картина формирования и динамики 
тороидального плазменного сгустка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
291
6.2. Приближенный численный анализ поведения тороидального 
газового сгустка в отсутствии магнитного поля. 
Модельная задача. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
295
6.3. Физико-математическая постановка задачи о начальной 
стадии динамики тороидального плазменного сгустка  . . . . . . . .  
298
6.4. Обсуждение результатов расчета, выполненных 
в адиабатическом приближении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
308
6.5. Расчет начальной стадии динамики ТПС в полной постановке. 
Сравнение с адиабатическим приближением.. . . . . . . . . . . . . . .  
313
6.6. Исследование распространения ТПС в разреженной 
верхней атмосфере . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
318
6.7. Оценка воздействия разреженного высокоскоростного 
потока частиц на поверхность твёрдого тела. . . . . . . . . . . . . . . .  
325
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
328

Глава 7. ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ИОНОСФЕРУ ЗЕМЛИ 
НАПРАВЛЕННОГО ПОТОКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ 
ОТ НАЗЕМНОГО ИСТОЧНИКА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
330

7.1. Энергетические и геометрические характеристики луча . . . . . . .  
337
7.2. Краткий анализ состояния вопроса по исследованию 
воздействия направленного радиолуча на нижнюю ионосферу. .  
340
7.3. Анализ кинетических процессов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
342

Оглавление
6

7.4. Метод и некоторые результаты расчета системы кинетических 
уравнений  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
346
7.5. Результаты расчета и их анализ при воздействии радиолуча . . . .  
350
7.6. Анализ развития разогретой возмущенной области в нижней 
ионосфере . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
361
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
366

ЧАСТЬ III. ФИЗИКА РАЗВИТИЯ КОСМИЧЕСКОГО 
 
ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА. . . . . . . . . . . . . . . .  
368

Глава 8. НАЧАЛЬНАЯ СТАДИЯ РАЗВИТИЯ КОСМИЧЕСКОГО 
ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
369

8.1. Геофизические плазменные эксперименты на больших 
высотах  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
369
8.2. Радиационно-газодинамическая стадия разлета плазмы . . . . . . .  
375
8.3. Ионизационные и динамические характеристики плазмы 
на инерционной стадии разлета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
378
8.4. Линейчатое излучение быстро расширяющейся плазмы . . . . . . .  
389
8.5. Оценка возможности лазерного эффекта в больших 
объемах расширяющейся неравновесной плазмы . . . . . . . . . . . .  
398
8.6. Инерционная стратификация разлетающегося 
многокомпонентного газового сгустка  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
403
8.6.1. Физическое содержание явления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
405
8.6.2. Постановка задачи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
406
8.6.3. Численные исследования. Анализ результатов. . . . . . . . . .  
411
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
419

Глава 9. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЫ С РАЗРЕЖЕННЫМ 
ЧАСТИЧНО-ИОНИЗОВАННЫМ ВОЗДУХОМ 
И ГЕОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
423

9.1. Столкновительные взаимодействия плазмы и воздуха  . . . . . . . .  
423
9.2. Механизмы торможения плазмы, связанные 
с геомагнитным полем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
433
9.2.1. Формирование диамагнитной стенки при разлете 
плазмы в вакуум и ее влияние на структуру течения . . . . .  
436
9.2.2. Магнитный ламинарный механизм Лонгмайра  . . . . . . . . .  
442
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
446

Глава 10. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ 
КРУПНОМАСШТАБНОГО ПЛАЗМЕННОГО ТЕЧЕНИЯ 
В НЕОДНОРОДНОЙ ИОНОСФЕРЕ И ГЕОМАГНИТНОЕ 
ПОЛЕ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
449

10.1. Постановка задачи и краткое описание вычислительного 
алгоритма. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
450
10.2. Пространственно-временная структура плазменного течения 
при взрывах на высотах 100–120 км . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
459

Оглавление

10.3. Структура плазменных течений при взрывах в верхней 
ионосфере на h = 120÷300 км  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
466
10.4. Структура плазменного течения при магнитосферных взрывах. .  
473
10.5. Динамика плазмы при большой мощности взрыва. . . . . . . . . . .  
484
10.6. О возможности развития желобковой неустойчивости 
на фронте расширяющегося плазменного облака . . . . . . . . . . . .  
492
10.7. Взаимодействие двух сгустков плазмы высокой энергии 
в ионосфере. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
498
10.8. Приближенный метод оценки ионизационных характеристик 
плазмы по результатам численного моделирования 
динамики плазменного сгустка высокой удельной энергии 
в верхней ионосфере  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
509
10.9. Приближенный метод оценки локализации плазмы взрыва 
после торможения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
515
10.9.1. Однородная среда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
517
10.9.2. Неоднородная среда. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
519
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
525

Глава 11. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО 
ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, 
СОПРОВОЖДАЮЩИХ КОСМИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ ВЗРЫВ, 
В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
528

11.1. Ионизационные процессы в плазме космического взрыва 
на начальной стадии разлета  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
529
11.2. Физические процессы, сопровождающие передачу энергии 
от расширяющейся плазмы взрыва окружающей среде. . . . . . . .  
538
11.2.1. Исследование формирования ударно-волновой структуры.  .  
539
11.2.2. Физическое моделирование процессов взаимодействия 
разлетающейся плазмы взрыва с геомагнитным полем.  . .  
546
11.2.3. Бесстолкновительное взаимодействие разлетающейся 
плазмы взрыва с замагниченной разреженной 
ионосферой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
557
11.3. Экспериментальные исследования некоторых особенностей 
крупномасштабного течения плазмы взрыва в околоземном 
космическом пространстве на поздней стадии развития . . . . . . .  
564
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
574

ЧАСТЬ IV. ПРОНИКАЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. 
 
ИОНИЗАЦИЯ И ВОЗБУЖДЕНИЕ ВОЗДУХА  . . . . .  
578

Глава 12. ТРАНСФОРМАЦИЯ ЭНЕРГИИ ПРОНИКАЮЩИХ 
ИЗЛУЧЕНИЙ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ В ВЕРХНЕЙ 
ИОНОСФЕРЕ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
579

12.1. Оценка пробега проникающих излучений в воздухе . . . . . . . . . .  
580
12.2. Постановка задачи об определении энергетического спектра 
электронов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
583

Оглавление
8

12.3. Метод и результаты расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
590
12.4. Распределение энергий по каналам неупругих процессов . . . . . .  
595
12.5. Оценка коэффициента поглощения электромагнитных волн  . . .  
598
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
600

Глава 13. ОБЛАСТИ ХОЛОДНОЙ ИОНИЗАЦИИ 
И ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО СВЕЧЕНИЯ, СОЗДАВАЕМЫЕ 
В ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЕ РЕНТГЕНОВСКИМ 
И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
602

13.1. Расчет скоростей фотопроцессов, обусловленных действием 
солнечного излучения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
603
13.2. Анализ процессов фотопоглощения рентгеновского 
излучения в верхней атмосфере и образования начального 
энергетического спектра фотоэлектронов. . . . . . . . . . . . . . . . . .  
610
13.3. Возбуждение электронных состояний атомов и молекул 
и свечение воздуха в видимом диапазоне спектра. . . . . . . . . . . .  
619
13.4. Инфракрасное излучение верхних слоев атмосферы, 
возмущенной рентгеновским излучением космического 
ядерного взрыва. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
625
13.4.1. Параметры естественной атмосферы, как начальные 
условия для определения ИК-излучения при воздействии 
импульса рентгеновского излучения. . . . . . . . . . . . . . . . .  
626
13.4.2. Коэффициенты инфракрасного излучения верхних слоев 
возмущенной атмосферы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
629
13.5. Ионизация верхней атмосферы рентгеновским 
и гамма-излучением. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
642
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
648

Глава 14. БЕТА-ЭЛЕКТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 
ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
651

14.1. О механизме, энергетическом спектре и активности 
β-распада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
651
14.2. Физическая картина динамики β-электронов 
при геофизических экспериментах в верхней атмосфере  . . . . . .  
656
14.3. Динамика β-электронов при взрывах в нижней ионосфере. . . . .  
660
14.4. Исследование влияния самосогласованного электрического 
поля на эмиссию β-электронов из плазмы . . . . . . . . . . . . . . . . .  
671
14.5. Методика расчета потока бета-электронов внутри плазменной 
каверны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
685
14.6. Динамика бета-электронов вдоль силовых линий 
геомагнитного поля: энерговыделение и ионизация 
с учетом реального спектра β-электронов. . . . . . . . . . . . . . . . . .  
698
14.7. Движение β-электронов в магнитосопряженную область 
с учетом электромагнитного поля  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
704
14.7.1. Расчет движения бета-электронов в ближнюю МСО 
методом плазменных листов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
704

Оглавление

14.7.2. Динамика бета-электронов в дальнюю МСО  . . . . . . . . . .  
711
14.7.3. Анализ возможности использования гидродинамического 
приближения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
723
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
731

Глава 15. ВЛИЯНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ 
И ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ 
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
734

15.1. Современные направления исследований аэрозольной 
плазмы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
734
15.2. Равновесная ионизационно-химическая модель . . . . . . . . . . . . .  
737
15.3. Конденсационная модель образования микрочастиц 
и термоэмиссии электронов с их поверхности в условиях 
равновесия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
738
15.4. Обсуждение результатов расчета. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
741
15.5. Влияние ионизирующего излучения на характеристики плазмы 
с дисперсной фазой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
744
15.6. Постановка и решение неравновесной кинетической задачи  . . .  
748
15.7. Обсуждение результатов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
751
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
756

ПРИЛОЖЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
758

1. Энергия диссоциации и ионизации основных 
и малых составляющих атмосферы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
764
2. Характеристики основных излучающих компонент атмосферы, 
связанных с электронными переходами в атомах и молекулах  . . .  
764
3. Колебательные кванты основных молекулярных 
компонент воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
768
4. Ионные связки (кластеры) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
769
5. Схема кинетических процессов в воздухе . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
770
6. Характеристики атомов и молекул некоторых примесей 
и схема их основных кинетических процессов с воздухом  . . . . . .  
788
7. Элементный состав ионосферы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
793

Соотношение между единицами и некоторые формулы . . . . . . . . . . .  
795

Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
798

Светлой памяти чл.-корр. РАН 
Баррикада Вячеславовича ЗАМЫШЛЯЕВА 
посвящается

ПРЕДИСЛОВИЕ

За последние десятилетия накопился большой экспериментальный материал по крупномасштабным геофизическим 
экспериментам в околоземном космическом пространстве (ОКП). 
Во многих из них для воздействия на ионосферу использовался легко 
ионизируемый газ или плазма.
В основе изложенных в книге исследований лежит физический 
анализ рассматриваемых явлений и их аналитическое и численное 
моделирование. Отбор материала определялся, с одной стороны, 
актуальностью, с другой – кругом научных интересов авторов и их 
коллег, совместно с которыми выполнено большинство оригинальных публикаций. Книга написана, главным образом, на основе этих 
работ.
Несмотря на определенное различие в самой природе рассматриваемых явлений, многие динамические и кинетические аспекты их развития имеют близкое физическое содержание, что дало возможность 
разработать достаточно общий методический аппарат, позволяющий 
не только вести исследования и получить конкретные результаты, но и 
прогнозировать развитие рассматриваемого физического направления 
по изучению плазменных ионосферных возмущений.
Многие из изложенных в книге вопросов, связанных с физическим 
содержанием и численным моделированием, рассматривались авторами в спецкурсах, которые читались для студентов физико-технических 
специальностей. Поэтому она в первую очередь ориентирована на помощь молодым научным сотрудникам, аспирантам, а также студентам 

Предисловие

физических специальностей в изучении и математическом моделировании сложной и многообразной картины явлений, сопровождающих 
крупномасштабные геофизические плазменные эксперименты в ОКП. 
Крупномасштабная картина таких плазменных экспериментов носит 
уникальный характер. Для удобства понимания и использования 
математического аппарата в первой части книги дан вывод и анализ 
основных уравнений динамики и кинетики плазмы.
Искреннюю благодарность выражаем академику Фортову В.Е. и 
академику Сону Э.Е. за полезные обсуждения материала книги.
Некоторые физические и прикладные вопросы особенно по 
мощным взрывам в верхней атмосфере были поставлены и решались под руководством чл.-корреспондента РАН Б.В. Замышляева. 
Безошибочное критическое чутье, глубокая физическая интуиция 
и острота реакции помноженная на редкую доброжелательность, 
превращали общение с Б.В. Замышляевым в настоящую школу для 
молодых ученых.
Авторы выражают свою благодарность Морозову Д.В. и Моторину А.А. за большую помощью в проведение численных расчетов 
и плодотворное сотрудничество, а также особую признательность и 
благодарность за совместную работу и содействие при подготовке 
книги Моисеевой Д.С.

ВВЕДЕНИЕ

Ионизованную область верхней атмосферы называют 
ионосферой. Она состоит из трех более или менее разделенных слоев, 
называемых областями D, E и F:
D-область — h = 60–90 км; ne ≈ 102–104 см–3 днем,
E-область — h = 105–160 км; ne ≈ 105 см–3 днем,
F-область — выше 180 км, ne ≈ 106 см–3 днем.
Ночью величина ne примерно на порядок меньше, высота максимума сильно варьирует около среднего значения 300 км. Типичные 
высотные профили ne в среднеширотной ионосфере показаны на 
рис. 1. В дневное время, особенно летом, область F состоит из двух 
слоев, обозначаемых F1 и F2, однако для рассматриваемого круга вопросов это разделение не имеет значения. В каждой области ионосферы 
имеется зона с заметно выраженной максимальной концентрацией 
электронов, величина этих максимумов возрастает при переходе от 
области D к областям E и F. Ночью, когда новые электроны под 
действием солнечного излучения не возникают, концентрация свободных электронов в ионосфере уменьшается более чем на порядок 
величины. Особенно сильное снижение ne ночью наблюдается в 
областях D и E.
Важными характеристиками атмосферы при анализе ионизованного состояния являются температура и химический состав воздуха. 
Существует схематизация вертикальной структуры атмосферы в соответствии с высотным профилем температуры. На рис. 2 показано 
деление атмосферы на области, в которых определяющие физические и химические процессы различны и, соответственно, различно 
поведение температуры воздуха. В тропосфере температура падает с 
ростом высоты, ее поведение здесь определяется лучистым и конвективным теплообменом. В стратосфере действие солнечного излучения 
приводит к образованию озона O3, который поглощает как ультрафиолетовое, так и инфракрасное излучение и тем самым вызывает 

Введение

повышение температуры. Уменьшение содержания O3 и увеличение 
скорости охлаждения воздуха в мезосфере за счет передачи энергии 
молекулам CO2, которые способны сбрасывать (излучать) энергию 
колебательного и вращательного возбуждения в виде фотонов инфракрасного излучения, вновь приводят к понижению температуры. 
Наконец, разогрев вследствие фотодиссоциации и ионизации O2 в 
термосфере приводит к увеличению температуры воздуха примерно 
до 1000 К (рис. 2).

Рис. 1. Высотные профили концентрации электронов в среднеширотной 
атмосфере: сплошными линиями 
показан случай максимальной солнечной активности; штриховыми — 
минимальной

Рис. 2. Профиль температуры воздуха 
в атмосфере Земли. Области атмосферы, определяемые градиентом 
температуры

С высоты примерно 100 км электронная температура начинает 
превышать температуру тяжелых частиц (атомов и молекул) и в 
верхней термосфере достигает значения примерно 3000 К. Таким 
образом, верхняя атмосфера (h > 50 км) является существенно 
неравновесной средой как по температуре, так и по концентрации 
различных компонентов.
Если говорить о возмущениях ионосферы антропогенной природы, то их можно с определенной степенью условности подразделить 
на следующие группы:
возмущения, обусловленные действием на воздух квантов жесткого ультрафиолетового, рентгеновского и гамма излучения;
возмущения, связанные с прохождением через разреженную 
атмосферу пучков заряженных частиц – прежде всего, потоков 
высокоэнергетичных электронов;

−

−

Введение
14

возмущения, обусловленные воздействием на ионосферу мощного направленного потока радиоволн;
термо- и магнитогазодинамические возмущения, создаваемые 
взрывом химических ВВ, ядерными взрывами или выбросами 
плазменных или нейтральных сгустков;
химические возмущения, возникающие в результате выброса в 
атмосферу различных загрязняющих веществ в молекулярном 
или аэрозольном виде.
При таких возмущениях в результате динамических, химических, 
ионизационных и фотопроцессов в области возмущения может меняться температура, состав воздуха и его свойства. Ионизация воздуха 
и образование плазменных областей существенно влияет на распространение радиоволн, а возбуждение электронных и колебательных 
уровней атомов и молекул меняет его оптические свойства. При этом 
уровень ионизации и свечения воздуха в различных спектральных 
диапазонах может на порядки превосходить значения естественной 
атмосферы.
К настоящему времени в качестве активных методов исследования 
ионосферы уже проведено большое количество крупномасштабных 
геофизических экспериментов в ионосфере с исследованием плазмы. 
В связи с внедрением современных вычислительных средств в практику ионосферных исследований метод математического моделирования 
искусственных возмущений в последние годы бурно развивается и 
полученные этим методом результаты широко привлекаются для 
интерпретации данных, полученных в активных экспериментах. 
В данной работе изложены результаты теоретических исследований 
и численного моделирования лишь небольшого числа геофизических 
экспериментов в ионосфере, с интерпретацией которых в той или 
иной мере были связаны исследования авторов.
Так как успех развития любого научного направления связан с 
привлечением в него молодых ученых, то в первой части данной 
работы изложены основные теоретические положения и уравнения для описания газодинамической среды в МГД-приближении. 
По-видимому, это будет полезно для студентов старших курсов и 
аспирантов.
Далее изложены методология и результаты расчетно-теоретических 
исследований наиболее интересных, на наш взгляд, экспериментов, 
причем наибольшее внимание уделено геофизическим экспериментам 
с использованием ядерного взрыва.

−

−

−

ЧАСТЬ I

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ 
О ПРОЦЕССАХ И УРАВНЕНИЯХ, 
ОПИСЫВАЮЩИХ КРУПНОМАСШТАБНЫЕ 
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Г Л А В А 
 1

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ 
СРЕДЫ ДЛЯ ОПИСАНИЯ 
КРУПНОМАСШТАБНЫХ 
ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

В исследовании физических явлений, сопровождающих крупномасштабные геофизические эксперименты (КМГЭ), 
как и при изучении других сложных физических явлений, важную 
роль играет разработка физико-математической модели изучаемого 
явления. Достаточно полная и адекватная модель явления должна 
не только правильно описывать его, но и быть удобной для численной реализации, что позволит не только получать и анализировать 
результаты эксперимента, но и прогнозировать его постановку в 
условиях изменения исходных параметров.
Существует три способа математического описания поведения 
газа и плазмы: рассмотрение движения отдельных частиц — так 
называемый метод молекулярной динамики, метод кинетического 
уравнения для функции распределения частиц по скоростям и гидродинамический подход на основе модели сплошной среды.
Первый способ применим только для очень разреженных сред, 
когда взаимодействием частиц можно пренебречь и каждую частицу 
можно рассматривать, движущейся только под действием внешних 
сил. Состояние системы в этом случае определяется полным набором 
координат и импульсов всех частиц. Такой подход в настоящее время 
успешно используется для решения некоторых задач разрушения поверхностного слоя материала под действием ионов высокой энергии 
[1], а также в численном исследовании аэрозольной плазмы [2].
С ростом концентрации индивидуальное описание частиц 
становится невозможным и прибегают к статистическому методу 
описания поведения частиц, в котором используется понятие вероятности — вероятное число частиц, находящееся в момент времени t 
в элементе физического объёма drс координатами от r  до r
dr
+
 

Глава 1. Математические модели среды

и обладающими скоростями от v  до v
dv
+
. Оно определяется 
величиной f r v t drv
, ,
(
)
, где f r v t
, ,
(
)  — функция распределения 
частиц, удовлетворяющая кинетическому уравнению Больцмана. 
Интегродифференциальный характер и нелинейность этого уравнения существенно ограничивает круг тех задач, которые могут быть 
решены на его основе.
Если характерный масштаб описываемого явления велик по сравнению с длиной свободного пробега частиц, а характерные частоты 
много меньше частот столкновения частиц, то действительный интерес представляют лишь осреднённые характеристики среды, такие 
как плотность ρ r t,
(
), температура T r t
,
(
) , скорость направленного 
движения 
,
u r t
(
) , давление P r t
,
(
). Описание среды с помощью 
этих осреднённых характеристик называется гидродинамическим 
или магнитогидродинамическим, если речь идет о проводящей 
среде в электромагнитном поле (МГД-приближение). Для решения 
некоторых задач динамики разреженной плазмы, где столкновительный критерий применимости МГД-приближения для ионов, строго 
говоря, не выполняется, используют так называемый гибридный 
подход, в котором электроны описываются в гидродинамическом 
приближении, а ионы — на основе бесстолкновительного приближения Власова. Последнее обстоятельство ограничивает применимость 
метода сравнительно короткими временами, а предположение о неучёте кинетики и диффузии поля делает описание многих явлений с 
помощью этого метода ещё более далеким от реальности, чем МГДприближение. Поэтому с помощью данного метода вряд ли можно 
рассчитывать на получение достаточно полной картины поведения 
плазмы в крупномасштабных экспериментах до времён, представляющих практический интерес. По-видимому, наиболее эффективно его 
можно использовать при исследовании частных вопросов, например, 
при анализе ламинарного механизма бесстолкновительного ускорения ионов окружающего частично ионизированного газа магнитным 
полем на фронте разлетающейся плазмы.
С другой стороны, для плазмы в магнитном поле, даже при 
малых частотах столкновений частиц во многих случаях возможно МГД-описание, если характерный масштаб явления велик по 
сравнению с ларморовским радиусом ионов, а характерная частота 
много меньше циклотронной частоты. Таким образом, достаточно 
убедительное обоснование применимости того или иного приближения можно сделать лишь рассматривая условия конкретной задачи. 
Анализ показывает, что большинство явлений, происходящих при