بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه، تاثیر توان موج الکترومغناطیسی پمپ شده به یونسفر زمین بر گرمایش آن به صورت تئوری مورد مطالعه قرار گرفته و نشان داده شده است که با افزایش توان موج الکترومغناطیسی، تغییرات دمایی الکترون و در نتیجه گرمایش آن نیز افرایش مییابد و سایر پارامترهای یونسفر همانند چگالی جریان، ضریب رسانندگی و فرکانس امواج ثانویه تولید شده، با تغییر توان موج پمپ تغییر میکنند.
مقدمه:
یونسفر زمین که ارتفاع 60 تا 300 کیلومتری جو زمین را تشکیل میدهد به عنوان یک پلاسمای طبیعی شناخته میشود که از آن میتوان به عنوان یک آزمایشگاه طبیعی پلاسما نام برد. گرمایش یونسفر یکی از زمینههای پژوهشی میباشد که با استفاده از امواج الکترومغناطیسی می- توان آن را انجام داد. از آنجایی که یونسفر پلاسمای کم یونیده میباشد
از این رو میتواند با یک موج الکترومغناطیسی اندرکنش انجام دهد. این اندرکنش سبب تغییراتی در یونسفر زمین میشود از جملهی این تغییرات میتوان به تغییر در دمای الکترونها و به تبع آن تغییر دررسانندگی پلاسمای یونسفر اشاره کرد. تغییرات یاد شده وابسته به موج الکترومغناطیسی ورودی به یونسفر - موج پمپ - هستند. بنابرین پارامترهای موج الکترومغناطیسی برای بررسی این تغییرات مهم خواهند بود. توان، فرکانس و قطبش از مهمترین این پارامترها می باشند. در ادامه پارامتر توان مورد بررسی قرار میگیرد و تغییرات ایجاد شده در یونسفر در اثر تغییر در توان موج پمپ مورد بحث قرار میگیرد.
تغییرات دمایی الکترون
اندرکنش موج الکترومغناطیسی با یونسفر موجب تبادل انرژی بین موج و الکترونهای موجود در یونسفر میشود، در نتیجه دمای الکترونها افزایش مییابد، این تغییر دما به پارامترهای موج پمپ و همچنین شرایط یونسفر وابسته میباشد. انرژی انتقالی به الکترونها طبق رابطهی قانون اهم به صورت زیر میباشد:[1]
Ω توان جذب شده در واحد حجم بر حسب وات بر متر مکعب ،
رسانندگی بر حسب 1Ω و E ماکزیمم شدت میدان الکتریکی موج پمپ بر حسب ولت بر متر میباشد. رسانندگی به صورت زیر میباشد :
فرکانس برخوردی آپلتون- هارتری برای الکترون، چگالی
الکترونی، جرم الکترون و فرکانس زاویهای موج پمپ میباشد.
از طرفی [2] = 5 2 بنابرین رابطهی زیر به دست میآید:
میدان الکتریکی موج پمپ وابسته به ارتفاع، به صورت زیر تعریف میشود:[1]
فرکانس برخوردی متوسط برای گاز الکترونی در انرژی ، 0 ضریب گذردهی الکتریکی، 0 ضریب تراوایی مغناطیسی،
دهانهی موثر آنتن فرستنده بر حسب متر مربع و توان موج پمپ بر
حسب مگا وات می باشد. در این صورت:
نرخ انرژی که الکترونها در اثر برخورد با سایر ذرات از دست می-
دهند به صورت - − 0 - فرض میشود که U انرژی لحظه-
ای الکترون در واحد حجم و 0 انرژی حالت غیر اختلالی میباشد و کسر انرژی است که الکترون در هر برخورد از دست می دهد.
حال اگر معادلهی تعادل انرژی را برای گاز الکترونی نوشته شود :
در این رابطه فرکانس برخوردی متوسط مستقل از دمای الکترونی فرض شده است. با خاموش شدن فرستنده دمای الکترونها به صورت زیر کاهش مییابد:
در شکل شماره 1 نحوه تغییرات دمای الکترون با زمان برای دو حالت فرستنده روشن و خاموش، با استفاده از دادههای زیر، نشان داده شده است:
شکل : 1 نمودار تغییرات دمای الکترونی بر حسب زمان برای ارتفاع 80 کیلومتر در حالتی که فرکانس وابسته به دمای الکترونی نباشد.
با تغییر دمای الکترونها، رسانندگی پلاسمای یونسفر نیز تغییر می کند. اگر در منطقهی گرمایش ≪ Ω در این صورت فقط رسانندگی پدرسن غالب خواهد بود:
با فرض ضعیف بودن وابستگی دمایی فرکانس، میتوان نوشت
طبق رابطهی 14، چگالی جریان وابسته به دمای الکترونی میشود.
فرکانس برخوردی وابسته به دمای الکترونی در این حالت باز رابطهی زیر صادق خواهد بود ولی با این تفاوت که فرکانس وابسته به دمای الکترونی خواهد بود:
برای حل این معادله باید وابستگی فرکانس به دمای الکترونی مشخص
شود. در ناحیهی E یونهای غالب یونهای 2+ , 2+, + می-باشند.[5] در ناحیهی D نیز به دلیل یونیزاسیون کم، اکثرا ذرات خنثی و مولکولهای این یونها غالب هستند. بنابرین منطقی خواهد بود که فرکانس برخوردی الکترون با این یونها و ذرات خنثی در نظر گرفته شود. فرکانس برخوردی الکترون با ذرات یاد شده به صورت تقریبی از روابط زیر به دست میآید:
با استفاده از روابط - 18 - تا - 23 - ، - - محاسبه میشود و با جاگذاری آن در رابطهی - 17 - معادلهی به دست آمده به صورت تحلیلی قابل حل نخواهد بود، بنابرین با استفاده از روشهای عددی این معادله حل شده و نتیجه آن به صورت نمودار تغییرات دمای الکترونی بر حسب زمان توسط شکل 2 نشان داده شده است که برای رسم آن
دادههای زیر مورد استفاده قرار گرفته است1
شکل : 2 نمودار تغییرات دما بر حسب زمان با فرکانس وابسته در ارتفاع 80 کیلومتر
