بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله تاثیر فرکانس برخورد الکترون با یونها و ذرات خنثی بر گرمایش لایههای E و D یونسفر زمین مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد که وقتی فرکانس برخورد الکترونها با دیگر اجزای پلاسما، وابستگی دمایی داشته باشند، میزان افزایش گرمایش یونسفر بیشتر از حالتی است که مستقل از دما باشد. همچنین میزان گرمایش یونسفر برای ارتفاعهای مختلف برای تابعیت دمایی فرکانس برخوردی مورد بررسی قرار گرفته است.
مقدمه:
یونسفر زمین یکی از لایههای اتسمفر زمین میباشد که از ارتفاع 60 کیلومتری سطح زمین شروع شده و تا ارتفاع 300 کیلومتری ادامه می- یابد. ذرات تشکیل دهندهی یونسفر شامل الکترونها، یون ها و مولکولها و ذرات خنثی میباشند. یونسفر شامل لایههای D ، E وF میباشد که خود لایهی F به هنگام روز که یونیزاسیون صورت میگیرد به لایههایF1 وF2 تقسیم میشود.
یکی از زمینههای پژوهشی جالب در مورد یونسفر، گرمایش آن میباشد و یکی از پارامترهای مهم در گرمایش یونسفر، فرکانس برخورد الکترونها با سایر ذرات موجود در یونسفر میباشد. به طور طبیعی برخورد بین الکترونها و یونها و ذرات خنثی در یونسفر اتفاق میافتد ولی این امر زمانی مهم خواهد بود که پلاسمای یونسفر با موج الکترومغناطیسی که وارد آن میشود - موج پمپ - اندرکنش کند.
در اثر این اندرکنش موج الکترومغناطیسی به الکترونها انرژی داده و در نتیجه تغییری در انرژی الکترون به وجود میآید که این تغییر انرژی، برخورد الکترون با یونها یا ذرات خنثی را تحت تاثیر قرار میدهد بنابرین فرکانس برخورد الکترونها با سایر ذرات در این اندرکنش نقش مهمی ایفا میکند. درکارهای انجام گرفتهقبلی2]،[1، فرکانس برخوردی مستقل از دمای الکترونی در نظر گرفته میشد،
در این مقاله بدون در نظر گرفتن این استقلال دمایی، نقش فرکانس برخورد الکترونها با یونها و ذرات خنثی در حالتی که این فرکانس وابسته به دمای الکترونی میباشد، در گرمایش یونسفر به خصوص درتغییر دمای یونسفر و همچنین نقش ارتفاع بر گرمایش مورد بررسی قرار میگیرد.
تغییرات دمایی الکترون
اگر موج الکترومغناطیسی وارد پلاسمای یونسفر شود در این صورت تبادل انرژی بین موج و الکترونها رخ میدهد نتیجه این امر افزایش دمای الکترونی خواهد بود. این تغییر دما به پارامترهای موج پمپ و همچنین شرایط یونسفر وابسته میباشد. از جمله شرایط یونسفر در تغییر دمای آن میتوان به فرکانس برخورد الکترونها با یونها یا سایر ذرات خنثی اشاره نمود، در این صورت میتوان دو حالت در نظر گرفت، حالت اول حالت فرکانس برخورد مستقل از دما و حالت دوم فرکانس برخورد وابسته به دمای الکترونی. فرکانس برخوردی مستقل از دمای الکترونی میزان انرژی که به الکترونها داده میشود توسط قانون اهم بیان میشود که به صورت زیر میباشد:[2]
که در آن 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. اگر رسانندگی به صورت زیر فرض شود در این صورت:
- فرکانس برخوردی آپلتون - هارتری برای الکترون، چگالی الکترونی، جرم الکترون و فرکانس زاویهای موج پمپ میباشد. با توجه به اینکه [3] = 5 2 خواهیم داشت:
فرکانس برخوردی متوسط برای گاز الکترونی در انرژی می- باشد. میدان الکتریکی وابسته به ارتفاع موج پمپ، به صورت زیر تعریف میشود:
ضریب گذردهی الکتریکی، ضریب تراوایی مغناطیسی، دهانهی موثر آنتن فرستنده بر حسب متر مربع و توان موج پمپ بر حسب مگاوات میباشد. در این صورت:
با فرض این که نرخ از دست دادن انرژی در اثر برخورد به صورت - − 0 - باشد، که U انرژی لحظهای الکترون در واحد حجم، 0 انرژی حالت غیر اختلالی و کسر انرژی است که الکترون در هر برخورد از دست می دهد. حال اگر معادلهی تعادل انرژی برای گاز الکترونی نوشته شود :
این رابطه با این فرض به دست آمده است که فرستنده روشن باشد و موج پمپ تولید شود، همچنین فرکانس برخورد متوسط، مستقل از دمای الکترونی باشد. اگر فرستنده خاموش شود در این صورت موجی وارد یونسفر نخواهد شد و در نتیجه دمای الکترونها طبق رابطهی زیر کاهش مییابد.
در شکل 1 نحوهی تغییرات دمای الکترونها با زمان برای دو حالت فرستنده روشن و خاموش نشان داده شده است. در تمامی منحنیها، فرستنده به مدت 10 روشن میباشد و سپس خاموش میشود.
شکل : 1 نمودار تغییرات دمای الکترونی بر حسب زمان برای ارتفاع 80 کیلومتر در حالتی که فرکانس برخورد وابسته به دمای الکترونی نباشد. برای رسم این منحنی دادههای زیر مورد استفاده قرار گرفته است:
فرکانس برخوردی وابسته به دمای الکترونی
هدف اصلی در این مقاله بررسی تاثیر فرکانس برخوردی وابسته به دمای الکترونی در گرمایش آن میباشد. بنابرین با استفاده از کارهای انجام گرفتهی قبلی که این فرکانس، مستقل از دما فرض شده بود می-توان رابطهی 7 را مورد استفاده قرار داد ولی با این تفاوت که فرکانس وابسته به دمای الکترونی خواهد بود:
بنابرین به راحتی نمیتوان از این رابطه انتگرال گرفته و تغییرات دمای الکترونی را بر حسب زمان به دست آورد. برای حل این معادله باید وابستگی فرکانس به دمای الکترونی مشخص شود. از آنجایی که در
ناحیهی E یونهای غالب یونهای 2+ , 2+, + میباشند[4] و 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 که به صورت تقریبی از روابط زیر به دست میآیند[5] در نظر گرفته شوند:
با استفاده از روابط 14 تا 18، - - - فرکانس برخوردی متوسط کل - محاسبه میشود و با جاگذاری آن در رابطهی13 و حل عددی معادلهی به دست آمده، نمودار تغییرات دمای الکترونی بر حسب زمان به صورت شکل شمارهی 2 به دست میآید:
شکل : 2 نمودار تغییرات دمای الکترونی بر حسب زمان برای ارتفاع 80 کیلومتر در حالتی که فرکانس وابسته به دمای الکترونی باشد.برای رسم این منحنی دادههای زیر مورد استفاده قرار گرفته است
