Preview

Bulletin of State University of Education. Series: Physics and Mathematics

Advanced search

GAS DISCHARGE IN THE IONOSPHERE OF THE NEGATIVELY CHARGED EARTH

https://doi.org/ 10.18384/2310-7251-2018-4-36-53

Abstract

A mathematical model is proposed for taking into account contactless heating of electrons by a long-range electric field in the region of charged structures, in particular, in the upper layers of the atmosphere of the negatively charged earth. Based on the Einstein-Smoluchowski (or rather Nernst-Townsend) relation, Te = e ⋅ De/μeα(E/N)0.86, we used the experimental values of the particle number density of air, N, to calculate for the first time a possible temperature profile of electrons, Te, in the mesosphere and ionosphere as a function of the charge of the Earth and the distance to its surface. It is found that at altitudes of about 36 km above the Earth surface negatively charged up to 500 000 C, the E/N parameter reaches breakdown values (100 Td), and, therefore, a self-sustained discharge is initiated up at these altitudes. At these altitudes, a compensation layer of a positive space charge can develop (standing electric field shock wave). The processes of direct ionization of air particles by electrons in an electric field of the negatively charged earth are also important in plasma production processes. Calculations of the parameters of electrons in the atmosphere and the ionosphere are compared with the available experimental data. On the basis of a mathematical model, the profile (from height above sea level) of the electron concentration ne is obtained analytically for the first time for the mesosphere and ionosphere of the negatively charged earth. Comparison of these results with experimental observations shows that the transition profiles of the electron concentration in the mesosphere and the Earth’s ionosphere are determined by the processes of ambipolar drift caused by different dependences of the drift velocities of electrons and ions on the electric field intensity. The results are of practical interest for developers of such systems as GLONASS and GPS.

About the Authors

Philip I. Vysikaylo
Moscow Region State University
Russian Federation


Grigory Yu. Nekrasov
Moscow Region State University
Russian Federation


Nikita A. Pronin
Moscow Region State University
Russian Federation


References

1. Сборник тезисов докладов Тринадцатой ежегодной конференции «Физика плазмы в солнечной системе» (12-16 февраля 2018, ИКИ РАН, г. Москва) [Электронный ресурс]. URL: https://plasma2018.cosmos.ru/docs/abstract-book-plasma2018.pdf (дата обращения: 10.11.2018).

2. Тонкие токовые слои: от работ Гинзбурга - Сыроватского до наших дней / Зелëный Л.М., Малова Х.В., Григоренко Е.Е., Попов В.Ю. // Успехи физических наук. 2016. Т. 186. Выпуск 11. С. 1153-1188.

3. Динамические характеристики плазменной турбулентности ионосферы, инициированной воздействием мощного коротковолнового радиоизлучения / Грач С.М., Сергеев Е.Н., Мишин Е.В., А.В. Шиндин // Успехи физических наук. 2016. Т. 186. Выпуск 11. С. 1189-1228.

4. Формирование плазменно-пылевых облаков при ударе метеороида о поверхность Луны / Попель С.И., Голубь А.П., Захаров А.В., Зеленый Л.М., Бережной А.А., Зубко Е.С., Итен М., Лена Р., Спозетти С., Великодский Ю.И., Терещенко А.А., Атаманюк Б. // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2018. Т. 108. Выпуск 6. С. 379-387.

5. Vysikaylo Ph.I., Korotkova M.A. Determination of the Sun’s charge by the parameters of heavy ions in the solar wind [Электронный ресурс] // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1009 : [сайт]. URL: http://china.iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1009/1/012020/pdf (дата обращения: 10.11.2018).

6. Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере. // Успехи физических наук. 2007. Т. 177. Выпуск 11. С. 1145-1179.

7. Высикайло Ф.И. Кумуляция электрического поля в диссипативных структурах в газоразрядной плазме. // Журнал экспериментальной и технической физики. 2004. Т. 125. № 5. С. 1071-1081.

8. Высикайло Ф.И. Скачки параметров неоднородной столкновительной плазмы с током, обусловленные нарушением квазинейтральности // Физика плазмы. 1985. Т. 11. № 10. С. 1256-1261.

9. Высикайло Ф.И., Напартович А.П., Стационарная одномерная модель разряда в электроотрицательном газе [Электронный ресурс] // Теплофизика высоких температур : [сайт]. 1981. Т. 19. Выпуск 2. С. 421-424. URL: http://www.mathnet.ru/links/21054ac583852318f473ea0a9ddfa156/tvt8261.pdf (дата обращения: 10.11.2018).

10. Особенности переноса тока в разряде в поперечном сверхзвуковом потоке газа при формировании цилиндрических, кумулятивных структур (плазмоидов) / Высикайло Ф.И., Ершов А.П., Кузьмин М.И., Тивков А.С., Чекалин Б.В. [Электронный ресурс] // Физико-химическая кинетика в газовой динамике: [сайт]. 2007. Т. 5. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2007-5/articles/44/ (дата обращения: 10.11.2018).

11. Столетов А.Г. Актино-электрические исследования // Журнал Русского физико-химического общества. Часть физическая. 1889. Т. 21. Вып. 7-8. С. 159-206.

12. Хаксли Л., Кромптон Р. Диффузия и дрейф электронов в газах. М.: Мир, 1977, С. 626-627.

13. Мак-Даниель И., Мэзон Э. Подвижность и диффузия ионов в газах. М.: Мир, 1976. 422 с.

14. Высикайло Ф.И. Процессы амбиполярного переноса в формировании неоднородных профилей в структурах в газоразрядной плазме: дис. … докт. ф.-м. наук. Троицк, Московская область, 2003, 268 с.

15. Высикайло Ф.И., Кузьмин М.И., Чекалин Б.В. Решение уравнений Громека-Ламба по теории возмущений [Электронный ресурс] // Математическое моделирование: [сайт]. 2006. Т. 18. № 12. С. 52-66. http://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=mm&paperid=132&option_lang=rus#forwardlinks (дата обращения: 10.11.2018).

16. Смирнов Б.М. Физика глобальной атмосферы. Парниковый эффект, атмосферное электричество, эволюция климата. Долгопрудный: Интеллект, 2017. 256 с.

17. Квазиадиабатическое описание динамики заряженных частиц в космической плазме / Зеленый Л.М., Нейштадт А.И., Артемьев А.В., Вайнштейн Д.Л., Малова Х.В. // Успехи физических наук. 2013. Т. 183. Выпуск 4. С. 365-415.

18. АТМОСФЕРЫ СПРАВОЧНЫЕ. Параметры. ГОСТ 24631-81 [Электронный ресурс]. URL: http://www.complexdoc.ru/ntdpdf/48147.3/atmosfery_spravochnye_parametry.pdf (дата обращения: 10.11.2018).

19. Мартынов Д.Я. Курс общей астрофизики. М.: Наука, 1971. 616 с.

20. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Том 1. Механика. 5-е изд. М.: Физматлит, 2013. 224 с.

21. Высикайло Ф.И. «Квазикуперовские» бициклоны. Турбулентные структуры с вращением и кумулятивными струями // Инженерная физика. 2013. № 7. С. 3-36.

22. Паркер Э. Солнечный ветер // Успехи физических наук. 1964. Т. 84. Выпуск 9. С. 169-182.

23. Высикайло Ф.И. Точки, линии и поверхности либрации (кумуляции) Высикайло-Эйлера в неоднородных структурах в плазме с током // XXXVII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. 8-12 февраля 2010 г. [Электронный ресурс]. URL: http://www.fpl.gpi.ru/Zvenigorod/XXXVII/T.html#Sekcija%20T (дата обращения: 10.11.2018).

24. Vysikaylo P.I. Cumulative Point-L1 Between Two Positively Charged Plasma Structures (3-D Strata) // IEEE Transactions on Plasma Science. 2014. Vol. 42. Iss. 12. PP. 3931-3935.

25. Высикайло Ф.И. Архитектура кумуляции в диссипативных структурах. Saarbrucken: Palmarium Academic Publishing, 2013. 352 p.


Review

Views: 73


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2949-5083 (Print)
ISSN 2949-5067 (Online)