Министерство образования Российской Федерации
Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского

"УТВЕРЖДАЮ"
Декан радиофизического факультета
профессор ___________ С.Н.Гурбатов

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
курса
"РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН В НЕОДНОРОДНОЙ ПЛАЗМЕ"
для направления подготовки 511500 - Радиофизика
(спецкурс)
и для специальности 071500 - Радиофизика и электроника
(спецкурс)
Н.Новгород - 2001

1. Организационно-методический раздел.

    Проблемы, возникающие при проектировании и эксплуатации современных систем радиосвязи, радиолокации и радионавигации, требуют высокого уровня подготовки специалистов в области распространения радиоволн в околоземном пространстве, в том числе в ионосфере Земли. Спецкурс "Распространение волн в неоднородной плазме" создает необходимую теоретическую базу для изучения механизмов распространения волн в ионосферной плазме. Спецкурс предназначен для подготовки специалистов по специальности "Радиофизика и электроника". Спецкурс "Распространение радиоволн в неоднородной плазме" читается в 7 семестре для студентов четвертого курса, специализирующихся на кафедре радиоастрономии и распространения радиоволн. Спецкурс опирается на материал, излагаемый в общем курсе электродинамики (раздел "Электромагнитные волны в диспергирующих средах"), в спецкурсе "Введение в физику ионосферы и магнитосферы" (раздел "Волны в однородной плазме").
    Цель курса - сформировать у студентов современное представление об основных закономерностях распространения электромагнитных волн в неоднородных средах, о методах расчета электромагнитных полей в неоднородной плазме.

    Полученные знания должны способствовать умению:

2. Содержание курса.

I. ВВЕДЕНИЕ.

Основные параметры плазмы. Характерные масштабы неоднородности плазмы (ионосферная плазма, плазма солнечной короны, межзвездная среда). Плоские волны в однородной поглощающей среде.

II. МЕТОД ВОЗМУЩЕНИЙ (БОРНОВСКОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ) В СЛОИСТО-НЕОДНОРОДНОЙ ИЗОТРОПНОЙ ПЛАЗМЕ.

Система уравнений последовательных приближений. Выражения для коэффициентов отражения и прохождения плоской волны при наличии слабой локальной неоднородности в среде.

III. МЕТОД ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ (МГО) ДЛЯ НОРМАЛЬНОГО ПАДЕНИЯ ВОЛН НА СЛОИСТО-НЕОДНОРОДНУЮ ИЗОТРОПНУЮ ПЛАЗМУ.

Формулы для фазы и амплитуды волны. Пределы применимости МГО.

IV. СТРОГИЕ РЕШЕНИЯ ВОЛНОВОГО УРАВНЕНИЯ ДЛЯ НОРМАЛЬНОГО ПАДЕНИЯ ПЛОСКОЙ МОНОХРОМАТИЧЕСКОЙ ВОЛНЫНА СЛОИСТО-НЕОДНОРОДНУЮ СРЕДУ.

Линейный слой. Функции Эйри. Переход к приближению геометрической оптики. Обзор известных строгих решений.

V. НАКЛОННОЕ ПАДЕНИЕ ВОЛН НА СЛОИСТО-НЕОДНОРОДНУЮ ИЗОТРОПНУЮ ПЛАЗМУ.

Распространение ТЕ-волн. Фаза и амплитуда волны. Переход от волнового описания к лучевому. Закон Снеллиуса. Распространение ТМ-волн. Особенности поля волны в области плазменного резонанса. Взаимодействие электромагнитных и плазменных волн.

VI. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В СЛОИСТО-НЕОДНОРОДНОЙ МАГНИТОАКТИВНОЙ ПЛАЗМЕ (НОРМАЛЬНОЕ ПАДЕНИЕ).

Фаза, поляризация и амплитуда нормальных волн. Пределы применимости МГО. Области нарушения приближения геометрической оптики в слоисто-неоднородной магнитоактивной плазме. Линейное взаимодействие нормальных волн. Предельная поляризация. Эффект утраивания отраженных сигналов.

VII. МЕТОД ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ ДЛЯ СКАЛЯРНЫХ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ В ТРЕХМЕРНО-НЕОДНОРОДНОЙ ИЗОТРОПНОЙ СРЕДЕ.

Система уравнений последовательных приближений. Уравнение эйконала. Лучи. Уравнение переноса. Закон сохранения энергии в лучевой трубке. Амплитуда волны в нулевом приближении геометрической оптики. Каустики. Слоистые среды.

VIII. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ТРЕХМЕРНО-НЕОДНОРОДНОЙ ИЗОТРОПНОЙ ПЛАЗМЕ.

Уравнения Максвелла для монохроматических волн. Дебаевское разложение. Уравнение эйконала. Уравнение переноса. Закон сохранения потока энергии в лучевой трубке. Изменение поляризации вдоль луча.

IX. РАСПРОСТАРНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ТРЕХМЕРНО-НЕОДНОРОДНОЙ МАГНИТОАКТИВНОЙ ПЛАЗМЕ.

Исходные уравнения. Уравнения последовательных приближений. Уравнение эйконала. Лучевые траектории. Методы решения уравнений для лучей. Векторы поляризации нормальных волн. Уравнение переноса для амплитуд нормальных волн. Закон сохранения потока энергии в лучевой трубке.

X. ВОЛНЫ В ПЛОСКО-СЛОИСТОЙ МАГНИТОАКТИВНОЙ ПЛАЗМЕ.

Квартика Букера. Особенности лучевых траекторий радиоволн в ионосферной плазме.

XI. ИМПУЛЬСНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ИОНОСФЕРЫ.

Вертикальное зондирование. Ионосферная станция. Ионограммы. Определение профиля электронной концентрации в ионосфере по ионограммам. Наклонное зондирование. Закон секанса. Теорема Брайта и Тьюва. Теорема Мартина.

XII. РАСПРОСТРАНЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ.

Свистящие атмосферики (свисты). Лучевые траектории. Дисперсия свистов. Диагностика околоземной плазмы с помощью свистов.

XIII. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛН В НЕОДНОРОДНОЙ ПЛАЗМЕ.

Лучевые траектории ленгмюровских волн в слоисто-неоднородной плазме. Зондирование ионосферы сверху. Плазменные резонансы.

3. Распределение часов курса по темам и видам работ.

N
п/п

Наименование
тем и разделов

Всего
часов

Аудиторные занятия

Самостоятельная
работа

Лекции

Практические занятия
 

I-II

4

3

  

1
 

III

3

2

  

1
 

IV

6

4

  

2
 

V

6

4

  

2
 

VI

6

4

  

2
 

VII

6

4

  

2
 

VIII

4

3

  

1
 

IX

4

3

  

1
 

X

3

2

  

1
 

XI

3

2

  

1
 

XII

3

2

  

1
 

XIII

2

1

  

1
 

ИТОГО:

50

34

  

16

4. Формы текущего, промежуточного и итогового контроля.

Текущий контроль: контрольная работа.

Итоговый контроль: зачет в конце 7-го семестра.

5. Учебно-методическое обеспечение курса.

5.1. Рекомендуемая литература (основная).

  1. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. - М.: Наука, 1973.- 344 с.
  2. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. - М.: Наука, 1967. - 684 с.
  3. Гершман Б.Н., Ерухимов Л.М., Яшин Ю.Я. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. - М.: Наука, 1984. - 392 с.
  4. Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И. Геометрическая оптика неоднородных сред. - М.: Наука, 1980. - 304 с.

5.2. Рекомендуемая литература (дополнительная).

  1. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. - М.: Мир, 1973. - 504 с.
  2. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. - М.: Наука, 1979. - 384 с.
  3. Железняков В.В. Электромагнитные волны в космической плазме. - М.: Наука, 1977. - 432 с.

Составитель программы
доцент В.А.Яшнов

Зав. кафедрой РА и РРВ
профессор В.Г.Гавриленко