Yıldırım kaynaklı elektromanyetik dalgaların alt iyonküreyi ısıtma ve iyonlaşma süreçleri
Heating and ionization processes to lower ionosphere by lightning induced electromagnetic waves
Yazar: RAMAZAN ATICI
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ESAT GÜZEL
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Yüksek Enerji ve Plazma Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tezde, bulut-yer arası yıldırım boşalmalarının dönüş darbesinden yayınlanan VLF (Very Low Frequency) bandındaki elektromanyetik (EM) ışımanın, gece alt iyonküreyi ısıtması ve iyonlaştırması araştırılmıştır. Bu amaçla, alt iyonküredeki elektronların sıcaklıkları Maxwellian dağılımı kullanılarak elde edilen elektron enerji denge denklemi aracılığıyla hesaplanmıştır. Hesaplamalarda Yer?in manyetik alanının etkisi de kullanılmış ve manyetik alanın yıldırım kaynaklı EM dalgayı farklı modlara ayırdığı görülmüştür. Tüm bu EM dalga modlarının alt iyonküre elektron sıcaklığını elektrik alan ile orantılı olarak önemli derecede arttırdığı görülmüştür. Elektron sıcaklığının 10 V/m lik elektrik alan değerinde tüm modlar için yaklaşık 9000 oK ile 11000 oK e kadar yükseldiği görülmüştür. Bu sıcaklıklara yaklaşık olarak 85-90 km yükseklikte ulaşılmıştır. Elektrik alanın artması ile maksimum sıcaklık değerine ulaşılan yüksekliğin de yukarı doğru kaydığı görülmüştür. EM dalganın sağa (R-right) kutuplanmış modunun diğer dalga modları gibi 95-100 km yükseklikte etkisini yitirmeyip iyonkürede ilerlemesine devam ettiği görülmüştür.  
Yıldırım etkili iyonlaşma alt iyonkürenin basit dört bileşenli bir modeli kullanılarak hesaplandı. Ancak bu modele daha önceki çalışmalarda ihmal edilen iki-cisim bağlanma reaksiyonu ve özellikle 72 km yükseklikten sonra etkili olan aktif türlerin birleşmeli ayrışma reaksiyonları dâhil edildi. Hesaplamalar sonucunda elektron yoğunluğu üzerinde üç cisim bağlanma sürecinin 50-72 km arasında, birleşmeli ayrışma sürecinin yaklaşık 72-85 km arasında ve iki cisim bağlanma sürecinin yaklaşık 85-95 km arasında etkili olduğu görüldü. Aktif türlerden ayrışmanın uygulanan elektrik alan değerine çok fazla bağlı olmadığı görüldü. Buna karşın, elektronların iki-cisim bağlanmasının uygulanan elektrik alan değerlerine keskin bir bağlılığın olduğu görüldü. Ayrıca bu çalışmada kullanılan elektrik alan değerleri için, EM dalganın alt iyonküre ile etkileşme süresi boyunca çok sayıda iyonlaşmanın olmasından dolayı, elektron yoğunluğunun tedirgin olmuş değerinin tedirgin olmamış durumdakinden yaklaşık 5,5 kata kadar daha fazla olduğu bulunmuştur.

Anahtar Kelimeler: Yıldırım, Alt iyonküre, EM dalgalar, Isınma ve İyonlaşma

Abstract:
In this thesis, it is investigated heating and ionization of the nighttime lower ionosphere  by electromagnetic radiation in the VLF (Very Low Frequency) band that transmitted by cloud-to-ground (CG) lightning return stroke. For this purpose, temperature of electrons in the lower ionosphere is calculated by electron energy balance equation that obtained by using Maxwellian distribution. The effect of the Earth?s magnetic field is also used in calculations and seen that the magnetic field allocated the lightning-induced EM wave to different modes. It is observed that all these EM wave modes increase significantly to electron temperature of lower ionosphere in proportion to the electrical field. In the 10 V/m of the electrical field for all modes, it is seen that electron temperature increased about by 9000-11000 oK. These temperatures reached an altitude of about 85-90 km. With the increase of the electric field, it is seen that the altitude where reached maximum temperature values shifted upward. The Right-Handed mode of EM wave seen continued to progress without lose the effect to 95-100 km altitude as other modes. 
Lightning induced ionization is calculated by using a simple four-component model of lower ionosphere. However, two-body attachment reaction which neglected in previous studies and associative detachment of active species reaction which effected especially above 72 km altitude are included to this model. In the result of calculations, three-body attachment process between the 50-72 km altitude, associative detachment process between about 72-85 km altitude and two-body attachment process between about 85-95 km altitude on the electron density were observed to be effective. It seen that attachment of active species not depend very much on the value of applied electric field. In contrast, it observed that two-body attachment of electrons depend sharply on values of applied electric field. Moreover, for the values of electric field used in this study, because of to be much ionization by interaction time with lower ionosphere of EM wave, it is found that perturbed value of electron density greater than by 5.5 times from its not perturbed value.
Key Words: Lightning, Lower Ionosphere, EM Waves, Heating and Ionization