CC BY
45
УДК 551.510.535
ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАЦИИ ИСКУССТВЕННЫХ МАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ В ДИАПАЗОНЕ РС1 НА АРХ. ШПИЦБЕРГЕН
А.А. Мочалов, А.Б. Пашин
Полярный геофизический институт КНЦ РАН
Аннотация
В течение 2006 г., с помощью установки SPEAR, на арх. Шпицберген, была проведена серия нагревных экспериментов. Регистрация искусственных магнитных пульсаций проводились на обсерватории Баренцбург, с помощью индукционного магнитометра Полярного геофизического института. Из 137 часов нагрева возбуждение искусственных эмиссий наблюдается только в 14, что составляет 10%. Подобное значение вероятности генерации пульсаций в герцовом диапазоне отмечалось ранее в экспериментах в авроральной зоне в Тромсе [1]. Также в этой работе было обнаружено, что искусственные возмущения могут появляться и пропадать во время нагрева без значительных изменений параметров ионосферы, определяющих генерацию пульсаций. Для повышения эффективности генерации искусственных эмиссий представляется важным найти причину такого спорадического характера искусственных пульсаций. Эксперименты на Шпицбергене могут дать новую информацию о генерации искусственных пульсаций герцового диапазона.
Ключевые слова:
искусственные магнитные пульсации, нагрев ионосферы, ионосфера.
Введение
Проблема выделения слабых сигналов из фоновых возмущений является сложной научно-технической задачей. Многообразие подходов к ее решению обусловлено различиями в природе полезного сигнала и фона. Особенности генерации искусственных возмущений при нагреве ионосферы мощным наземным КВ передатчиком связаны главным образом с особенностями полярной ионосферы. Эта область представляет собой частично ионизированную плазму, параметры которой зависят от большого числа переменных: местного времени, широты, магнитной активности и других. Особенно важной и интересной является связь ионосферных параметров с различными проявлениями магнитной активности. В высоких широтах пространственно-временное развитие естественной возмущенности проявляется в формировании и динамике авроральных электроджетов, в высыпаниях энергичных электронов, в вариациях магнитного и электрического полей. Искусственные возмущения, с одной стороны, способны развиваться в ионосфере достаточно для этого подготовленной, то есть с развитыми фоновыми возмущениями. С другой стороны, их величина во много раз меньше естественных возмущений, и в большинстве экспериментов отклика ионосферы на искусственное воздействие так и не было зарегистрировано. Измерения важнейшего первичного параметра - возмущенной электронной температуры, несмотря на современные диагностические средства, имеют принципиальные сложности, которые до сих пор не преодолены. Таким образом, искусственные эмиссии являются также и косвенным доказательством модификации ионосферных параметров.
В 2006 г. на нагревном стенде на арх. Шпицберген проводился ряд экспериментов, целью которых было наблюдение возмущений в магнитосфере, вызванных нагревом. Геофизические условия на Шпицбергене радикально отличаются от условий в авроральной зоне. Наклон силовых линий магнитного поля близкий к вертикальному направлению, отличие электронной концентрации и ионного состава вносят свои особенности в генерацию искусственных эмиссий.
Серия экспериментов проводилась на протяжении всего года, нагрев производился в разное время суток и с разной продолжительностью. Результатом наблюдений были низкочастотные эмиссии, которые регистрировались наземным магнетометром обсерватории Баренцбург. Число удачных экспериментов из общего числа экспериментов составляет примерно 10%.
Описание серии нагревных экспериментов проходивших в 2006 г. на установке SPEAR
Радиопередатчик посылает мощный высокочастотный (4.45 МГц) сигнал, промодулированный синусоидальной волной на частотах Рс1 диапазона (частота модуляции 1 и 3 Гц). Волна нагрева изменяет температуру электронов [2] в ограниченном объеме на высоте около 90 км (D-слой). Изменение электронной температуры через частоты столкновений изменяет ионосферную проводимость. Вариации проводимости в области нагрева приводят к возмущению токов в ионосфере и появлению продольных токов на границе нагретой области [3]. Магнитные эффекты токов могут наблюдаться на Земле как низкочастотные электромагнитные пульсации. Регистрация пульсаций производилась индукционным магнитометром в обсерватории ПГИ Баренцбург.
магнитометр магревная
установка
Рис. 1. Схема нагревного эксперимента
Пример регистрации искусственных пульсаций показан на рисунке 2, искусственный сигнал на частоте 3 Гц отчетливо виден на спектрограмме Н-компоненты магнитных вариаций, в D-компоненте
искусственные пульсации не наблюдаются.
H-component
D-componsní
40 50 Щ §р Щ
Time afterS.OO UT 12-07-2006, min
Рис. 2. Динамический спектр Н и D - компонент магнитного поля за 12 июля 2006 г.
Анализ экспериментов
Большое число проведенных в различных геофизических условиях экспериментов позволяет исследовать зависимость вероятности генерации искусственных пульсаций от магнитной активности в районе нагрева (рис. 3). Отсутствие зависимости вероятности успешных экспериментов от К-индекса побудило рассмотреть влияние параметров ионосферы на характеристики искусственных пульсаций в отдельных событиях. Для анализа использовались данные ионозонда, радаров SuperDARN и магнитные вариации обсерватории Лонгиер.
Рис. 3. Распределение количества нагревов относительно индекса магнитной активности. Белым цветом представлено общее количество экспериментов, а серым случаи генерации
Исследование конкретных событий 11, 12 и 15 июля 2006 г. также демонстрируют их спорадическую природу. Во время эксперимента 11 июля нагрев длился с 15.50 по 16.50 ЦТ, этот интервал характеризуется умеренной возмущенностью (К-индекс 3). Искусственные пульсации наблюдаются в Н - компоненте с 10 минутным прерыванием, в D - компоненте пульсации регистрируются только в первые 10 минут нагрева. В тоже время нагрев происходил в течение всего эксперимента, электронная концентрация и электрическое поле, определенные по косвенным данным, существенно не менялись. Такое поведение искусственных эмиссий отмечалось в авроральной зоне и получило называние спорадический характер искусственных пульсаций. Было показано, что генерация пульсаций может прекращаться при неизменных геофизических условиях, то есть происходить от случая к случаю.
Так как проведенные исследования не выявили влияния электрического поля и электронной плотности на генерацию искусственных эмиссий, появилась идея проверить зависимость магнитных пульсаций от интенсивности ионосферной токовой системы и ее положения относительно места нагрева. На рис. 4 представлено поведение горизонтальной компоненты возмущения магнитного поля и отношение его горизонтальной и вертикальной компонент во время проведения эксперимента. В верхней части показан динамический спектр возмущения магнитного поля в герцовом диапазоне в Н - компоненте, в средней части - график изменения горизонтальной компоненты магнитного поля во время эксперимента (определяющей интегральные ионосферные токи). В нижней части рисунка показано отношение горизонтальной компоненты к вертикальной. Величина отношения характеризует положение центра тяжести электроджета относительно магнитометра. Г оризонтальная компонента поля существенно не меняется в течение большей части эксперимента. График
отношения горизонтальной компоненты к вертикальной показывает переход через ноль в конце эксперимента, что означает проход электроджета над магнитометром. Небольшие вариации отношения мало коррелируют с амплитудой искусственных эмиссий. Таким образом, магнитные вариации не показывают значительных изменений ионосферной токовой системы. Центр «тяжести» электроджета, определяемый по отношению возмущений в горизонтальной компоненте к возмущению вертикальной, находился в стороне от области нагрева, в конце эксперимента он прошел через зенит, однако искусственные эмиссии в этот момент не наблюдались.
3.05 I
X
о
С 3 I
ш J I
13
СУ
ш
III
2.95 I
0
SQRT(H2+D2)
300
■§ 200
"о.
| 100
0|----------------1---------------1----------------I----------------1---------------1----------------
0 10 20 30 40 50 60
SQRT(H2+D2)/dZ
200
100
13
t о
Е
< -100
-200
0 10 20 30 40 50 60
Time after 15.50 UT 11-07-2006, min
Рис 4. Динамический спектр Н - компоненты магнитного поля на частоте 3Гц во время эксперимента, горизонтальная компонента магнитного поля, отношение горизонтальной компоненты магнитного поля к вертикальной для эксперимента 11.07.2006
В эксперименте 12.07.2006 года искусственные пульсации наблюдаются в Н - компоненте во время всего интервала нагрева (с 05.30 UT до 06.30 UT). В тоже время в D-компоненте эмиссии не регистрируются. Данные ионозонда демонстрируют значительные изменения высотного профиля электронной плотности. Электрическое ионосферное поле менялось во время эксперимента, как по направлению, так и по величине. Как и в предыдущем случае, рассмотрим зависимость магнитных пульсаций от интенсивности ионосферной токовой системы и ее положения относительно места нагрева (рис. 5). Возмущения ионосферных токов испытывает значительные вариации во время этого эксперимента, создавая на земной поверхности магнитные вариации в горизонтальной компоненте от 100 до 250 nT. Электроджет находился вдали от места нагрева, в конце эксперимента он сначала сместился к области нагрева, а потом опять удалился.
Эксперимент 15.07.2006 проходил в то же местное время и при такой же магнитной активности (k - индекс равен 4), что и нагрев 12 июля. Мощность волны накачки и частота модуляции также совпадали. Изменения электронной концентрации и электрического поля за интервал нагрева довольно значительны. Интенсивность ионосферной токовой системы постепенно уменьшалась, при этом электроджет удалялся в течение эксперимента. Искусственные пульсации во время эксперимента не наблюдались.
О 10 20 ЗО 40 50 60
Horizontal component of magnetic field, SQRT(dH2+dD )
0 10 20 30 40 50 60
Time after 5.30 UT 12-07-2006, min
Рис. 5. Динамический спектр Н- компоненты магнитного поля на частоте 3Гц во время эксперимента, горизонтальная компонента магнитного поля, отношение горизонтальной компоненты магнитного поля к вертикальной для эксперимента 12.07.2006
H-component
0 10 20 30 40 50 60
Horizontal component of magnetic field, SQRT(dH2+dD2) 300 --------------------1-------------------1-------------------1-------------------1-------
і—
200 "
|- 100 <
o'---------------------------1---------------------------1--------------------------1--------------------------1--------------------------1--------------------------
0 10 20 30 40 50 60
SQRT(dH2+dD2)/dZ
Рис. 6. Динамический спектр Н- компоненты магнитного поля на частоте 3Гц во время эксперимента, горизонтальная компонента магнитного поля, отношение горизонтальной компоненты магнитного поля к вертикальной для эксперимента 15.07.2006
Выводы
Во время нагревных экспериментов на установке SPEAR (арх. Шпицберген) были зарегистрированы искусственные магнитные пульсации на частоте модуляции. Эффективность возбуждения искусственных эмиссий в Pel диапазоне составляет 10%. Статистика не показала зависимости генерации искусственных пульсаций от магнитной активности.
Исследование конкретных событий позволило подтвердить спорадическую природу искусственных пульсаций герцового диапазона и получить новые черты ее проявления. Нагрев, проводившийся в одинаковых условиях, в одном случае привел к непрерывной их генерации, в другом - к отсутствию искусственных эмиссий. Также можно заключить, что изменения основных ионосферных параметров в течение одного эксперимента, определяющих возбуждение пульсаций, может не привести к смене режима их генерации. С другой стороны, при неизменных параметрах ионосферы отклик ионосферы на нагрев может быть нестационарным.
Не установлена связь генерации искусственных магнитных пульсаций с интенсивностью и положением ионосферной токовой системы относительно места нагрева.
Авторы благодарны Т. Йоману (Университет г. Лестер, Великобритания) за сотрудничество при выполнении работ, а также сотрудникам обсерватории Баренцбург Полярного геофизического института КНЦ РАН, обеспечивающим наблюдения на сети индукционных магнитометров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bosinger T., Pashin A., Kero A., Pollari P., Belyaev P., Rietveld M., Turunen T., Kangas J., Generation of artificial magnetic pulsations in the Pc1 frequency range by periodic heating of the Earth's ionosphere: indications of ionospheric Alfven resonator effect // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2000. Vol. 60. P. 277-297. 2. Belova E.G., Pashin A.B., Lyatsky W.B. Passage of a powerful HF radio wave through the lower ionosphere as a function of initial electron density profiles // J. Atmos. Terr. Phys. 1995. Vol. 57. P. 265-272. 3. Pashin A.B., Belova E.G., Lyatsky W.B., Magnetic pulsation generation by a powerful ground-based modulated HF radio transmitter // J. Atmos. Terr. Phys. 1995. Vol. 57, P. 245-252.
Сведения об авторах
Мочалов Алексей Анатольевич - младший научный сотрудник, e-mail: mochalov@pgia.ru Пашин Анатолий Борисович - к.ф.-м.н., научный сотрудник, e-mail: pashin@pgia.ru
