Активное воздействие на ионосферу сверхмощным электромагнитным излучением наземных комплексов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 537.535.621.373.9

В. Л. АЛЕКСАШЕНКО С.И.ДВОРНИКОВ В. Г.ДМИТРИЕВ Ю. М. ПЕРУНОВ А. А. СОЛОВЬЕВ Е. Д. ТЕРЕЩЕНКО

Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт, г. Москва

Сибирская автомобильно-дорожная академия, г. Омск

АКТИВНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ИОНОСФЕРУ

СВЕРХМОЩНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ НАЗЕМНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Рассмотрена возможность активного воздействия на ионосферу сверхмощными наземными комплексами. Показано, что при превышении пороговой мощности возможно нелинейное воздействие с изменением структуры и основных радиофизических параметров, возникновением пространственных областей, сильно влияющих на работу систем навигации, локации и связи, искусственных ионосферных образований на основе квантовых возбужденных систем, которые в процессе дестабилизации, генерируют мощный электромагнитный импульс. Проведен анализ соответствия теоретических и экспериментальных ис-следований.

Введение

Развитие передовых технологий их в повседневную жизнь делает все более актуальным и необходимым учет факторов, определяемых состоянием ионосферы. Примеры последствий пренебрежения неблагоприятными космическими условиями являются выход из строя спутников, нарушения связи в критические моменты, отключения электрических сетей, сбои в системах навигации.

Современные системы навигации и спутниковой телекоммуникации также подвержены влиянию ионосферы. Даже надежная система навигации GPS может давать сбои из-за ионосферных возмущений: сигнал от спутника к наземному приемнику испытывает рефракцию и запаздывание в ионосфере, вплоть до потери сигнала, если он пересекает область ионосферной турбулентности.

Ионосфера как среда, преломляющая и отражающая радиоволны, интенсивно используется для средств радиосвязи и радиолокации. По мере углубления исследований используются или предлагаются к использованию все новые свойства ионосферы Аля решения все более широкого круга прикладных

задач.

В настоящее время уже обнаружен ряд возникающих при активном воздействии эффектов, позволяющих использовать их в специальных целях:

— сильное возмущение плотности ионосферной плазмы, изменение структуры ионосферы, возникновение пространственных "решеток" и "зеркал", которые могут сильно влиять на работу систем навигации, локации и связи;

— генерация стимулированного электромагнитного излучения (ЭМИз) КВ и УКВ-диапазонов возникающими плазменными образованиями (подобные излучения могут использоваться как целенеправлен-ные помехи для систем навигации, локации и связи, при достаточно высоких уровнях таких сигналов возможно выведение из строя электронной аппаратуры, воздействие на ИСЗ в КВ-диапазоне);

— генерация стимулированного сверхнизко-частотного (СНЧ) излучения (целенаправленное воздействие на больших расстояниях ЭМИз, представляющим существенную опасность для людей);

— генерация излучения для дистанционного зондирования удаленных территорий (имеется информация об экспериментах, в которых излучение использовалось для изучения структур подповерхностью Земли.

При дальнейших исследованиях и повышении мощности источника возможно открытие новых эффектов. В частности, возможна генерация устойчивых локальных плазменных образований, которые могут воздействовать на различные объекты в атмосфере и космосе. Возможно целенаправленное возмущение геофизической обстановки в заданном регионе, вызывание искусственных магнитных бурь и пр.

На высотах 60... 100 км ионосфера имеет сложную структуру, обусловленную процессами, протекающими в ионизированном газе, взаимодействующим с магнитным полем Земли. Ионосфера определяет возможности КВ и УКВ радиосвязи и радиолокации, спутниковых систем радионавигации. На ионосферу в первую очередь воздействуют вспышки на Солнце и выбросы вещества ее короны, приводящие к

магнитным бурям и связанными с ними возмущениями.

Использование специальных режимов накачки, как показывают теоретические оценки, позволяет усиливать сигнал, лежащий в СНЧ, КВ и УКВ- диапазонах. Более того, есть возможности использования энергетически более выгодных (с точки зрения преобразования частот) режимов накачки ионосферы. В них мощность выходного сигнала растет нелинейно с ростом мощности входного. В ряде случаев могут создаваться локальные области с повышенным значением электрического поля и пониженной плотностью плазмы, а его взаимодействие с монохроматической волной может приводить к распаду этой локальной области (индуцированный распад) и соответствующему воздействию на среду в виде мощного ультракороткого электромагнитного импульса.

Эти разработки были подтверждены рядом экспериментальных исследований воздействия мощного электромагнитного излучения на ионосферу, проведенных в последнее время.

Возможность активного воздействия электромагнитным воздействием на ионосферу обусловлена наличием свободных электронов, взаимодействующих с источником электромагнитного излучения, а также наличием на этих высотах нейтральных молекул, концентрация которых еще достаточно высока.

При анализе работы стендов высокой мощности обнаружен ряд эффектов, возникающих при активном воздействии на ионосферу, и позволяющих использовать их для различных целей. Сильное возмущение плотности ионосферной плазмы, приводит к нелинейным реакциям ионосферы на облучение, изменяет структуру, основные радиофизические параметры ионосферы: (диэлектрическую проницаемость, проводимость и т.д.) с возникновением пространственных областей, которые могут сильно влиять на работу систем навигации, локации и связи.

При увеличении мощности наземных стендов до значений, превышающих пороговые, могут возникнуть ряд явлений, которые ранее не наблюдались и которые могут быть использованы:

— в целях создания помех воздушным объектам. Предварительные расчеты показали, что увеличение мощности стендов в непрерывном режиме до уровня 1...10 МВт приводит к сильному возмущению ионосферной плазмы с возникновением пространственных "решеток" и "зеркал";

— для формирования ионосферных образований (ИО) на основе перехода возмущенной области ионосферы в качественно новое состояние на основе дол-гоживущих структур, отличных от плазмы. Энергия, необходимая для поддержания процесса, запасается на метастабильных уровнях молекул воздуха. За счет дестабилизации ИО с излучением электромагнитного импульса (ЭМИ), может произойти функциональное поражение твердотельного объекта.

Плазма является удобным объектом для передачи энергии от внешнего поля газу ионосферы. При этом электроны получают энергию от внешнего поля и передают ее молекулам или атомам газа при столкновении с ними. Это обстоятельство используется в газоразрядных лазерах и плазмотронах для возбуждения и нагревания газа под действием внешнего электрического источника.

Особенность такого способа возбуждения — в возможности осуществлять введение в газ относительно высоких удельных энергий, а также создавать неравновесную заселенность на отдельных степенях I свободы.

1 .Теоретические оценки

Известно, что нелинейная реакция ионосферы проявляется при превышении падающим полем собсг-венного поля ионосферы, обусловленного тепловой энергией заряженных частиц ионосферной плазмы.

Иными словами, скорость направленного движения заряженных частиц под действием поля превышает скорость теплового движения этих частиц.

Будем исходить из известных соотношений для диэлектрической проницаемости е ионизированного газа:

п.е

п„е2у

т(со + и2) } ют\ш2 + у2)

(1)

где:

пе — концентрация электронов со — круговая частота падающего излучения, V — частота соударений, т — масса электрона, е — заряд электрона.

Величина у связана со скоростью движения электрона и и средней длиной пути 1 между двумя последовательными столкновениями следующим соотношением у - у'] .

Полная скорость и складывается из скорости теплового движения иТ и скорости под действием поля иЕ , при этом обычно ит > иЕ тогда

и = "Уи|+и| = щ

1+-

2 и4

(2)

где: ит = отсюда:

8 кТ

л т

Уг

еЕ

тсо

8кТ

лт

1 + -

ле2Е2 \bkTmm2

(3)

Когда обачлена в скобках (3) становятся примерно равными, большую роль начинают играть нелинейные эффекты, т.е. £ начинает зависетьотвеличины поля. Отсюда определяется граничное значение поля:

\6kTmm'

ле

, В/м

(4)

Определим излучаемую мощность стенда, при которой начинают играть роль нелинейные эффекты. Средняя плотность потока мощности Р на высоте Л записывается в виде:

Р = -

О нд

(5)

где кнд — коэффициент направленного действия. С другой стороны:

1

Р = — ЕН 2

(б)

где Е и Н — амплитуды векторов напряженности электрического и магнитного полей.

На расстоянии h » Л ,

тогда (6) примет вид:

Р = —— , Вт/м2 240л-

Приравнивая (7) и (5), получим:

(7)

Подставив (8) в (4), определим значение W0 :

(8)

V^g =

ХЪкТтаГ h

■ —,== -9-10

■Убо

(9)

няя граница диапазона частот связана с возможностью воздействия на нижние слои ионосферы (D-слоя), для которого концентрация электронов находится в диапазоне пе и103...104см-3 , а верхняя граница — с воздействием на Е и F слои ионосферы, для которых пе«2-105...10®см"3 .

2) Вторая причина обусловлена энергетическими соображениями.

Энергия поля, вкладываемая в единицу объема в единицу времени (без учета магнитного поля):

d 1 • п 1

2 2 mi

е Е v

р+7)'

(10)

где: Е — напряженность поля, V - частота соударений, со — циклическая частота падающей волны, пе — концентрация электронов.

Величина удельной мощности ЭМИз на высоте Л, излучаемой РЛС, определяется из соотношения:

В интервале частот: 3...10 МГц и для высот Л = = 80... 120 км, получим

У*'«»

4л h

(И)

^¿„,,=5,4-Ю7... 7,610е Вт,

т.е. достаточно высокие уровни мощности.

Схема активного воздействия на атмосферу с созданием ИО, следующая: возбужденная зона предполагается состоящей из селективно высоковозбужденных ридберговских молекул (ВРМ), которые возбуждаются электронным ударом при работе РЛС.

Рассмотренный механизм возбуждения ВРМ реализуется в случае, когда на ридберговскую орбиту переводится внутренний, т.е. сильно связанный электрон исходной молекулы.

Известно, что время жизни ВРМ 02, СО., составляет Ю"с [1...2] ,приэтомсамыйдолгоживущий уровень СВЧ диапазона (квантовые числа п= 100, 1 = 99).

Определим количество ВРМ для реальных условий.

Исходные данные следующие:

— мощность РАС - 1... 10 МВт;

— высота -80...120 км;

— концентрация молекул воздуха-1015...1011см'3;

— концентрация электронов - Ю3.,.106см-3;

— КНД — коэффициент направленного действия антенной системы — 10...103;

— частота РЛС - 3... 10 МГц;

— частота соударений у = 7- 10шр , [3], гдер — давление по отношению к нормальному.

Остановимся на особенностях выбора частот в диапазоне 3,0МГц < / < 10МГц . Это связано с двумя причинами.

1) Критическая концентрация электронов п*р , определяемая из соотношения:

п*р = 1,24-10 / ,

которое при подстановке частоты в указанном диапазоне, дает:

откуда:

л*р = (3,35 104 ... 1,24 106)с.

■.м3.

. ,Дж/м3,

h2c

(12)

где кнд — коэффициент направленного действия, И'о — мощность РЛС в Вт, с — скорость света.

Подставляя (12) в (10) получим:

<lW0kHge2v пе m(a)2 + v2)h2c

(13)

Энергия, "закачиваемая" в единицу объема, определяется по соотношению [4|:

Е =

qW0kHge2 п„ т(а>2 + v2)h2i

(14)

Сравнивая (14) и (12), определим долю энергии 5, "закачиваемую" в единицу объема по сравнению с полной удельной энергией, создаваемой РЛС на данной высоте. Считая, что концентрация электронов близка, но меньше критической и подставляя исходные данные, получим:

8<-

2,52

1 + -

4л fl

¡0,6 ... 0,8 ,

Наиболее сильное воздействие РЛС оказывает на области ионосферы, где концентрация электронов близка к критической, но меньше ее. Поэтому ниж-

т.е. значительная доля энергии РЛС передается области ионосферы в пределах импульсного объема.

В то же время, если диапазон частот РЛС не подбирается близким к критическому диапазону, например, если используется СВЧ-диапазон, то эта доля сразу упадет на несколько порядков и составит 5 » кЮ"4 ... 10~5, что, естественно, невыгодно.

Переходим непосредственно к расчетам, согласно изложенной модели. Подставляя исходные данные в (14), получим:

0,37-10"14-(1 ... 103), Дж/ м3, Л = 80км. 5,75 10~м (1 ... 103),Дж/м3, Л = 120км.

Количество образующихся возбужденных молекул Л/" в единицу времени определяется из кинетического уравнения:

с!ЛГ* йт

= ст'Ыептит-орпи

(15)

где а', <тр — сечения возбуждения и рассеяния в м2, Л/е — число электронов, участвующих в реакции, пт и п' — количество нейтральных и возбужденных молекул в единице объема соответственно, ит,и* — скорости нейтральных и возбужденных молекул соответственно в м/с. При этом:

а' =Ю"26 м2 при возбуждении электронным ударом с энергией 100 эВ;

ор =Ю-20 м2 для перехода с п= 100 до 1 = 99 (длина волны I = 4,5 см) [1,2].

Считая процесс квазистационарным и учитывая исходные данные из (15), получим:

10,7...102%Г3, Л = 60 км.

л =< / ,„ ,„\ (16)

З,?(ю'4...1017)м"3, Л = 120км.

В соответствии с предложенной моделью полученная от мощной РАС энергия среды запасается на метастабильныхуровнях молекул воздуха. При отсутствии другой РАС, снимающей возбуждение, ИО дестабилизируется с излучением электромагнитного импульса.

Мощность, излучаемая ИО, определяется соотношением:

Р = 1п п Й V с

117)

где: й — постоянная Планка, V — частота метастабильного уровня.

В результате расчета по соотношению (17), получим:

[ 2 (ю1 ... 104)яя7/м2( Л = 60км.

7,4-(ю"2 ... Ю')вт/м2,/1 = 120км.

Как показали расчеты, наличие свободных электронов даже невысокой концентрации ле= 103... 10г'см"3, облегчает возможность создания ИО при воздействии мощного электромагнитного излучения. При этом частота излучения играет определяющую роль. Подтвердились неоднократно высказываемые в печати положения о том, что существует пороговое значение мощности РАС, начиная с которой возникает сильное возмущение ионосферы.

Условно пороговой можно считать мощность порядка 1 МВт. При превышении пороговой мощности, возможно создание квантовых возбужденных состояний среды, при этом наличие стандартной РАС СВЧ диапазона приводит к усилению посылаемого сигнала. Отсутствие дополнительного СВЧ-излуче-ния, снимающего возбуждение, создает предпосылки для генерации электромагнитного импульса.

Таким образом, существует пороговое значение мощности РАС, начиная с которой в результате мощного электромагнитного воздействия в ионосфере на высотах 60. .200 км (в зависимости от частоты излучения) возникает сильное возмущение ионосферы и формируется пространственные области возбужденной ионосферы с резко измененными физическими параметрами, иначе называемые искусственными энергетическими образованиями (ИЭО).

При этом происходит возникновение квантовой возбужденной системы на основе ридберговских атомов и молекул и изменение уровня концентрации электронов (иногда на несколько порядков).

Как следствие резкого изменения параметров ионосферы возникают следующие явления:

— нелинейная реакция ионосферы на облучение, которая приводит к изменению условий прохождения радиоволн;

— изменение частот вторичного излучения ИЭО.

Отмеченные явления могут быть использованы в

целях:

— создания помех объектам, движущимся в ионосфере;

— генерации электромагнитного импульса для функционального поражения материальных (в том числе биологических) объектов;

— нарушения работы электросетей и электронных приборах за счет воздействия наведенного электромагнитного импульса, образующегося при самопроизвольном или принудительным разрушении ионосферных образований.

2. Экспериментальные результаты

Из изложенных выше теоретических положений следует, что при превышении некоторой пороговой мощности стенда в определенном диапазоне частот (ВЧ... КВЧ) воздействие на ионосферу полем мощной радиоволны, вызывает ряд эффектов, связанных с энергетической перестройкой ионосферы.

При этом могут развиваться неустойчивости, приводящие к образованию искусственных ионосферных неоднородностей, в частности, неоднород-ностей электронной концентрации разных масштабов, изменчивость которых в пространстве и времени приводит к случайным изменениям характеристик сигналов и как следствие влияет на работу систем радиосвязи.

При распространении радиоволн через возмущенные области ионосферы в которых могут появляться резкие градиенты электронной концентрации в результате чего можно ожидать аномальные угловые отклонения радиоволн, эффекты аномальных замираний сигналов и появление значительных ошибок в измерениях систем радиосвязи и спецсредств,

Для примера на рис. 1 представлены выполненные с помощью модели Полярного геофизического института (ПГИ) модифицированной Р-области расчеты изменения электронной концентрации на уровне Р-слоя вдоль траектории конвекции плазмы при воздействии на ионосферу КВ-излучением стенда в Тромсе при различных частотах накачки для июня в полночь.

Видно, что на частотах, близких к высоким значениям критической частоты для этого периода времени, наблюдается резкое падение концентрации, достигающее 20-40% в большой пространственной области.

В настоящее время единственным методом, позволяющим получить данные о структуре электронной плотности одновременно в пределах обширного пространственного региона с временным разрешением порядка часа, является ионосферная спутниковая томография [5].

Данный метод является исключительно важным инструментом для оценки степени влияния ионосферы на точностные характеристики спецсредств, необходимой для повышения их надежности и позволяющей полностью или частично избавиться оттакого влияния.

—>

о 0.00 мнг

4.040 МНг

* 4.544 МНг

(.1 4.913 МНг

5.423 МНг

+ 6.20 МНг

|> 7.10 МНг

■¿г 7 953 МНг

2СЮ 300

Рис.1. Выполненные с помощью модели ПГИ модифицированной Р-области расчеты изменения электронной концентрации на уровне Б-слоя вдоль траектории конвекции плазмы при воздействии на ионосферу КБ-излучением на различных частотах накачки для стенда в Тромсе при нагрепе в июне в полночь ЬТ. Местоположение стенда: х=0. Выключение нагрева происходит через 113 с, что соответствует х=87,3 км.

V <:ч I: ш-!)

Рис. 2, Томографическая реконструкция электронной плотности в вертикальной плоскосги над приемной цепочкой в Скандинавии 9 ноября 1997 г. в 20:26-20:44 ит до момента включения нагревного стенда. Кружками на оси X помечены приемные томографические пункты.

Проведенные спутниковые эксперименты в Скандинавии [6, 7] показали, что мощное КВ-излучение может генерировать как крупномасштабные (в несколько десятков км), так и мелкомасштабные (от сотен метров до километров) неоднородности электронной плотности, которые к тому же дрейфуют из области ионосферы, облучаемой нагревной установкой.

Максимальный уровень мерцаний спутниковых сигналов, вызванный искусственными мелкомасштабными неоднородностями, наблюдался в секторе направлений, расположенными приблизительно параллельно линиям геомагнитного поля, тогда как крупномасштабные структуры были обнаружены в гораздо более широком секторе.

Так как генерация, структура и эволюция искусственных неоднородностей сильно зависит от естественного состояния ионосферы, то при исследовании модифицированной ионосферы важное значение имеет знание состояния электронной плотности до разогрева, в момент разогрева и после его окончания в более обширной области, чем область заключенная

в конусе диаграммы направленности нагревной установки.

Одним из таких экспериментов был томографический эксперимент по реконструкции электронной плотности в области, включающей нагревную область и вокруг нее, проведенный ПГИ на севере Нор-вегиивноябре 1997года [7].

Томографическая цепочка, на которой велось наблюдение области ионосферы над нагревной установкой ЕИСКАТ, состояла их пяти приемных пунктов: в Норвегии- Каппка (69.87 N. 18.93 Е), Тготэо (69.59 Ы, 19.22 Е) и МогсИфэЬоШ (69.22 N. 19.54 Е), расположенных друг от друга достаточно на близком расстоянии (примерно на 50 км).

Кроме того, еще два приемных пункта были установлены в Швеции (Кпипа, 67.8 N. 20.4 Е) и в Финляндии (Ои1и, 65.0 14, 25.49 Е), достаточно удаленных от северных пунктов.

Измерения на такой протяженной цепочке позволили осуществлять мониторинг электронной плотности в большом пространственном секторе. При этом использовались данные спутников только с вы-

Ne (ЮМ rn-3)

Ь^ПТииЕ / ¿с*

Рис. 3. Томографическая реконструкция 9 ноября 1997 г. в 22:23-22:331ГГ в период работы нагревного стенда. Конус диаграммы направленноси стенда обозначен симметричными относительно вертикали белыми линиями, идущими от местоположения Тромсе, а стрелкой показано направление геомагнитного поля.

сокими углами места, чтобы спутники проходили над областью воздействия мощного электромагнитного излучения.

Ионосфера в период эксперимента подвергалась воздействию КВ-излучения стенда в г. Тромсе, который работал в режиме непрерывного излучения на частоте накачки 4.04 МГц, развивая мощность до 1.08 МВт, что при усилении антенны в 24 дБ соответствовало 247 МВт эффективной мощности из-лучения.

На рис. 2 представлена реконструкция в период предшествующий включению нагрев-ного стенда. Кружками на оси X помечены приемные томографические пункты.

Видно, что Р-слой ионосферы в это время практически горизонтальный и на нем наблюдаются только незначительно выраженные структуры. Максимальные значения плотности в пределах конуса нагрева составляют около 2.2 1011 эл/м3 в пределах конуса нагрева, обозначенного белыми линиями в том же масштабе на рис. 3.

Нагрев производился в 22:18-22:33 ит, а ближайший пролет спутника — в 22:23-22:33 ит и соответствующая реконструкция показана на рис. 3.

Симметричными относительно вертикали белыми линиями, идущими от Тромсе, обозначен конус диаграммы направленности стенда.

Видим, что после разогрева область в конусе диаграммы стенда сильно изменилась: Р-слой сильно деформировался из горизонтального в наклонную структуру, вытянутую близко в направлении геомагнитного поля, указанного на рисунке стрелкой, а максимальные значения концентрации упали примерно до 1.2 1011 эл/м3.

Внутри слоя наблюдаются также отдельные структуры повышенной ионизации с размером около 10 км, также ориентированные приблизительно вдоль поля.

Выводы

Полученные результаты показывают, что спутниковая радиотомография является эф-фективным методом диагностики ионосферы, позволяющим получить ценную информацию при изучении электрон-

ной плотности ионосферы, в том числе явлений, наблюдаемых в результате модификации ионосферы мощной электромагнитной волной.

Библиографический список

1. S.M.Tarrandall, PhusRev. Letters, 44., 1660 (1980).

2. S.M.Tarr and all, Chem. Phus., 74., 2869 ( 1981 ).

3. Безменов A.E., Алексашенко В.А. Радио-физические и газо-динамимические проблемы прохождения атмосферы. - М."Маши-ностроение", 1982.

4. ГолантВ.Е. Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. - M Наука. 1968.

5. M. Markkanen, M.Lehtinen, Т. Nygren, J.Pirtilla, P. Hene-lius, E. Vilenius, E.Tereshchenko, B. Khudukon. Bayesian approach to satellite radiô-tomography with applications in Ihe Scandinavian sector. Ann. Geophisicae, v. 13,1277-1287, 1995.

6. E.D.Tereshchenko, B.Z.Khudukon, M.T.Rietveld, A.Brekke, Spatial structure of auroral day-time ionospheric electron densiLy irregularities generated by a powerful HF-wave, Ann. Geophysicae 16,812-820,1998.

7. Tereshchenko E.D., Kozlova M.O., Evslafjev O.V., Khudukon B.Z., Nygren T., Rietveld M,T.,and Brekke A. Irregular structures of the F layer at high latitudes during ionospheric heating. Ann. Geo-physi-cae, 18,9,1197-1209,2000

АЛЕКСАШЕНКО Виктор Андреевич, доктор технических наук, заведующий сектором Центрального научно-исследовательского института, г. Москва. ДВОРНИКОВ Сергей Иванович, ведущий специалист Центрального научно-исследовательского института. ДМИТРИЕВ Владимир Григорьевич, кандидат технических наук, начальник сектора Центрального научно-исследовательского института. ПЕРУНОВ Юрий Митрофанович, доктор технических наук, профессор, генеральный конструктор Центрального научно-исследовательского института. СОЛОВЬЕВ Анатолий Алексеевич, кандидат физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой Омского танкового инженерного института. ТЕРЕЩЕНКО Евгений Дмитриевич, доктор физико-математических наук, начальник сектора Полярного института РАН, г. Мурманск.