CC BY
8Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного
зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - «Муром 2021»
Фактор влияния неотклоняющего поглощения на пороги возбуждения ионно-акустических и ленгмюровских волн в высокоширотной F области ионосферы
Т.Д. Борисова, Н.Ф. Благовещенская, А.С. Калишин
ФГБУ «Арктический и антарктический научно исследовательский институт»
199397, г. Санкт-Петербург, ул. Беринга, д.38.
E-mail: borisova@aari. ru
Представлены результаты исследований порогов возбуждения инициированных нагревом плазменных и ионных линий в F-области высокоширотной ионосферы, возбуждаемых мощными радиоволнами обыкновенной и необыкновенной поляризации КВ нагревного комплекса EISCAT/Heating по результатам экспериментальных измерений радаром некогерентного рассеяния и численных расчетов.
Ключевые слова: модификация ионосферы, пороги возбуждения, ионно-акустические и ленгмюровские волны
Influence factor of nondeviative absorption on the excitation thresholds of ion-acoustic and Langmuir waves in the high-latitude F region of the ionosphere
T.D. Borisova, N.F. Blagoveshchenskaya, A.S. Kalishin
Arctic and Antarctic Research Institute
Results concerning the excitation thresholds of HF-enhanced ion and plasma lines in the high latitude ionospheric F-region, induced by the ordinary and extraordinary HFpump waves, are presented. Results are based on the data obtained in the course of EISCAT/Heating experiments with the use of the UHF incoherent scatter measurements and numerical calculations. Keywords: high-latitude ionosphere, excitation thresholds, ion-acoustic and Langmuir waves
При модификации ионосферы мощными КВ радиоволнами обыкновенной (О-мода) и необыкновенной (Х- мода) поляризации в областях резонансного взаимодействия формируется ряд неустойчивостей, которые вызывают существенные изменения параметров и поведения ионосферной плазмы [1, 2]. Вблизи резонансных высот КВ радиоволн в ионосфере возбуждаются параметрические распадные неустойчивости: периодическая стрикционная (англ. parametric decay instability, PDI) и апериодическая стрикционная (англ. oscillating two stream instability, OTSI) [1, 3]. Проявления неустойчивостей PDI и OTSI непосредственно идентифицируются по данным измерений радара некогерентного рассеяния радиоволн (НР). Радары НР, пространственно совмещенные с КВ нагревным стендом, обеспечивают прямые измерения продольных плазменных волн, такие как ленгмюровские и ионно-акустические [3, 4]. В нагревных экспериментах ленгмюровские и ионно-акустические плазменные волны проявляются в спектрах радара как инициированные нагревом плазменные линии (англ., HF-induced plasma lines, HFPL) в высокочастотном канале измерений радара и усиленные ионные линии (англ., HF-enhanced ion lines, HFIL) - в низкочастотном канале. При О-нагреве HFPL и HFIL возбуждаются при включении нагревного стенда, пороговые мощности их возбуждения на нагревном стенде EISCAT/Heating вставляют порядка 25 - 40 МВт, что соответствует значениям пороговых напряженностей электрического поля на ионосферных высотах порядка 0.21 - 0.27 В/м [4]. При низкой эффективной мощности излучения (Peff < 200 МВт) возбуждение параметрических распадных неустойчивостей PDI и OTSI [4] подавляется
развитием тепловой параметрической (резонансной) неустойчивости (англ. the thermal (resonance) parametric instability) TPI [5], ответственной за генерацию мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностей (МИИН), вытянутых вдоль геомагнитного поля.
По данным экспериментов на стенде EISCAT/Heating (Тромсе, Норвегия), определены минимальные значения электрических полей в ионосфере при О- и Х-нагреве, необходимых для возбуждения и существования в течение нагревного цикла HFIL и HFPL одновременно с МИИН [6]. Для О- нагрева выполнено сравнение экспериментальных и теоретических пороговых значений напряженности электрического поля мощной КВ радиоволны, при которых наблюдалось возбуждение искусственных ионосферных турбулентностей (тепловой, ленгмюровской и ионно-акустической) в F2 слое высокоширотной ионосферы.
В настоящей работе представлены результаты исследования минимальных значений электрического поля волны накачки Eion, необходимых для генерации ленгмюровской и ионно-акустической турбулентности в F-области высокоширотной ионосферы в течение длительности нагревного цикла с учетом потерь волны накачки в нижележащих слоях.
Исследования выполнялись по данным экспериментов 2012 - 2015 г.г. на КВ нагревном комплексе EISCAT/Heating (г.Тромсе, Норвегия), когда мощная КВ волна обыкновенной (О- мода) или необыкновенной (Х- мода) поляризации излучалась в направлении магнитного зенита. В периоды нагревных циклов эффективная мощность излучения комплекса Peff изменялась в режиме ступенчатого повышения/снижения Peff от 4 (56) до 580 МВт. Анализ проведен по данным измерений радара некогерентного рассеяния (НР) на частоте 930 МГц и станции вертикального зондирования ионосферы ВЗ, пространственно совмещенных с нагревным комплексом, и результатам численных расчетов.
Расчет затухания. Распространение радиоволны в ионосфере сопровождается потерей части ее энергии, которая преимущественно переходит в тепловую. Следствием этих потерь является затухание, т.е. уменьшение амплитуды поля волны. Расчет напряженности электромагнитного поля волны накачки Eion на ионосферных высотах слоя F2 нагревного стенда EISCAT/Heating определяется выражением [3]
°.25Л /ртрч
Eio
V
m
МЧ е ' (1)
где h - высота расположения возмущенной ионосферной области от поверхности Земли, А - потери напряженности радиоволны в децибеллах на пути распространения s, рассчитываются как
А = - 8.68 и/с (2)
Показатели преломления п и поглощения х имеют выражение [7]
/■ \ 2 2
s ( s^ 2жаЛ
n = .. 1 -1 + -I
1 2 1 12 ) V 0 )
2
s ( s^ 2ясЛ
x=i 1 -1 + -I
2 V 12 ) V 0 )
(3)
где s - диэлектрическая проницаемость и о - проводимость плазмы, ш = Inf, f -частота радиосигнала.
Траекторные расчеты и оценка неотклоняющего поглощения в D-, E- и F-слоях ионосферы нагревной волны проводились в приближении геометрической оптики для слоистой ионосферы. В основу вычислений взяты формулы для показателей преломления и поглощения коротких радиоволн с учетом влияния магнитного поля и частоты соударений электронов [7]. При определении затухания напряженности поля волны вдоль траектории распространения в ионосфере, важно использовать
правильные частоты столкновений электронов ve. При расчете следует учитывать вариации частот столкновений электронов с ионами vei и нейтральными молекулами ven в зависимости от местного времени, сезона, широты и солнечного цикла. Эти изменения могут привести к различиям порядка 30% в общем ионосферном затухании [8]. При расчете поглощения текущие параметры описания высотных распределений концентрации Ne(h) и температуры Te(h) электронов ионосферы для каждого эксперимента определялись по данным радара некогерентного рассеяния (930 МГц) НР. Для вычисления частот соударений электронов v^h)= vei + ven использовали известные зависимости, входными параметрами которых являлись данные измерений радара и модели MSIS (http://nssdc.gsfc.nasa.gov/space/model/models/msis.html). Расчет затухания электрического поля волны накачки до высоты отражения в ионосфере реализован в среде MatLab.
Результаты эксперимента Эксперименты на КВ нагревном комплексе EISCAT/Heating, излучающего волну накачки с обыкновенной (О- мода) или необыкновенной (Х- мода) поляризацией на частоте fH =7.953 МГц проводились в дневные часы при спокойных геомагнитных условиях.
На рис.1, в качестве примера, показаны результаты спектральной обработки сигналов радара НР в низкочастотном (a, b, c) и высокочастотном (d) диапазонах 20 октября 2012 г. с 13.30 до 15.00 UT при ступенчатом изменении эффективной мощности излучения Peff нагревного комплекса и чередовании О/Х-поляризации на частоте 7.953 МГц (е). Вариации во времени максимумов спектральных мощностей S ионных HFIL и плазменных HFPL линий приведены на заданных высотах с максимальными амплитудами S. Шаг интегрирования данных радара по времени - 5 с. Рисунки 1a, 1b, 1c характеризуют изменения во времени спектральных мощностей максимумов ионных линий SILD, SIL0, SILU (downshifted, nonshifted, upshifted ion lines), 1d - спектральных мощностей максимумов плазменных линий SPL (downshifted plasma lines). Значения SPL и SIL приводятся в относительных единицах. Рассчитанные значения эффективной мощности излучения Peff и мощности просачивания Pleak с учетом поляризации показаны на рис. 1е. Пошаговое изменение Peff происходило в течение непрерывного 10-минутного цикла нагрева (длительность излучения на каждой мощности составляла 1 мин).
Рис.1 демонстрирует, что SPL и SIL, возбуждаемые на длительных интервалах цикла нагрева, при О-нагреве наблюдаются при более высоких значениях Peff, чем при Х-нагреве. Мощности SPL и SIL при Х-нагреве на 1-3 порядка выше, чем при О-нагреве Отметим также, что несмещенный относительно нуля максимум ионных линий SIL0 наблюдался только при использовании волны накачки с Х- модой поляризации.
Рассмотрим конкретный пример влияния изменений высотного распределения Ne(h) и Te(h) на напряженность электромагнитного поля волны накачки Eion на ионосферных высотах слоя F2. Анализ представленных на рис.1 данных показывает, что в цикле нагрева c Х- модой поляризации 13:46 - 13:56 UT возбуждение HFPL начались на 1-й минуте цикла (Peff = 62.7 МВт) и HFIL - на 2-й минуте цикла (Peff = 198 МВт), а в цикле 14:16 - 14:26 UT HFPL появились на 2-й минуте цикла (Peff = 190.2 МВт) и ионные линии HFIL - на 3-ей минуте при Peff =316.9 МВт. По данным ионозонда непосредственно перед началом циклов нагрева (рис.2) можно видеть, что в 14:14 UT на высотах около 90 км наблюдалось возрастание электронной концентрации Ne по сравнению с моментом 13:44 UT перед циклом 13:46 - 13:56 UT. Результаты вычислений потери напряженности поля волны накачки А по (2, 3) с использованием текущих параметров ионосферы Ne(h) и Te(h) для двух циклов составили соответственно значения А ~ 2.8 дБ и 6 дБ, что привело к изменению Eion. В цикле 13:46-13:56 UT возрастания SPL начались на 1-й минуте нагрева при Eion ~ 0.201 В/м и
в цикле 14:16-14:26 иТ - на 2-ей минуте при Е^п ~ 0.272 В/м. Усиления ионных линий в цикле 13:46 - 13:56 иТ наблюдались на 2-ей минуте цикла при Еюп ~ 0.358 В/м и в цикле 14:16-14:26 иТ - на 3-ей минуте при Е^п ~ 0.353 В/м. Минимальные значения Е^п для возбуждения ленгмюровских волн волнами накачки с Х-модой поляризации для данных циклов составили 0.2-0.3 В/м и для ионных линий более высокие значения 0.35 - 0.36 В/м.
Рис.1. Данные наблюдений радаром НР (930 МГц) 20 октября 2012 г. с 13.30 до 15.00 иТ. Вариации мощностей спектральных максимумов на заданных высотах: усиленных нагревом ионных (а ^^^ Ь с и инициированных нагревом плазменных
волн. Схема изменения мощностей излучения сигнала Реп- и «просачивания» Р|еак с учетом
поляризации - (е).
29 октября 2015г. эксперимент проводился с 13.00 до 14.00 иТ также на частоте йн =7.953 МГц в направлении магнитного зенита. Эффективная мощность излучения Рей-комплекса EISCAT/Heating изменялась по схеме 2 мин нагрев и 1 мин пауза в течение 30-минутного цикла нагрева. Поляризация КВ радиоволны (О- или Х-мода) переключалась в каждом цикле. Мощности излучения Ре£- для цикла с О- модой имели последовательность значений [0 0 0 3 7 13 48 142 292 530] МВт и для цикла с Х-модой - [0 0 7 51 89 121 148 296 440 533] МВт. Критическая частота слоя F2, £^2, в течение часа снижалась от 8.9 МГц до 7.9 МГц.
Рис.2. Ионограммы ВЗ ионосферы, измеренные ионозондом EISCAT/Heating 20 октября 2012 г. в 13.14 и 14.44 ЦГ.
28 October 2015, îh=7.953 MHz О - mode Х- mode
13.12 13.18 13.24 13.30 13.36 13.42 13.48 13.54 14.00
Time (UT)
Рис.3. Высотно-временное распределение интенсивностей HFPL по данным измерений EISCAT радара (933 МГц) НР с разрешением 5 с по времени и 3 км по высоте 29 октября 2015 г. O /X нагрев производился в направлении магнитного зенита на частоте 7.953 МГц. Эффективная мощность излучения ступенчато возрастала от 0 до 530 МВт
(+2мин/-1мин) в 30 минутном цикле.
На рис.3 приведено пространственно-временное распределение интенсивностей HFPL по данным измерений радара НР с разрешением 5 с по времени и 3 км по высоте для 29 октября 2015 г. При модификации ионосферы О- модой поляризации эффекты возбуждения плазменных линий наблюдались в диапазоне высот 225 - 235 км при Ре£- =
530 МВт. С учетом рассчитанного затухания А = 2.5 дБ поле волны накачки в ионосфере составляло Eion ~ 0.7 В/м. В цикле с Х-модой поляризации HFPL появились также на высотах 225 - 235 км, но при Peff = 296 МВт, и при рассчитанном уровне потерь А= 7.5 дБ значение электрического поля было существенно меньше, Eion ~ 0.28 В/м.
Анализ результатов экспериментов совместно с рассчитанными уровнями потерь волны накачки с использованием текущих параметров ионосферной плазмы на пути распространения до резонансных высот в ионосфере, позволили исследовать условия возбуждения и характеристики ионно-акустических и ленгмюровских плазменных волн в зависимости от уровня электрических полей Eion волны накачки в высокоширотной F-области ионосферы. Выполнены оценки минимальных значений электрических полей в ионосфере Eion при О/Х-нагреве, необходимых для возбуждения ленгмюровской и ионно-акустической турбулентности в F-области высокоширотной ионосферы с учетом неотклоняющего поглощения.
Результаты численных расчетов потери напряженности радиоволны для разных циклов нагрева (с учетом неотклоняющего поглощения в условиях изменчивости фоновой ионосферной плазмы в дневные часы при спокойных геомагнитных условиях) составили для fH=7.953 МГц при О-нагреве A ~ 1 - 3 дБ и при Х-нагреве - A ~ 2.8 - 7.5 дБ. С учетом затухания в нижележащих слоях напряженность электрического поля обыкновенной волны Eiono уменьшается в 1.1 - 1.4 раза и необыкновенной волны EionX -в 1.4 - 2.4 раза. Минимальные значения электрического поля EionX на ионосферных высотах, необходимые волнам накачки с необыкновенной поляризацией для возбуждения ленгмюровских волн, составили 0.20-0.30 В/м и ионно-акустических волн - 0.35-0.40 В/м. При Х-нагреве возбуждение HFPL начинаются при более низких значениях Eion (на ~ 0.05-0.10 В/м ниже), чем начало возрастания мощности усиленных нагревом ионных линий. Значения Eionx, необходимые для возбуждения HFPL и HFIL, при нагреве ионосферы волнами накачки с Х- модой поляризации в 1.5 - 2 раза ниже, чем пороговые значения Eion0 при модификации ионосферы с О- модой.
Литература
1. Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере // УФН. 2007. Т. 177. № 11. С. 1145 -1177.
2. Blagoveshchenskaya N.F., Borisova T.D., Kalishin A.S. et al. Distinctive features of Langmuir and Ion-acoustic Turbulences induced by O- and X-mode HF Pumping at EISCAT // J. Geophys. Res.: Space Physics. 2020. V. 125. №7. DOI 10.1029/2020JA028203.
3. Robinson T. R. The heating of the high latitude ionosphere by high power radio wave // Phys. Rep. 1989. V. 179. N. 2-3. P.79 - 209.
4. Stubbe P. Review of ionospheric modification experiments at Troms0 // J. Atmos. Terr. Phys. 1996. V. 58. N.1-4. P. 349-368.
5. Грач С. М., Караштин А. Н., Митяков Н. А. и др. Параметрическое взаимодействие электромагнитного излучения с ионосферной плазмой // Изв. вузов. Радиофизика. 1977. Т. 20. С. 1827.
6. Борисова Т.Д., Благовещенская Н.Ф., Йоман Т.К., Хаггстром И. Влияние эффективной мощности излучения нагревного комплекса EISCAT/Heating на возбуждение искусственных ионосферных турбулентностей в высокоширотной F-области ионосферы // Изв. вузов. Радиофизика. 2017. Т.60. №4. С.305-325.
7. Распространение электромагнитных волн в плазме. Гинзбург В.Л. // М. Наука. 1967. 684C.
8. Zawdie K.A., Drob D.P., SiskindD.E., Coker C. Calculating the absorption of HF radio waves in the ionosphere // Radio Sci. 2017. V.52. P.767-783. doi:10.1002/2017RS006256.
