CC BY
10Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного
зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - «Муром 2021»
Характеристики искусственной ионосферной турбулентности в высокоширотной верхней (F-область) ионосфере при воздействии мощными КВ радиоволнами
Н.Ф. Благовещенская, Т.Д. Борисова, А.С. Калишин
ФГБУ «Арктический и антарктический научно-исследовательский институт», 199397, г.
С. Петербург, ул. Беринга, 38, E-mail: nataly@aari.nw.ru
Выполнен анализ характеристик, особенностей эволюции во времени и порогов возбуждения искусственной ионосферной турбулентности в F-области высокоширотной ионосферы мощными КВ радиоволнами нагревного стенда EISCAT/Heating (г. Тромсе, Норвегия). В период экспериментов нагревной стенд излучал на фиксированных частотах в диапазоне fH = 5.4 - 8.0 МГц при высоких эффективных мощностях излучения (Рэфф > 250 МВт). Проведено сравнение эффектов, возникающих при О- и Х-нагреве F-области высокоширотной ионосферы. Ключевые слова: высокоширотная ионосфера, мощная КВ радиоволна, турбулентность, эксперимент, мощность излучения.
Features of artificial ionospheric turbulence in high-latitude upper (F-region)
ionosphere induced by powerful HF radio waves
N.F. Blagoveshchenskaya, T.D. Borisova, A.S. Kalishin
The analysis offeatures, temporal evolution and excitation thresholds for the HF-induced turbulence in the high latitude ionospheric F-region has been carried out. The EISCAT/Heating facility at Troms0, Norway was used for the ionospheric modification. In the course of experiments it run at high pump frequencies in the range fH = 5.4 - 8.0 MHz under high effective radiated power (Pef > 250 MW). The comparison between effects induced by the ordinary (O-mode) and extraordinary (X-mode) polarized HF pump waves in the high latitude ionosphere F-region was made. Keywords: high-latitude ionosphere, powerful HF radio wave, turbulence, experiment, radiated power.
Исследования особенностей взаимодействия мощных КВ радиоволн с ионосферной плазмой востребованы в различных областях. Среди них отметим физику ионосферной, солнечной и космической плазмы, астрофизику. Необходимо отметить важность подобного рода исследований для оценки влияния эффектов воздействия мощных КВ радиоволн на космическую погоду, для изучения нелинейных эффектов в лазерах, в определении предельных электромагнитных нагрузок на ионосферу, а также жизнеобеспечения деятельности человека в Арктических регионах. Следует также подчеркнуть, что искусственные ионосферные возмущения оказывают критическое влияние на работу радиотехнических систем различного назначения, включая загоризонтную радиолокацию, системы связи (в том числе и спутниковые) и приводят к навигационным ошибкам при использовании ГЛОНАСС и GPS.
Для модификации F-области ионосферы на всех КВ нагревных стендах мира, как правило, используются волны накачки обыкновенной поляризации (О-мода). Это вызвано тем, что радиоволны необыкновенной поляризации (Х-мода) в фоновой (невозмущённой) ионосфере отражаются ниже высоты отражения мощной КВ радиоволны О-поляризации, и, более того, ниже области существования верхнегибридных плазменных волн. Вследствие этого они не могут вызвать генерацию этих волн, и как следствие, возбуждение искусственной ионосферной турбулентности и явлений, её сопровождающих (собственно плазменные волны, мелкомасштабные
искусственные ионосферные неоднородности, искусственное радиоизлучение ионосферы, оптическое излучение, и т. д.). Однако в начале 10-х г.г. по результатам экспериментов, выполненных специалистами ААНИИ на высокоширотном стенде EISCAT/Heating (г. Тромсе, Норвегия) было впервые обнаружено, что воздействие мощной КВ радиоволны Х-поляризации на высокоширотную F-область ионосферы приводит к генерации искусственных возмущений, которые по интенсивности могут превосходить возмущения при О-нагреве [1 - 7].
Особое внимание привлекают исследования на высокоширотных КВ нагревных стендах HAARP и EISCAT/Heating. В высоких широтах в максимальной степени реализуется эффект магнитного зенита, что приводит к генерации искусственных возмущений ионосферной плазмы значительно более сильных, чем в средних широтах. Необходимо также отметить, что существующие высокоширотные КВ нагревные стенды позволяют проводить исследования при очень высоких эффективных мощностях излучения (Рэфф> 250 МВт), когда реализуется возможность возбуждения явлений, принципиально недостижимых при Рэфф < 250 МВт. Так на стенде HAARP впервые была показана возможность создания дополнительных слоев ионизации и исследованы механизмы их генерации [8].
Целью данной работы является анализ характеристик искусственной ионосферной турбулентности (ИИТ), возбуждаемой в F-области высокоширотной ионосферы мощными КВ радиоволнами на высоких частотах нагрева fH = 5.4 - 8.0 МГц при высоких эффективных мощностях излучения (Рэфф > 250 МВт). Будет также выполнено сравнение эффектов, возникающих при О- и Х-нагреве F-области высокоширотной ионосферы.
Описание экспериментов. Модификации высокоширотной F-области ионосферы мощными КВ радиоволнами осуществлялась с использованием КВ нагревного стенда EISCAT/Heating (69.6° N, 19.2° E, L=6.2, 1=78°), в г. Тромсе, северная Норвегия. Эксперименты выполнялись в 2010 - 2016 г.г. в дневные и вечерние часы. Мощная КВ радиоволна обыкновенной (О-мода) или необыкновенной (Х-мода) поляризаций излучалась на высоких частотах от 5.4 до 8.0 МГц в направлении магнитного зенита (диаграмма направленности антенны стенда EISCAT/Heating была наклонена на 12°от вертикали к югу). Излучение проводилось при высокой эффективной мощности излучения Рэфф = 400 - 800 МВт. Просачивание О-волны при Х-нагреве и Х-волны при О-нагреве не превышала 1%.
В качестве основного диагностического средства эффектов воздействия использовался EISCAT радар некогерентного рассеяния радиоволн (НР) на частоте 930 МГц [9], пространственно совмещенный с нагревным стендом. Измерения с помощью радара НР выполнялись в диапазоне высот от 90 до 700 км с разрешением по времени 5 с и разрешением по высоте 1.5 или 3 км. Измерения выполнялись в направлении магнитного поля в Тромсе (магнитный зенит). Для диагностики мелкомасштабных искусственных неоднородностей (МИИН) использовался когерентный КВ радар CUTLASS (SuperDARN) [10] в Финляндии (63° N, 27° E), находящийся примерно на 1000 км южнее КВ нагревного комплекса в Тромсе. CUTLASS излучал на узконаправленную антенну с шириной луча ~ 3.3°, ориентированную на искусственно возмущенную область ионосферы над Тромсе («луч» 5). Измерения проводились на трех частотах с разрешением по дальности 15 км. Выбор и контроль частот нагрева осуществлялся по данным ионозонда в Тромсе.
Результаты. При включении КВ нагревного стенда мощная электромагнитная (EM) волна обыкновенной поляризации (О-мода) вблизи высоты отражения трансформируется в высокочастотную ленгмюровскую (LW) и низкочастотную ионно-акустическую (IAW) плазменные волны, EM^-LW + IAW. Этот процесс происходит в
первые ~100 мс нагрева и называется параметрической распадной неустойчивостью (parametric decay instability, PDI) [11]. Радар некогерентного рассеяния радиоволн (НР), пространственно совмещенный с КВ нагревным стендом, является единственным диагностическим инструментом позволяющим непосредственно идентифицировать возбуждение ленгмюровских и ионно-акустических плазменных волн по появлению плазменных линий на частоте нагрева (HF-induced plasma lines, HFPL) и усиленных нагревом ионных линий (HF-enhanced ion lines, HFIL) в спектрах рассеянных сигналов на первом 5 с шаге измерений. В наших экспериментах использовался радар НР, работающий на частоте 930 МГц, что обеспечивало обнаружение турбулентностей с масштабами L = 0.16 м (L= c/2frad , где с - скорость света, frad - частота радара). Как показали результаты многочисленных экспериментов ААНИИ, возбуждение PDI происходит не только при О-нагреве, но и при воздействии на высокоширотную ионосферу мощной КВ радиоволны Х-поляризации [2 - 7].
Представляет интерес сравнить развитие PDI при О- и Х-нагреве после включения КВ нагревного комплекса. Такое сравнение было сделано для двух последовательных О/Х циклов нагрева на частоте fH = 7.1 МГц 21 февраля 2013 г. ( см. рис. 1). Нагрев проводился на частоте вблизи критической частоты слоя F2 (fH ~ foF2) при эффективной мощности излучения Рэфф = 530 МВт. Из рис. 1 ясно видно, что включение О-нагрева сопровождалось резким возрастанием мощностей HFPL и HFIL, которые достигли максимума уже на первом 5 с интервале измерений, а затем затухали в течение нескольких последующих 5 с интервалах измерений радара НР. Такое поведение HFPL и HFIL является типичным для классической резонансной параметрической распадной неустойчивости (PDI) при обычно используемых в экспериментах эффективных мощностей излучения Рэфф < 250 МВт [10]. Однако при высоких эффективных мощностях излучения (Рэфф > 250 МВт) возможно возобновление возбуждения ленгмюровских и ионно-акустических волн, которое продолжалось непрерывно до окончания цикла О-нагрева [5 - 7]. Такое поведение ионно-акустических плазменных волн (усиленных нагревом ионных линий, HFIL) наблюдалось в эксперименте 21 февраля 2013 г. (см. рис. 1).
HFPL HFIL UP HFILdown
13:01 13:02 13:03 13:01 13:02 13:03 13:01 13:02 13:03
12:46 12:47 12:48 12:46 12:47 12:48 12:46 12:47 12:48
Time (UT)
Рис.1. Поведение мощностей усиленных нагревом плазменных линий (HFPL), усиленных нагревом сдвинутых вверх и вниз по частоте ионных линий (HFILUP и HFILDOWN) с 5 с разрешением по времени при О- и Х-нагреве на частоте 7.1 МГц 21 февраля 2013 г., начиная за 30 с до включения стенда EISCAT/Heating и в течение первых двух мин нагрева. Мощности HFPL, HFILUP и HFILDOWN приведены на трех фиксированных высотах, на которых они имели максимальные значения.
При Х-нагреве развитие HFPL и ЮТЬ принципиально отличалось от О-нагрева. Из рис. 1 следует, что эффекты включений в поведении усиленных нагревом плазменных и ионных линий не регистрировались. HFPL и ЮТЬ появлялись только через 15 - 20 с после включения, затем их интенсивность постепенно возрастала, достигая насыщения через 50 - 70 с после включения нагревного комплекса. Мощности HFPL и ЮТЬ в циклах Х- нагрева были существенно выше по сравнению с О-нагревом. Они регистрировались в течение всего цикла нагрева и сосуществовали с мелкомасштабными искусственными ионосферными неоднородностями (МИИН). Следует отметить, что в отличие от О-нагрева, когда возбуждение HFPL и ЮТЬ возможно только при нагреве на частотах /Н < /сР2, при Х-нагреве генерация HFPL и ЮТЬ происходит на частотах нагрева как ниже, так и выше критической частоты слоя £2. (/Н < /0^2 и /Н > /0^2). Усиленные нагревом плазменные и ионные линии (HFPL и ЮТЬ) при Х-нагреве на частотах /Н > /0^2 наблюдались в диапазоне между /0^2 и /ХР2, где /х¥2 - критическая частота необыкновенной компоненты слоя ^2 (/ХР2 = /ср2 + /Се/2, где/Се - гирочастота электронов).
Сравним поведение усиленных нагревом плазменных и ионных линий (HFPL и ЮТЬ) при Х-нагреве на частотах ниже и выше критической частоты слоя ^2 (/Н < /0^2 и /Н > /0^2). На рис. 2 приведены высотные профили интенсивностей и ОТГЬ 25
октября 2013 г. в цикле нагрева 16:16 - 16:21 ЦГ (/Н < /<¿2) и 16:53:30 - 16:58:30 ЦГ (/Н> /0^2). Как следует из рис.2, интенсивности HFPL и ЮТЬ при Х-нагреве на частоте /Н > /0^2 были ниже, чем в случае /Н < /0^2). При этом диапазон высот, в котором возбуждались усиленные нагревом плазменные и ионные линии, при /Н > /0^2 (220 -270 км) был существенно больше по сравнению со случаем /Н < /0^2 (215 - 240 км).
Рис. 2. Высотные профили мощностей усиленных нагревом сдвинутых вниз и вверх по частоте ионных линий (HFILDOWN и HFILuP ), усиленных нагревом плазменных линий (HFPL), при Х-нагреве на частоте 7.1 МГц 25 октября 2013 г.: (а) в цикле нагрева 16:16 -16:21 ит /н </Р2); (Ь) 16:53:30 - 16:58:30 ит /н >/Р2).
По данным экспериментов на стенде EISCAT/Heating при ступенчатом изменении эффективной мощности излучения выполнен анализ характеристик и порогов возбуждения ленгмюровских (LW) и ионно-акустических (IAW) плазменных волн при воздействии мощных КВ радиоволн О- и Х-поляризации на высокоширотную Е-область ионосферы. На рис. 3 показано высотно-временное распределение интенсивностей плазменных линий (HFPL), а также интенсивностей сдвинутых вниз и вверх по частоте усиленных нагревом ионных линий (Ю^^^ и (ОТ^цр), по данным измерений ЕКСАТ радара (933 МГц) НР с разрешением 5 с по времени и 3 км по высоте 20 октября 2012 г. Альтернативный 0-/Х нагрев производился в направлении магнитного зенита на частоте 7.953 МГц. Рэфф ступенчато возрастала от 58 до 560 МВт, а затем возвращалась к 56 МВТ. Обнаружено, что при Х-нагреве HFPLs и ОТ^ появлялись при Рэфф = 190 и 316 МВт соответственно. Используя выражение Е = 0.25 ^Рэфф/ R (здесь Е в В/м, Рэфф в кВт и R в км) [12], значения электрического поля, при котором начинают возбуждуться ленгмюровские и ионно-акустические плазменные волны (без учета поглощения и рефракции), составляют EL = 0.47 и Е1А = 0.61 В/м.
Рис. 3. Высотно-временное распределение интенсивностей HFPL, HFILDOWN и HFILup по данным измерений EISCAT радара (933 МГц) НР с разрешением 5 с по времени и 3 км по высоте 20 октября 2012 г. Альтернативный O-/X нагрев производился в направлении магнитного зенита на частоте 7.953 МГц. Эффективная мощность излучения ступенчато возрастала от 58 до 560 МВт, а затем возвращалась к 56 МВТ. Изменения ERP, а также мощностей просачивания (ERPL) Х-волны при О-нагреве и О-волны при Х-нагреве
приведены на нижней панели.
При О-нагреве при высоких эффективных мощностях излучения после развития «классической» стрикционной неустойчивости, регистрируемой как непосредственный отклик на момент включения нагревного стенда, происходит повторное возбуждение ленгмюровской и ионно-акустической турбулентностей (HFPLs и HFILs), которые «не гасятся» развившимися мелкомасштабными искусственными ионосферными неоднородностями и наблюдается в течение цикла нагрева. Пороги их возбуждения при О-нагреве выше, чем при Х-нагреве, и составляли 0.62 and 0.73 В/м соответственно.
Результаты выполненных исследований продемонстрировали принципиальное различие в развитии и порогах возбуждения ленгмюровских и ионно-акустических плазменных волн (усиленных нагревом плазменных и ионных линий в спектрах сигналов EISCAT радара некогерентного рассеяния, HFPL и HFIL) при О- и Х-нагреве высокоширотной F-области ионосферы. Показано, что при высоких эффективных мощностях излучения (Рэфф > 250 МВт) при О-нагреве после развития «классической» параметрической распадной неустойчивости происходит возобновление возбуждения ленгмюровских и ионно-акустических волн.
Литература
1. Blagoveshchenskaya N. F., Borisova T. D., Yeoman T. et al. Artificial field-aligned irregularities in the high-latitude F region of the ionosphere induced by an X-mode HF heater wave // Geophys. Res. Lett. 2011. V. 38. doi: 10.1029/2011GL046724.
2. Blagoveshchenskaya N. F., Borisova T. D., Kosch M., et al. Optical and Ionospheric Phenomena at EISCAT under Continuous X-mode HF Pumping // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2014. V. 119. P. 10483-10498. doi:10.1002/ 2014JA020658.
3. Blagoveshchenskaya N.F., Borisova T.D., Yeoman T.K. et al. Modification of the high latitude ionosphere F region by X-mode powerful HF radio waves: Experimental results from multi-instrument diagnostics // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2015. V. 135. P. 50-63.
4. Blagoveshchenskaya N. F., Borisova T. D., Kalishin A.S. et al. First observations of electron gyro-harmonic effects under X-mode HF pumping the high latitude ionospheric F-region // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 2017. V. 155. P. 36-49.
5. Blagoveshchenskaya N.F., Borisova T.D., Yeoman T.K., Comment on the article "Parametric Instability Induced by X-Mode Wave Heating at EISCAT" by Wang et al. (2016) // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. V. 122. Р. 12,570 - 12,586. https://doi.org/10.1002/2017JA023880.
6. Blagoveshchenskaya N. F., Borisova T. D., Kalishin A.S., Yeoman T. K., Haggstrom I., Distinctive features of Langmuir and Ion-acoustic Turbulences induced by O- and X-mode HF Pumping at EISCAT // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2020. V. 125. №7. https://doi.org/10.1029/2020JA028203.
7. Blagoveshchenskaya N. F., Perturbating the High-Latitude Upper Ionosphere (F Region) with Powerful HF Radio Waves: A 25-Year Collaboration with EISCAT // Radio Science Bulletin. 2020. № 373 (June 2020). P. 40 - 55. doi:10.23919/URSIRSB.2020.9318436
8. Mishin E., Watkins B., Lehtinen N., Eliasson B., Pedersen Т., Grach S., Artificial ionospheric layers driven by high-frequency radiowaves: An assessment // J. Geophys. Res. Space Physics. 2016. V.121, doi:10.1002/2015JA021823.
9. Rishbeth H, van Eyken T, EISCAT: Early history and the first ten years of operation // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 1993. V. 55. P. 525 - 542.
10. Lester M., Chapman P. J., Cowley S. W. H et al. Stereo CUTLASS: A new capability for the SuperDARN radars // Ann. Geophys. 2004. V. 22. P. 459 -473.
11. Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере // Успехи физических наук. 2007 Т.177. №11. C. 1145 - 1177.
12. Robinson T.R. The heating of the high latitude ionosphere by high power radio waves // Physics Reports. 1989. V. 179. P. 79 - 209.
