CC BY
0Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - Муром 2024
УДК 533.951 DOI: 10.24412/2304-0297-2024-1-123-127
Ионосферные и оптические явления при Х-нагреве на разных частотах
Н.Ф. Благовещенская1, Т.Д. Борисова1, А.С. Калишин1, М. Кош2, И.М. Егоров1, Г. А. Загорский1
1 Арктический и антарктический научно-исследовательский институт
199397, г. С. Петербург, ул. Беринга, 38
E-mail: nataly@aari.nw .ru
2Национальное космическое агенство южной Африки
E-mail: mkosch@sansa.org.za
Представлены результаты исследований ионосферных и оптических явлений, вызванных воздействием мощных КВрадиоволн необыкновенной (Х-мода) поляризации стенда EISCAT/Heating (г. Тромсе, Норвегия) на высокоширотную F-область ионосферы. Рассмотрены характеристики параметров ионосферной плазмы и искусственного оптического излучения при альтернативном Х-нагреве на разных частотах. Ключевые слова: высокоширотная ионосфера, мощная КВ радиоволна, электронная концентрация, продольные плазменные волны, искусственное оптическое излучение
Ionospheric and optical phenomena produced by HF pumping at different frequencies
N.F. Blagoveshchenckaya1, T.D. Borisova1, A.S. Kalishin1, M. Kosch2, I.M. Egorov1, G.A. Zagorskyi1
1 Arctic and Antarctic Research Institute
2 South African National Space Agency
PO Box 32, Hermanus 7200, Western Cape, South Africa
The results of studies of the ionospheric and optical phenomena in the high latitude F-region of the ionosphere produced by powerful extraordinary (X-mode) polarized HF radio waves from the EISCAT/Heating facility (Troms0, Norway) are presented. Features of the ionospheric plasma parameters and artificial optical emission under alternative X-mode HF pumping at different frequencies are analyzed.
Keywords: high latitude ionosphere, powerful HF radio wave, electron density, elongated plasma waves, artificial optical emission
Введение
Для модификации верхней ионосферы (F-область) традиционно на всех нагревных стендах мира используются мощные КВ радиоволны обыкновенной (О-мода) поляризации. Это вызвано тем, что радиоволны необыкновенной (Х-мода) поляризации отражаются существенно ниже высоты отражения мощной КВ радиоволны О-поляризации и, более того, ниже области существования квазиэлектростатических плазменных волн (ленгмюровских и верхнегибридных). Вследствие этого они не могут вызвать генерацию этих волн и, как следствие, возбуждение искусственной ионосферной турбулентности и явлений, её сопровождающих [1, 2]. Тем не менее результаты многочисленных экспериментов, выполненных специалистами ААНИИ на высокоширотном КВ нагревном стенде EISCAT/Heating (г. Тромсе, Норвегия), убедительно продемонстрировали, что воздействие мощной КВ радиоволны Х-поляризации на F-область ионосферы вдоль магнитного поля (в магнитный зенит)
приводит к генерации искусственных возмущений, которые могут превосходить по интенсивности возмущения при О-нагреве (см., например, [3 - 9] и ссылки там). Исследования нелинейных явлений при Х-нагреве требуют дальнейшего серьезного изучения как в экспериментальном, так и теоретическом плане.
Целью данной статьи является исследование характеристик и поведения разнообразных нелинейных явлений в высокоширотной F-области ионосферы при альтернативном Х-нагреве на различных частотах. К числу рассмотренных явлений относятся: искусственное оптическое излучение в красной (630.0 нм) и зеленой (577.7 нм) линиях атомарного кислорода, параметры ионосферной плазмы (электронная концентрация и температура, Ne и Te), продольные плазменные волны (ленгмюровские и ионно-акустические), мелкомасштабные искусственные ионосферные неоднородности.
Используемые средства и методы диагностики
Супермощный КВ нагревной стенд EISCAT/Heating (69.6° N, 19.2° E, L=6.2, /=78°), расположенный в г. Тромсе, северная Норвегия, технические характеристики которого приведены в [10], использовался для модификации высокоширотной F-области ионосферы мощными КВ радиоволнами необыкновенной (Х-мода) поляризации. Эксперимент выполнялся 25 октября 2013 г. в вечерние часы при высокой солнечной (относительное число солнечных пятен W = 138) и низкой магнитной (Kp =1 - ) активности. Мощная КВ радиоволна излучалась альтернативно на частотах fH = 7.1/6.2 МГц в направлении магнитного поля в Тромсе (12° на юг от вертикали) циклами 5 мин нагрев, 2.5 мин пауза. Излучение проводилось на фазированную антенную решетку с шириной диаграммы направленности 5-6° (на уровне - 3 дБ), обеспечивая эффективную мощность излучения 650/460 МВт на частотах нагрева 7.1 и 6.2 МГц соответственно.
В качестве основных средств диагностики ионосферы в период эксперимента использовался EISCAT радар некогерентного рассеяния радиоволн (НР) на частоте 930 МГц [11], пространственно совмещенный с нагревным стендом, и когерентный КВ радар CUTLASS (SuperDARN) [12] в Финляндии (63° N, 27° E), расположенный южнее нагревного стенда EISCAT/Heating на ~ 1000 км. Регистрация искусственного оптического излучения проводилась в Тромсе с помощью камеры DASI-2, оснащенной телецентрической оптикой и узкополосными интерференционными фильтрами для всех основных эмиссий излучения. Угол обзора, последовательность изменения используемых фильтров и время интегрирования можно варьировать в соответствии с целями эксперимента.
Результаты и их обсуждение
На рис. 1 показано высотно-временное распределение электронной концентрации и температуры (Ne и Te), интенсивностей инициированных нагревом плазменных линий и мощности рассеянного сигнала (обозначенной как «raw electron density») по данным измерений радара некогерентного рассеяния в Тромсе при альтернативном Х-нагреве высокоширотной F-области ионосферы на частотах 7.1 и 6.2 МГц в период эксперимента 25 октября 2013 г. Как следует из рис 1, сильные возрастания электронной плотности Ne до высот порядка 550 км, образующие дакты повышенной плотности электронов вдоль магнитной силовой трубки, наблюдались при излучении мощной Х-волны как на частоте fH = 7.1 МГц, так и fH = 6.2 МГц. Дакты Ne отвечают за генерацию мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностей (МИИН) вследствие развития неустойчивости Рэлея - Кельвина на градиентах Ne [9]. По данным радара CUTLASS возбуждение МИИН с поперечными к магнитному полю масштабами
7.5 - 10 м наблюдалось во всех циклах Х-нагрева в период эксперимента. Инициированные нагревом плазменные линии, сосуществующие с МИИН в течение всего нагревного цикла, непосредственно регистрировались в спектрах сигнала радара НР на высотах вблизи отражения волны накачки и являются прямым указанием на возбуждение ленгмюровских волн.
Рис. 1. Высотно-временное распределение Ne и Te, интенсивностей инициированных нагревом плазменных линий и мощности рассеянного сигнала (обозначенной как «raw electron density») по данным измерений радара НР при альтернативном Х-нагреве в магнитный зенит на частотах 7.1 и 6.2 МГц 25 октября 2013 г. Периоды излучения и частоты нагрева приведены на нижней панели.
На рис.2 показано поведение интенсивностей искусственных эмиссий красной (630 нм) и зеленой (577.7 нм) линий атомарного кислорода (верхняя панель), а также критических частот обыкновенной (foF2) и необыкновенной fxF2) компонент слоя F2
по данным ионозонда в Тромсе и частоты нагрева JH (нижняя панель) 25 октября 2013 г. Как видно из рис. 2, искусственное оптическое излучение на Jh = 7.1 МГц регистрировалось на частотах нагрева в диапазоне между foF2 и JxF2 (foF2 < JH < JxF2). В этом случае интенсивности эмиссий в линиях 630 and 577.7 нм составляли /бзо.о = 180 - 350 и I577.7 = 75 - 125 R относительно фона соответственно, а отношение интенсивностей эмиссий составляло I577.7 / 1бзо.о = 0.35 - 0.4. На частоте JH = 6.2 МГц нагрев проводился в условиях JH < JoF2. Здесь интенсивности красной и зеленой линий имели значения 1б30.0 =120 - 150 R и I577.7 = 75 - 100 R соответственно с отношением I577.7 / 1б30.0 = 0.4 - 0.6.
dasi2 2013-10-25
500
й-250
(Л
с.
ш
Л
о
16:15 16:30 16:45 17:00
Time, UT
Рис. 2. Поведение интенсивностей эмиссий красной (630 нм) и зеленой (577.7 нм) линий атомарного кислорода (верхняя панель), критических частот/оК2 и fx.Fl и частоты
нагрева /н (нижняя панель) 25 октября 2013 г.
Сравнение результатов наблюдений на рис 1 и 2 свидетельствует, что интенсивность оптических эмиссий красной и зеленой линий атомарного кислорода при Х-нагреве ^-области ионосферы находится в прямой зависимости от интенсивности ленгмюровских волн.
Выводы
Установлено, что интенсивные оптические эмиссии красной и зеленой линий атомарного кислорода в ^-области высокоширотной ионосферы при Х-нагреве возбуждались в условиях, когда частота нагрева была как ниже /аР2 (/к < foF2) на частоте /к = 6.2 МГц, так и выше /аР2, но меньше /ХР2 (/аР2 < / < /ХР2) на частоте /к = 7.1. Показано, что искусственное оптическое излучение сопровождалось генерацией интенсивных продольных плазменных волн (ленгмюровских и ионно-акустических) и мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностей (МИИН) с поперечными к магнитному масштабами 7.5 - 10 м. При этом высота генерации оптических эмиссий происходила вблизи отражения волны накачки на высотах возбуждения искусственной ленгмюровской и ионно-акустической турбулентности. Интенсивность оптических эмиссий красной и зеленой линий атомарного кислорода
при Х-нагреве F-области ионосферы находится в прямой зависимости от интенсивности ленгмюровских волн.
Работа выполнена при ф(инансовой поддержке Российского научного фонда по проекту № 22-17- 00020, https://rscf.ru/proiect/22-17-00020/
Литература
1. Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере // Успехи физических наук. 2007 Т.177. №11. C. 1145 - 1177.
2. Robinson T.R. The heating of the high latitude ionosphere by high power radio waves // Physics Reports. 1989. V. 179. P. 79 - 209.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Kalishin A.S., Blagoveshchenskaya N.F., Borisova T.D., Yeoman T.K. Ion Gyro-Harmonic Structures in Stimulated Emission Excited by X-Mode High Power HF Radio Waves at EISCAT // J. Geophys. Res. Space Phys. 2021. V. 126 (8). https://doi.org/10.1029/2020JA028989
9. Blagoveshchenskaya N.F., Borisova T.D., Kalishin A.S., Egorov I.M. Artificial Ducts Created via High-Power HF Radio Waves at EISCAT // Remote Sens. 2023. V. 15 (9). 2300. https://doi.org/10.3390/rs15092300
10. Rietveld M. T., Senior A., Markkanen J., Westman A. New capabilities of the upgraded EISCAT high-power HF facility // Radio Sci. 2016. V. 51. №9. P. 1533-1546.
11. 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.
12. 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.
