CC BY
7Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - Муром 2022
УДК 533.591;550.388.2 DOI: 10.24412/2304-0297-2022-1-124-128
Ионосферные проявления магнитных пульсаций в периоды нагревных экспериментов на стенде EISCAT/Heating
Т.Д. Борисова, Н.Ф. Благовещенская, А.С. Калишин
ФГБУ «Арктический и антарктический научно исследовательский институт» (199397, Россия, Санкт-Петербург, ул. Беринга, д.38), тел.8(812)337-3123, e-mail: borisova@aari.ru
Представлены результаты численных и экспериментальных исследований параметров пульсаций в диапазоне периодов Рс4-5 по данным измерений методом ракурсного рассеяния радиоволн с использованием КВ нагревного стенда EISCAT/Heating (г.Тромсе, Норвегия) и наземных магнитометров сети IMAGE (Скандинавия).
Ionospheric manifestations of magnetic pulsations during heating experiments at the EISCAT/Heating stand
T.D. Borisova, N.F. Blagoveshchenskaya, A.S. Kalishin
Arctic and Antarctic Research Institute
38, Bering str., St. Petersburg, Russia, 199397
There are presented experimental and numerical results concerning characteristics of Pc4-5 pulsations using the method of bistatic backscatter of radio waves, the EISCAT HF heating facility, and ground- based magnetometers.
Геомагнитные пульсации диапазона Рс4-5 (45-150, 150-600) с являются распространенными видами колебаний, регистрируемых на земной поверхности. Возбуждение этих видов геомагнитных пульсаций наблюдается от приэкваториальных областей до полярной шапки и характерно для магнитоспокойных условий. В магнитосфере на спутниках геомагнитные пульсации диапазона Рс3-4 наблюдаются регулярно. Преобладающими являются магнитозвуковые волны, однако на L~ 6-7 в магнитоспокойное время наблюдается также появление волн альвеновского типа. колебания диапазона Рс3-4 в высоких широтах, по-видимому, являются результатом проникновения волн внемагнитосферного происхождения из турбулентного переходного погранслоя. Пульсации Рс5 от других типов устойчивых пульсаций отличаются не только большими периодами (150-600 с, f~1.5-6.0 мГц) и огромными амплитудами, но и четкой связью с развитием суббури [1, 2].
Исследования параметров пульсаций проводятся по данным наземных магнитных наблюдений, и непосредственно на высотах ионосферы (спутники, радары). Использование КВ нагревных комплексов и метода ракурсного (или обратного) рассеяния диагностических КВ радиосигналов на мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностях (МИИН) также позволяет исследовать характеристики волновых возмущений в ионосфере [3, 4].
Технические средства и методы наблюдений. Экспериментальные наблюдения 3 октября 2006 г. выполнялись методом ракурсного рассеяния диагностических КВ сигналов на МИИН. Генерация МИИН производилась нагревным КВ комплексом
EISCAT/Heating (Норвегия, г.Тромсе географические координаты 69.6° N, 19.2° E, L = 6.2). Мощная КВ радиоволна о-моды поляризации излучалась на частоте fe = 4040 кГц с 10:00 до 10:13:30 UT и с 10:15 до 10:20 UT (время мировое). Излучение проводилось в направлении, близком к ориентации магнитного поля Земли. Размер искусственно возмущенной области ионосферы ИВО на высотах F2 слоя соответствовал 100 км. Эффективная мощность излучения составляла Рэфф = 190-210 МВт.
Прием диагностических КВ сигналов, рассеянных на МИИН, происходил методом ракурсного рассеяния на обсерватории ААНИИ «Горьковская», расположенной в 70 км от г. С.-Петербург и 1200 км от г.Тромсе. Измерения выполнялись одновременно на двух диагностических трассах: Лондон - Тромсе - С.-Петербург, рабочая частота ^щагн = 17640 кГц и Пори (Финляндия) - Тромсе - С.-Петербург, £щагн = 11750 кГц. Карта, поясняющая взаимное расположение диагностических трасс и нагревного комплекса EISCAT/Heating, приведена на рисунке 1. Для регистрации ракурсно-рассеянных КВ сигналов использовался многоканальный КВ доплеровский комплекс, установленный на обсерватории «Горьковская» [4]. Диаграмма направленности приемной антенны ориентирована на Тромсе.
Анализ выполнен по данным наземных наблюдений магнитного поля Земли магнитометрами IMAGE сети Скандинавии (станции: Тромсе, аббревиатура - TRO; Анденес, AND и Кево, KEV, http://www.space.fmi.fi/image/), по данным станции вертикального зондирования ВЗ ионосферы в г.Тромсе, результатам измерений на спутнике ACE параметров межпланетного магнитного поля ММП и солнечного ветра СВ, с использованием данных численных расчетов.
□ Ю 2D 3D
Рис.1. Карта - схема геометрии эксперимента 3 октября 2006 г. 1 - трасса прямого распространения КВ сигнала, 2 - трасса ракурсного рассеяния, 3 -
наземные магнитометры.
Результаты экспериментальных наблюдений. Уровень солнечной активности в период эксперимента был низким: число Вольфа 3 октября 2006 соответствовало W=23, среднемесячное значение W=18. Трехчасовой индекс магнитной возмущенности Kp имел значение Kp = 2-, сумма Kp-индексов за сутки составила ZKp = 14+.
По данным станции ВЗ ионосферы, расположенной вблизи EISCAT/Heating с 10:00 до 10:30 UT наблюдался ионосферный слой F2 с критическими частотами foF2 ~ 4.1 МГц.
Рис.2а и 2б демонстрируют динамические доплеровские спектры (сонограммы), зарегистрированные на НИС "Горьковская" на трассах Лондон - Тромсе - С.Петербург, ^щагн = 17640 кГц, и Пори - Тромсе - С.-Петербург, ^щагн = 11750 кГц, 3 октября 2006г. в период 09:58-10:22 UT. Нулевое значение сдвига доплеровской частоты fD = 0 соответствует распространению диагностических сигналов от передатчика до приемника по дуге большого круга («прямой» сигнал). Периоды излучения передатчика комплекса EISCAT/Heating на интервалах 10:00-10:13:30 и 10:15-10:20 UT отмечены скобками на оси времени. Анализ данных (рис.2а и 2б), показывает, что в циклах излучения нагревного стенда на обеих радиотрассах наблюдались интенсивные сигналы, рассеянные от МИИН, которые были смещены на доплеровскую частоту fD относительно прямого сигнала. Значения fD рассеянных сигналов на сонограммах формируют треки, расположенные в отрицательной области частот относительно fD = 0 на обеих трассах и характеризовались волновыми вариациями fD. Периоды волновых вариаций fD составляли 70 - 240 с при максимальной амплитуде волны (fdmax -fdmin) = 2.2 - 2.4 Гц. В целом наблюдается сходство между вариациями fD на двух диагностических трассах.
На рис.2в показаны магнитограммы наземных наблюдений на станции TRO для интервала времени с 9:58 до 10:22 UT. Из рис.2в видно, что по данным магнитного поля Земли регистрировались волновые процессы квазисинусоидальной формы с периодами от 60 до 270 c для X-, и Y- компонент магнитного поля Земли с амплитудой 1-3 нТ. В целом наблюдается соответствие изменения во времени параметров |fo| и Y компоненты. С помощью пакета MATLAB данные составляющих магнитного поля Земли были пропущены через широкополосный фильтр Чебышева 1 типа с частотной полосой 2.8 - 15.5 мГц (периоды 65 - 360 с), 3.3 - 5 мГц (200 - 300 с) и 5 - 8.3 мГц (120 - 200с). В результате применения Фурье анализа рассчитаны динамические спектры в скользящем окне ~ 12 мин (72 точки) для Х- и Y- компонент магнитного поля Земли и выделены периоды геомагнитных пульсаций в Х- и в Y- компонентах (показаны в Таблице).
По данным ракурсных измерений на двух диагностических радиотрассах определили вектор (амплитуду и направление) скорости V движения МИИН в ИВО ионосферы [5]. В Таблице приведены значения периодов пульсаций, зафиксированные 3 октября 2006 г. с 09:50 до 10:20 UT доплеровскими данным fo и магнитометрическим измерениям X- и Y- компонент магнитного поля Земли, а также полученные в результате вычислений скорости движений в ионосфере (амплитуды |V|миин и азимута AZmhhr).
Представленные в табл. данные показывают, что наблюдаемые волновые структуры 3 октября 2003 г. во время работы КВ нагревного комплекса EISCAT/Heating с 10:00 до 10:20 UT лежат в диапазоне 80 - 240 с и соответствуют диапазонам пульсаций Рс4 - 5.
Рис. 2. Сонограммы КВ радиосигналов, зарегистрированные 3 октября 2006 г. на трассах (а) Лондон - Тромсе - С.-Петербург и (б) Пори - Тромсе - С.-Петербург. (в) Вариации Х-, Y- и Z- компонент магнитного поля по данным магнитометра
г.Тромсе (TRO).
Отметим, что около 9:00 UT наблюдались резкие изменения во времени Вх-, Ву-, Bz- компонент ММП, измеренных на спутнике ACE. В это же время скачком одновременно в изменялись параметры СВ: динамическое давление, концентрация протонов Np, скорость. Граница магнитопаузы на дневной стороне также резко приблизилась к Земле на 1.2 радиуса Re. В 09:56 UT произошло внезапное увеличение АЕ индекса с 80 до 400 нТ (началась суббуря). Оценка кинетической задержки наземных наблюдений относительно спутниковых составляла ~ 55-58 мин.
Таблица. Периоды пульсаций Т 3 октября 2006 г. по экспериментальным данным вариаций /В, результатам расчетов скорости движений в ионосфере (амплитуде |У|миин и азимуту Лгмиин), а также по измерениям X- и У- компонент магнитного поля Земли._
Время, Т, с Т, с Т, с
UT Наблюдения результаты расчетов по магнитометрическим
допл. методом по fD измерениям
|v| миин А2МИИН Х компонента Y компонента
9:50 - 10:00 - - - 210, 150 240, 150
(без нагрева)
10:00 - 150, 210, 120 240, 150 150 210, 150 150, 240
10:13.5
10:15 - 10:20 90, 70 70, 90 80 90, 120, 260 90, 160, 250
Результаты выполненных наблюдений свидетельствуют, что с 10:00 до 10:20 UT 3 октября 2006г можно выделить два независимых волнообразных процесса с периодами колебаний ~120 - 150 с и 210 - 270 с, лежащими в диапазоне периодов пульсаций Рс4-5.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-1700020, https://rscf.ru/project/22-17-00020/
Литература
1. Гульельми А.В., Троицкая В.А. Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы. М.: Наука, 208 с. 1973.
2. Клейменова Н. Г. Геомагнитные пульсации. // Модель космоса: Т. 1 : Физические условия в космическом пространстве // ред.: М. И. Панасюк и др. С.611-626. 2007.
3. Yeoman T.K., Wright D.M., Robinson T.R., Davies J.A., Rietveld M. High spatial and temporal resolution observations of an impulse-driven field line resonance in radar backscatter artificially generated with the Tromso heater. // Ann. Geophysicae. V. 15. P.634-644. 1997.
4. Благовещенская Н.Ф. Геофизические эффекты активных воздействий в околоземном космическом пространстве. С. Петербург. Гидрометеоиздат. 288 с. 2001.
5. Борисова Т.Д., Благовещенская Н.Ф., Корниенко В.А., Риетвельд М. Определение вектора скорости ионосферных неоднородностей по данным доплеровских измерений в искусственно модифицированной F области полярной ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 47. №1. С. 76-84. 2007.
