CC BY
60
УДК 537.876.2
С. В. Пильгаев, А. В. Ларченко, Ю. В. Федоренко
МОДОВЫЙ СОСТАВ ПОЛЯ ИСКУССТВЕННОГО ИОНОСФЕРНОГО ИСТОЧНИКА
Аннотация
Приводятся результаты обработки наземных наблюдений излучения ионосферного источника, образованного в результате воздействия на ионосферу мощным амплитудно-модулированным КВ-излучением стенда EISCAT/Heating, расположенного вблизи г. Тромсе. Эксперимент проводился с 17 по 26 октября 2014 г. Частоты модуляции КВ-излучения - 1017, 2017 и 3017 Гц. Регистрация генерируемого ионосферным источником излучения производилась двумя пространственно разнесенными ОНЧ-приемниками [1, 2] в обсерватории ПГИ Ловозеро и в районе г. Апатиты. Произведён расчёт поляризации горизонтального магнитного поля ионосферного источника. Показано, что она определяется условиями распространения в волноводе Земля - ионосфера и на частотах 1017 и 3017 Гц преимущественно линейна, а на частоте 2017 Гц -эллиптическая левая. Исследован модовый состав поля. Выявлено, что на частоте 1017 Гц распространение сигналов от ионосферного источника происходит только на TEM-моде, на частоте 3017 Гц - на трёх модах: TEM, ТМ01, ТЕ01.
Ключевые слова:
ОНЧ, нагревный стенд, распространение, волновод Земля - ионосфера, поляризация, мода волновода.
S. V. Pilgaev, A. V. Larchenko, Yu. V. Fedorenko
MODE CONTENT OF THE WAVEFIELD FROM ARTIFICAL IONOSPHERIC SOURСE
Abstract
There are results of the ground-based measurements of the wavefield from ionospheric source created by EISCAT/Heating facility in Tromso. The experiment was carried from 17 to 26 October 2014. The radiated HF wave was modulated with frequencies 1017, 2017 and 3017 Hz. We recorded this signals using two spatially separated VLF receivers located in the Lovozero observatory and near Apatity town. Polarization of magnetic field from ionospheric source has been calculated. It has been shown that polarization is controlled by propagation condition in the Earth - ionosphere waveguide. A signal is predominantly linearly polarized at the frequencies 1017 and 3017 Hz, but has left-handed elliptical polarization at 2017 Hz. Mode composition of electromagnetic fields was studied. The signal at the frequency 1017 Hz propagated in transverse electromagnetic mode (TEM) while at 3017 Hz it propagated in TEM, TM1, and TE01 modes.
Key words:
VLF, ionospheric heater, propagation, Earth - ionosphere waveguide, polarization, waveguide mode.
Введение
Мощность низкочастотного источника, возникающего при модификации ионосферы мощным КВ-излучением, зависит от плотности тока в ионосфере на высотах 80-100 км, которая сильно изменяется со временем. Амплитуда низкочастотных волн от такого источника, регистрируемых на земной поверхности на расстоянии в несколько длин волн от него, определяется как
107
особенностями возбуждения волновода Земля - ионосфера источником, погруженным в ионосферу, так и условиями распространения низкочастотных волн в волноводе. Чтобы отделить эффекты, связанные с изменением мощности ионосферного источника, от эффектов возбуждения поля в волноводе и распространения волноводных мод, целесообразно использовать такие параметры электромагнитного поля в точке наблюдения, которые слабо зависят от мощности источника и в основном определяются физическими процессами, контролирующими возбуждение и распространение волноводных мод. Проведенные ранее эксперименты показали, что, несмотря на изменение амплитуд компонент поля на порядок, поляризация горизонтального магнитного поля остается относительно стабильной [3]. Этот факт дает возможность предположить, что такие характеристики горизонтального магнитного поля, как тип и степень поляризации, а также эксцентриситет и ориентация эллипса поляризации в основном определяются условиями распространения в волноводе, а не процессами в ионосфере.
В данной работе приведены результаты наземных измерений локальных параметров поля ионосферного источника, образованного мощным модулированным КВ-излучением стенда EISCAT/Heating в направлении магнитного зенита. Нагрев ионосферы начался 26 октября в 15 ч UT и осуществлялся циклами по 15 мин с частотами модуляции 1017, 2017 и 3017 Гц в следующем режиме: 5 мин нагрева при каждой частоте модуляции, затем 10 мин перерыв. В 17 UT эксперимент был окончен. Регистрация сигналов проводилась стационарным приемником обсерватории ПГИ Ловозеро (67° 58’ 31” N, 35° 4’ 52” E) и мобильным комплектом в окрестности г. Апатиты, в точке с координатами (67° 30’ 38” N, 33° 29’ 36” E).
Обработка сигналов
Для исследования структуры поля ионосферного источника при обработке данных, полученных в ходе эксперимента, мы использовали поляризационную матрицу, которая обладает следующими полезными свойствами:
• она оптимальна для увеличения отношения сигнал/шум за счет усреднения по времени;
• матрица сигнала в смеси с шумом равна сумме матрицы сигнала и матрицы шума;
• при обработке нестационарных сигналов позволяет найти компромисс между статистической устойчивостью результатов и разрешением по времени.
Поляризационная матрица для трех главных компонент электромагнитного поля:
Здесь Hx и Hy - северная и восточная компоненты магнитного поля; Ez - вертикальная компонента электрического поля. Угловые скобки означают усреднение по времени, * - комплексно сопряженную величину.
108
Для трех компонент поля можно измерить угол, который образует вектор Пойнтинга S с первой осью системы координат, который отсчитывается от первой оси (в нашем случае это направление на север) в кратчайшем направлении на вторую ось (в нашем случае это направление на восток) до вектора Пойнтинга. Предполагается, что компоненты Ex, Ey и Hz малы по сравнению с Hx, Hy и Ez и ими можно пренебречь.
Для расчета характеристик поляризации горизонтального магнитного поля использовались приведенные ниже формулы [4]:
р =J2TJ\2;
p=4 P+P2;
Y:
— arctan 2
21
12
V Jii'
J
22 У
Здесь P - средняя мощность горизонтального магнитного поля; Pi и Pc - средние квадраты поляризованных линейно и по кругу частей горизонтального магнитного поля соответственно; у - угол между большой осью эллипса поляризации и первой осью системы координат.
Обсуждение результатов
Ниже приведены основные закономерности поведения сигналов, зарегистрированных на станциях, на примере сеанса нагрева ионосферы 21 октября 2014 г. Из данных каждой станции были выбраны участки времени нагрева на частотах 1017, 2017 и 3017 Гц. Каждый из этих участков преобразован узкополосным фильтром с целью выделения полезного сигнала, а также оценен шум на частотах, сдвинутых на 0.25 Гц от частоты сигнала. Элементы поляризационной матрицы были вычислены для каждого отсчета данных и затем усреднены за время цикла передатчика.
На рисунке 1 приведены характеристики поляризации горизонтального магнитного поля на станциях обс. Ловозеро и Апатиты. Видно, что во всех случаях мощность шума значительно ниже мощности полезного сигнала. Поляризация горизонтального магнитного поля на частотах 1017 и 3017 Гц преимущественно линейна. На частоте 2017 Гц поляризация эллиптическая левая. Этот факт дает возможность предположить, что распространение искусственного ОНЧ-излучения на частотах 1017 и 3017 Гц, далеких от частоты поперечного резонанса волновода Земля - ионосфера, происходит преимущественно на поперечной электромагнитной (TEM) и поперечной магнитной (TM) модах, а на частоте 2017 Гц, близкой к частоте поперечного резонанса, доминирует левополяризованная мода, хорошо отражающаяся на этой частоте от анизотропной верхней стенки волновода.
109
Рис.1. Средняя мощность P (синие столбцы), линейно Pi (красные) и циркулярно Pc (зеленые) поляризованные части сигнала и те же величины, измеренные на частотах, отстоящих от частоты сигнала на 0.25 Гц, зарегистрированного на станциях обс. Ловозеро (сверху) и Апатиты (снизу)
Для детального анализа структуры поля и механизмов распространения сигнала низкочастотного источника были выбраны записи приемника обс. Ловозеро, поскольку здесь отмечалось наибольшее соотношение сигнал/шум на всех частотах. Отметим, что поляризация горизонтального магнитного поля на частотах 1017 и 3017 Гц здесь была близка к линейной. Для оценки модового состава сигналов, распространяющихся от ионосферного источника, мы преобразовали Hx_ и Hy-компоненты поля в радиальную Hr и тангенциальную Нт компоненты, причем Hr направлена вдоль направления от источника, а HT перпендикулярно к Hr. Ожидается, что TEM- и TM-моды образуют HT, а TE-мода - Hr. Отношение \Ez\2 к |HT|2 близко к Z02 у TEM-моды и Z02sin29 у TM-моды, где Z0 - волновое сопротивление свободного пространства; 0 - угол падения плоских волн, образующих TM-моду. Для высоты отражающего слоя в ионосфере от 65 до 75 км угол падения составляет 30-45 градусов, а отношение \Ez\2 к \HT\2, нормированное на Z02, варьируется в диапазоне значений 0.5-0.7.
На рисунке 2 представлены вертикальная электрическая, тангенциальная и радиальная магнитные компоненты сигнала, зарегистрированного в обс. Ловозеро во время сеанса нагрева ионосферы 26 октября на частотах 1017 и 3017 Гц. На рис.3 приведены отношение \Ez\2 к \HT\2 и направление вектора Пойнтинга. По оси абсцисс на рисунках показано время середины каждого цикла нагрева. Во время первого цикла нагрева на частоте 3017 Гц отношение сигнал/шум оказалось недостаточным для вычисления величины \Ez\2/\HT\2 и направления вектора Пойнтинга.
110
Рис.2. R.M.S. вертикальной электрической (красная линия), тангенциальной (синяя линия) и радиальной (чёрная линия) магнитных компонент на частотах
1017 (а) 3017 (б) Гц
Рис.3. Отношение |£z|2 к |ИТ|2 (а) и направление вектора Пойнтинга (б) на частотах 1017 Гц (красная линия) и 3017 Гц (синяя линия).
Чёрная линия показывает обратный азимут нагревного стенда
Из рисунков, демонстрирующих поведение направления вектора Пойнтинга и отношения \Ez\2 к \ИТ|2 сигнала ионосферного источника, видно, что на частоте 1017 Гц, лежащей ниже частоты поперечного резонанса волновода Земля - ионосфера, отношение \Ez\2 к \ИТ\2 близко к ожидаемому, а отклонение направления S от обратного азимута ионосферного источника мало и может быть объяснено ошибками измерений. Можно предположить, что сигнал ионосферного источника на этой частоте распространяется исключительно на TEM-моде, в то время как TE- и TM-моды являются запредельными. В пользу этого предположения также свидетельствует линейная поляризация сигнала, постоянное в течение двух часов отношение \Ez\2 к \ИТ\2 и отсутствие радиальной компоненты магнитного поля.
Иная картина наблюдается на частоте 3017 Гц, где могут сосуществовать три моды: TEM, ТЕ01 и ТМ01. Радиальная компонента магнитного поля на этой частоте значительно больше, чем на частоте 1017 Гц. Величина \fiz\2/|HT\2
111
нормированная на Z0 меньше, чем на частоте 1017 Гц, но все же, больше ожидаемых для TM-моды значений 0.5-0.7, по-видимому, из-за преобладающего вклада TEM-моды в Нт по сравнению с TM. Из-за вклада TE-моды направление вектора Пойнтинга не совпадает с обратным азимутом источника, отличаясь от него примерно на 20-40 градусов.
Заключение
Проведенный анализ структуры поля искусственного ионосферного источника позволил подтвердить имеющиеся представления и уточнить сведения о возбуждении и распространении низкочастотных электромагнитных сигналов в волноводе Земля - ионосфера. В работе показано, что на частоте 1017 Гц сигнал ионосферного источника распространяется только на TEM-моде, в то время как на частоте 3017 Гц сигнал имеет многомодовый состав. Оценка направления прихода электромагнитных волн на частотах выше частоты поперечного резонанса Земля - ионосфера из-за вклада TE-моды не совпадает с направлением от источника, что заставляет с осторожностью относиться к оценкам углов прихода при анализе естественных ОНЧ-излучений.
Литература
1. Универсальное устройство синхронизации данных от GPS приемника. /
С. В. Пильгаев, О. И. Ахметов, М. В. Филатов, Ю. В. Федоренко // ПТЭ. 2008. Т. 3. С. 175-176.
2. Филатов М. В., Пильгаев С. В., Федоренко Ю. В. Четырехканальный 24-разрядный синхронизированный с мировым временем аналого-цифровой преобразователь // ПТЭ. 2011. Т. 3. С. 73-75.
3. Polarization of ELF waves generated during “beat-wave” heating experiment near cutoff frequency of the Earth-ionosphere waveguide / Yu. Fedorenko, E. Tereshchenko, S. Pilgaev, V. Grigoryev, N. Blagoveshchenskaya // Radio Science. 2014. Vol. 49, Iss. 12. Р. 1254-1264.
4. Рытов С. М. Введение в статистическую радиофизику. Ч. 1. Случайные процессы. М.: Наука, 1976. С. 351-359.
Сведения об авторах
Пильгаев Сергей Васильевич,
младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, pilgaev@pgia.ru
Ларченко Алексей Викторович,
младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, alexey. larchenko @gmail. com
Федоренко Юрий Валентинович
к.физ.-мат.н., доцент, зав. сектором, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, yury.fedorenko@gmail.com
112
