CC BY
139
УДК 533.951+537.868
НАБЛЮДЕНИЕ ИСКУССТВЕННОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ИОНОСФЕРЫ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ НАГРЕВНОГО СТЕНДА
Е.Д. Терещенко1, Р.Ю. Юрик1, Л. Бэддли2
1Полярный геофизический институт КНЦ РАН
2Факультет геофизики, Университетский центр на Свалбарде (UNIS)
Аннотация
Представлены результаты радиоинтерферометрических наблюдений искусственного радиоизлучения ионосферы (ИРИ) в высоких широтах. Искусственное радиоизлучение ионосферы наблюдалось во время нагревных экспериментов на нагревной установке SPEAR (Space Plasma Exploration by the Active Radar) в 2010 и 2011 годах. Результаты, полученные при различных режимах работы SPEAR, демонстрируют генерацию характерных пондеромоторных и тепловых форм спектра ИРИ, указывающих на действие в ионосфере различных нелинейных процессов, возникающих из-за ее искусственной модификации. Показано, что тепловые формы спектра ИРИ генерируются и при низких коэффициентах заполнения излучения в условиях предварительного нагрева ионосферной плазмы естественными процессами. Радиоинтерферометрические измерения углов прихода сигналов ИРИ показали, что различные формы спектров генерируются в различных пространственных областях. Отличия во времени возбуждения искусственного радиоизлучения ионосферы в высоких широтах от результатов полученных на других установках может быть обусловлено как низкой мощностью нагревной установки SPEAR, так и возможным дрейфом плазмы в электрическом поле конвекции.
Ключевые слова:
ионосфера, искусственное радиоизлучение ионосферы, турбулентность, модификация ионосферы, нагревный стенд, коротковолновый интерферометр.
Введение
В основе экспериментальных
исследований физики ионосферной плазмы методом искусственного воздействия на нее радиоволнами лежит возможность вызывать достаточно сильные локальные возмущения распределения электронной концентрации, используя сравнительно слабоинтенсивное воздействие [1]. Для исследования этих нелинейных процессов в ионосферной плазме применяются самые различные диагностические методы с использованием когерентных и некогерентных радаров, радиопросвечивания возмущенной области ионосферы спутниковыми сигналами, регистрации искусственных свечений в оптическом диапазоне и др. в том числе и прямых измерений путем зондирования ионосферы ракетами и спутниками [1, 2].
В 1981 г. с использованием нагревной установки EISCAT было открыто слабое нетепловое излучение ионосферной плазмы, возникающее в результате ее накачки электромагнитным излучением нагревного стенда и занимающее полосу частот около 100-200 кГц вокруг отраженной от ионосферы волны накачки [3]. Открытое явление получило название искусственного радиоизлучения ионосферы.
В ходе экспериментов по искусственной модификации ионосферы ИРИ наблюдается наземными методами с использованием широкополосной регистрирующей аппаратуры коротковолнового диапазона с высоким динамическим диапазоном, так как наблюдаемый сигнал стимулированного излучения обычно на 60-70 дБ ниже по интенсивности отраженного от ионосферы сигнала волны накачки. За прошедшие 30 лет проведено большое количество исследований ИРИ как теоретических, так и экспериментальных с использованием нагревных установок расположенных в России, США и Норвегии. Подробно исследованы морфология искусственного радиоизлучения ионосферы [2], а также его динамика [4-6].
Проведенные исследования позволили разделить наблюдаемые спектральные особенности ИРИ на «быстрые» и «медленные» составляющие спектра [2]. К «быстрым» (пондеромоторным) компонентам ИРИ относятся спектральные особенности искусственного излучения, которые генерируются в результате возбуждения электростатических плазменных колебаний на высотах близких к высоте отражения волны накачки. Спектральные компоненты ИРИ, возникающие на высотах верхнего гибридного резонанса в результате реструктуризации плазмы и образования в ней плазменных неоднородностей вытянутых вдоль силовых линий геомагнитного поля, носят название «медленных» или тепловых спектральных компонент ИРИ. Интенсивность, характер и временная эволюция спектральных характеристик ИРИ тесно связана с характеристиками ионосферной плазмы, а также локальных электрических и магнитных полей [7].
Долгое время исследования ИРИ проводились преимущественно амплитудными методами, в результате чего пространственные характеристики излучения остались неизученными. Поляризационные наблюдения сигнала искусственного излучения показали его сложную структуру, но носили эпизодической характер и поэтому поставили больше вопросов, чем дали ответов [S]. Существенным развитием в исследовании пространственных характеристик искусственного радиоизлучения ионосферы стала разработка в начале 2000-х Полярным геофизическим институтом метода и коротковолновой аппаратуры для измерения наблюдаемых сигналов с применением фазоразностной интерферометрии. Интерферометрические наблюдения ИРИ позволили определить направление прихода и другие характеристики сигналов ИРИ с высоким временным и частотным разрешением [9, 10]. Позже коротковолновая интерферометрическая установка ПГИ КНЦ РАН успешно использовалась в ходе нагревных кампаний на установках «Сура», EISCAT и SPEAR.
До введения в эксплуатацию нагревного стенда SPEAR, расположенного на арх. Шпицберген [11], все исследования нелинейных явлений искусственной модификации ионосферы ограничивались авроральной областью. Хотя нагревная установка SPEAR обладает малой мощностью, она является уникальной, так как ее положение позволяет проводить исследования ионосферной плазмы высоких широт, для которой характерны большая изменчивость и неоднородность структуры. Первые наблюдения искусственного радиоизлучения ионосферы, связанного с воздействием на ионосферу нагревного стенда SPEAR, показали, что даже малой мощности этой установки достаточно для того, чтобы в благоприятных ионосферных условиях генерировалось искусственное радиоизлучение ионосферы, и наблюдались стационарные составляющие спектра этого излучения [12].
Методика исследований
После успешной регистрации искусственного радиоизлучения, генерируемого в результате воздействия на ионосферу нагревной установки SPEAR, ставилась задача исследовать структуру спектра стимулированного коротковолнового излучения искусственно модифицированной ионосферы, а также его зависимость от режима работы нагревной установки.
Эксперименты проводились в период с 11 по 1S октября 2010 г. и 14-1S ноября 2011 на арх. Шпицберген. Нагрев велся в направлении силовых линий геомагнитного поля (диаграмма направленности передающей антенны отклонялся от вертикали на S° к югу в плоскости геомагнитного меридиана), а также в географический зенит. Эффективная излучаемая мощность нагревного стенда SPEAR составляла 12 МВт. Следует отметить, что диаграмма направленности антенной системы установки SPEAR по уровню мощности -З дБ представляет собой эллипс, ширина которого на частоте 4.45 МГц составляет 14° вдоль малой оси и 21° вдоль большой оси. Таким образом, при ориентации диаграммы вертикально вверх, часть излучения попадает в область магнитного зенита, а при ориентации вдоль силовых линий геомагнитного поля - в географический зенит.
Регистрация сигнала искусственного радиоизлучения велась циклами по S секунд. Для сравнительного анализа использовались временные выборки длительностью 2S0 мс, которые разбивались на 16 сегментов по которым, с целью сглаживания, проводилось усреднение с применением окна Блэкмана — Харриса. Анализ спектров искусственного радиоизлучения ионосферы проводился по спектральной плотности мощности (СПМ), приведенной к входу системы цифровой обработки сигнала, квадрату модуля когерентности (КМК) смежных каналов радио интерферометрической установки, а также по разности фаз между каналами, рассчитанным методом многоканального спектрального оценивания [10, 13].
1Б
Результаты
На верхней панели рис. 1 представлены спектральные плотности мощности (I) наблюдавшихся сигналов ИРИ 11 (справа) и 13 (слева) октября 2010 г., а на нижней - соответствующие значения квадрата модуля когерентности (С). Спектральная мощность указана для наблюдений проводившихся одним из каналов аппаратного комплекса коротковолнового интерферометра (восточный канал), а квадрат модуля когерентности рассчитан по двум каналам, подключенным к антеннам, расположенным в зональной плоскости (запад - восток). Характеристики спектров ИРИ показаны в полосе отстроек от -60 кГц до +20 кГц от волны накачки, частота которой в данных экспериментах была 4.45 МГц. Красным цветом на графиках спектральной плотности мощности указаны отдельные спектральные составляющие ИРИ. Одиннадцатого октября в 13:2S UT нагрев ионосферы велся прямоугольными импульсами длительность 1 мин, после чего следовала пауза в излучении нагревного стенда такой же продолжительностью, 13 октября в 13:40 UT нагрев велся короткими импульсами длительность 1 с, которые повторялись каждые 15 секунд.
Следует отметить, что абсолютные значения СПМ в двух случаях сравнивать сложно, так как ионосферные условия в эти дни отличались, а, следовательно, на наблюдаемые интенсивности влияли различные условия распространения сигнала ИРИ от возмущенной области до приемной антенны. С целью оптимизировать измерения искусственного радиоизлучения сигнал отраженной от ионосферы волны накачки подавлен включенным на входе приемника режекторным фильтром.
Сравнивая формы спектров, наблюдавшиеся в двух случаях видно, что при нагреве ионосферы более продолжительными импульсами в спектре искусственного радиоизлучения
наблюдаются широко-полосный сигнал BC
(broad continuum) и сигнал главного
Рис. 3. Наблюдения искусственного радиоизлучения т. „ . . „ ,
спектрального максимума DM (downshifted
ионосферы 11 и 13 октября 2010 г. maximum на частоте отстройки A/dm = -10
кГц). В спектре также виден слабый сигнал узкополосной составляющей спектра расположенный на частоте гармоники главного максимума (2DM на частоте отстройки AfDM = -20 кГц). Спектр обладает выраженной характерной асимметрией (сигнал в области отрицательных отстроек по частоте интенсивней, чем сигнал в симметрично расположенной области положительных отстроек).
При нагреве ионосферы короткими импульсами (13.10.2010 - слева на рис. 1) форма спектра сигнала ИРИ имеет менее выраженную асимметрию областей отрицательных и положительных отстроек, а наблюдаемый максимум широкополосного сигнала NC (narrow continuum) смещен от частоты волны накачки на 7 кГц в сторону отрицательных отстроек.
Квадрат модуля когерентность сигнала ИРИ, при нагреве длительными импульсами, сохраняет высокие значения до частот отстройки -40 кГц, после чего резко убывает (рис. 1, внизу справа), в то время как при нагреве короткими импульсами высокие значения КМК наблюдаются только в узкой полосе вблизи максиму NC (рис. 1, внизу слева).
Частотный градиент мощности широкополосного сигнала BC 11.10.2010 г. практически не меняется в интервале занимаемых частот, в то время как широтный градиент широкополосного сигнала NC 13.10.2010 г. отчетливо убывает с удалением от максимума. Из сравнения графиков КМК (рис. 1, нижняя панель) видно, пондеромоторная форма спектр ИРИ занимает более узкую полосу частот по сравнению со стационарной формой спектра и обладает более низкой когерентностью сигнала.
На следующем рис. 2, в том же виде, что и на рис. 1, показаны результаты наблюдения ИРИ 1S.11.2011 г. при режиме работы нагревной установки SPEAR аналогичном эксперименту 13.10.2010 г., за исключением ориентации диаграммы направленности антенной системы. Нагрев велся односекундными импульсами, каждые 15 сек. в направлении географического зенита (вертикально вверх). При этом, в
течение практически всей серии с 14:10 ЦТ по 14:25 ЦТ, наблюдалась стационарная форма спектра ИРИ (рис. 2, справа) за исключением короткого интервала в 14:18 ЦТ когда форма спектра носила пондеромоторный характер (рис. 2, слева).
В стационарной форме спектра наблюдались характерные составляющие БМ (Д/вм = -9.4 кГц) и ЦМ (Д/цм = 7.5 кГц), а также широкополосный сигнал В С, достигающий -60 кГц при этом линейный участок КМК принимаемого сигнала заканчивается на -30 кГц. В пондеромоторной форме спектра спектральные максимумы отсутствуют, а широкополосный сигнал NC в области отрицательных отстроек по частоте достигает только -40 кГц. Различия между значениями КМК различных форм спектра повторяют результаты наблюдений в октябре 2010 г. Слабый максимум вблизи -10 -т- -11 кГц в пондеромоторной форме спектра может носить как характер остаточного излучения БМ, так и максимума NC. Отличия между пондеромоторной и стационарной формой спектра ИРИ видны по присутствию излучения ЦМ составляющей, которая отчетливо различима в графике КМК (рис. 2 внизу справа), а также в пространственных характеристиках источника излучения, полученного в результате проекции измеренных углов прихода ИРИ на ионосферный уровень (рис. 3)
На рис. 3 в географической системе координат показана проекция измеренных углов прихода на ионосферный уровень 250 км. Красными перекрестиями отмечены положения источника ИРИ соответствующие пондеромоторной форме спектра, а синими кругами - стационарной форме спектра. Дополнительно на рисунке показаны диаграмма направленности главного лепестка передающей антенны по уровню мощности -3
дБ от максимальной (штриховой овал) и значения угла между направлением излучения нагревной установки и касательной к силовой линии геомагнитного поля (концентрические
Рис. 4. Наблюдения искусственного радиоизлучения ионосферы 18 ноября 2011 г.
Рис. 5. Проекция углов прихода сигнала ИРИ на ионосферный уровень по данным наблюдений 18 ноября 2010 г.
окружности сплошной линией).
На рис. 3 видно, что положение источника генерации тепловых составляющих ИРИ локализовано вблизи магнитного зенита (0° между направлением излучения установки и касательной к силовой линии геомагнитного поля), в то время как источник пондеромоторных составляющих спектра находится вблизи пика ракурсного угла. Различия в положении источников генерации ИРИ подтверждает разные механизмы генерации пондеромоторных и тепловых форм спектра.
Обсуждение
Представленные результаты наблюдений различных спектральных форм ИРИ при работе нагревной установки SPEAR, полученные в ходе нагревной кампании октября 2010 г., хорошо согласуются с известной морфологией ИРИ и результатами, полученными ранее на нагревной установке EISCAT вблизи г. Тромсе. Важным отличием результатов наблюдений ИРИ на арх. Шпицберген от результатов, полученных для ионосферы более низких широт, является высокая
изменчивость ионосферы, обусловленная дрейфом плазмы под действием электрического поля конвекции, высыпаниями энергичных частиц, джоулевым нагревом и т.п. Так, результаты, полученные при сходных режимах работы нагревной установки SPEAR в ноябре 2011 г., показали, что, не смотря на использование режимов с низким коэффициентом заполнения излучения, ионосферная плазма излучает сигналы соответствующие характерным формам стационарных спектров ИРИ. Различия механизмов генерации разных форм спектра ИРИ подтверждается разной пространственной локализации источников искусственного излучения. Источники спектральных форм стационарного излучения локализуются в области магнитного зенита, где эффективность коротковолнового нагрева выше [14, 15], а источники пондеромоторного излучения - вблизи пика ракурсного угла, где выше мощность излучения нагревной установки.
За генерацию тепловых компонент спектра ИРИ ответственны неоднородности с поперечными масштабами менее 20 м, генерируемые в результате диссипации энергии волны накачки в области верхнего гибридного резонанса [2]. В условиях предварительно разогретой ионосферной плазмы и присутствия естественной ионосферной турбулентности, воздействия нагревной установки в режиме импульсного нагрева с низким коэффициентом заполнения (менее 10%) оказывается достаточным для генерации ионосферного излучения.
Присутствие естественных ионосферных неоднородностей с поперечными масштабами более 30 м подтверждается данными радиотомографической установки ПГИ КНЦ РАН (РТУ ПГИ КНЦ РАН), полученными в отсутствии нагрева 15:14 UT 13.10.2010 и 16:04 UT 18.11.2011. Согласно анализу мерцаний спутниковых сигналов индексы сцинтилляций S4 принимают значения 1.5 и 1.6 соответственно в 2010 и 2011 гг. В спектрах амплитудных мерцаний выделяются полосы с частотами 2-9 Гц и более высокочастотные (свыше 10 Гц), соответствующие естественным ионосферным неоднородностям с более мелкими масштабами.
Таким образом, в высокоширотной ионосфере (арх. Шпицберген) условия предварительной накачки плазмы могут создаваться в результате воздействия естественных процессов. Значительную роль в формировании ионосферных явлений играют процессы переноса плазмы из-за действия высокоширотного электрического поля конвекции, которые могут приводить как нагреву, так и к остыванию ионосферной плазмы в области воздействия волны накачки.
Выводы
Сравнительный анализ спектров искусственного радиоизлучения ионосферы, наблюдавшихся в ходе эксперимента в высоких широтах с использованием нагревного стенда SPEAR, показал, что при длительности нагревных импульсов менее 10% от временного цикла работы нагревного стенда, наблюдаются характерные пондеромоторные формы спектра, что говорит об отсутствии или не значительности тепловых эффектов искусственной модификации ионосферы. При увеличении длительности излучения нагревного стенда до 50% от времени цикла работы наблюдаемые спектры искусственного излучения трансформируются в стационарные тепловые формы, что говорит о структурировании ионосферной плазмы и генерации искусственных ионосферных неоднородностей метровых масштабов. Тепловые формы спектра искусственного радиоизлучения ионосферы наблюдаются и при нагреве короткими импульсами в случае генерации ионосферной турбулентности из-за действия естественных процессов.
Различия в характерных временах возбуждения пондеромоторных и тепловых компонент спектра искусственного излучения ионосферы в высоких широтах может быть обусловлено малой излучаемой мощностью нагревного стенда SPEAR, а также возможным дрейфом плазмы под действием электрического поля конвекции. Более точное установление режимов и условий, при которых происходит переход характера спектра ИРИ от одной формы к другой, является актуальным в высокоширотных исследованиях.
В работе использованы данные наблюдений РТУ ПГИ КНЦ РАН, полученные в режиме коллективного пользования с поддержкой Министерства образования и науки (ГК № 16.518.11.7100). Работы др. Л. Бэддли и нагревной установки SPEAR выполнены при поддержке Совета по научным исследованиям Норвегии (грант № 191628).
ЛИТЕРАТУРА
1. Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере // УФН. 2007.T. 177. C. 1145-1177. 2. Leyser T.B. Stimulated electromagnetic emissions by high frequency electromagnetic pumping of the ionospheric plasma // Space Sci. Rev. 2001. Vol. 98 P. 223-328. 3. Thide, B., Kopka, H., and Stubbe, P. Observations of Stimulated Scattering of a Strong
High Frequency Radio Wave in the Ionosphere // Phys. Rev. Lett. 1982. Vol. 49. P. 1561-1564. 4. Frolov V.L, Komrakov G.P., Sergeev E.N., Thide B., Waldenvik M., and Veszelei E. Results of the Experimental Study of Narrow Continuum Features in Stimulated Ionospheric Emission Spectra // Radiophys. Quantum Electron. 1997. 40. 731-744. 5. Sergeev E.N., Frolov V.L, Boiko G.N., and Komrakov G.P. Results of Investigation of the Langmuir and Upper-Hybrid Plasma Turbulence Evolution by Means of Stimulated Ionospheric Emission // Radiophys. Quantum Electron. 1998. 41. 206-228. 6. Waldenvik M. The Dynamics of Electromagnetic Radiation from an HF Perturbed Space Plasma // in IRF Sci. Rep. 216, S-755 91 Uppsala, Sweden, Swedish Institute of Space Physics, Uppsala Division. 1994. 7.
Трансформация спектров искусственного радиоизлучения ионосферы высоких широт при изменении режима работы нагревного стенда / Е.Д. Терещенко, Р.Ю. Юрик, С.А. Шадрин, Б. Айшем, Л. Бадделей, М.Т. Ритвальд // XXIII Всерос. науч. конф. «Распространение радиоволн», г. Йошкар-Ола, 23-26 мая, 2011: сб. докл.: в 3-х т. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. Т. 2. С. 305-308. 8. Carozzi T.D., Thide B., Leyser T.B., Komrakov G.P., Frolov V.L., Grach S.M., and Sergeev E.N. Full polarimetry measurements of stimulated electromagnetic emissions: First results. // J. Geophys. Res. 2001. Vol. 106(A10). P. 21395-21408. 9. Isham B., Hagfors T., Khudukon B., Yurik Yu. R.,
Tereshchenko E. D., Rietveld M. T., Belyey V., Grill M., La Hoz C., Brekke A., and Heinselman C. An interferometer experiment to explore the aspect angle dependence of stimulated electromagnetic emission spectra // Ann.
Geophysicae. 2005. Vol. 23. P. 55-74. 10. Tereshchenko E. D., Yurik R. Yu., Khudukon B. Z., Rietveld M. T., Isham B.,
Belyey V., Brekke A, Hagfors T., and Grill M. Directional features of the downshifted peak observed in HF-induced stimulated electromagnetic emission spectra obtained using an interferometer // Ann. Geophysicae. 2006. Vol. 24, P. 1819-1827. 11. Wright D.M., Davies J.A., Robinson T.R., Chapman P.J., Yeoman T.K., Thomas E.C., Lester M., Cowley S.W.H., Stocker A.J., Horne R.B., Honary F. Space Plasma Exploration by Active Radar (SPEAR): An overview of a future radar facility // Ann. Geophys. 2000. 18, 1248-1255. 12. Терещенко Е.Д., Юрик Р.Ю. и др. Первые наблюдения искусственного радиоизлучения ионосферы при воздействии на ионосферу нагревным стендом SPEAR на архипелаге Шпицберген / Е.Д. Терещенко, Р.Ю. Юрик, Т.К. Йоман, Т.Р. Робинсон // Изв. Вузов. Радиофизика. 2008. Т. 51, № 11. С. 951-955. 13. Марпл. мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: пер. с англ. М.: Мир, 1990 584 с. 14. Tereshchenko E.D., Khudukon B.Z., Gurevich A.V., Zybin K.P., Frolov V.L, Myasnikov E.N., Muravieva N.V., Carlson H.C. Radio tomography and scintillation studies of ionospheric electron density modification caused by a powerful HF-wave and magnetic zenith effect at mid-latitudes // Physics Letters. 2004. A 325. P. 381-388. 15. Tereshchenko E.D., Milichenko A.N., Frolov V.L. and Yurik R.Yu. Observations of the magnetic-zenith effect using GPS/GLONASS satellite signals // Radiophysics and Quantum Electronics. 2008. Vol. 51, № 11. P. 842-846.
Сведения об авторах
Терещенко Евгений Дмитриевич - д.ф.-м.н., директор; e-mail: general@pgi.ru Юрик Роман Юрьевич - к.ф.-м.н., научный сотрудник; e-mail: roman.yurik@pgi.ru Бэддли Лиза - д-р, научный сотрудник SPEAR; e-mail: lisa.baddeley@unis.no
