CC BY
13
DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2018.10.3.115-119 УДК 550.388.2
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ОНЧ-ДИАПАЗОНА НА АРХ. ШПИЦБЕРГЕН В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ПО НАГРЕВУ ИОНОСФЕРЫ
А. В. Ларченко, С. В. Пильгаев, О. М. Лебедь, Ю. В. Федоренко
ФГБНУ «Полярный геофизический институт», г. Апатиты
Аннотация
Приводятся результаты двух экспериментов по модификации ионосферы мощным КВ-радиоизлучением стенда EISCAT/Heating, которые проводились ААНИИ в 2014 и
2016 гг. На станциях ПГИ, расположенных в Мурманской обл. и на арх. Шпицберген, были получены сведения о структуре электромагнитного поля ионосферного источника. Обнаружены вариации индекса круговой поляризации горизонтального магнитного поля сигналов ионосферного источника на частотах 2017 и 3017 Гц. Особенностью точки наблюдения на арх. Шпицберген является то, что здесь поляризация сигнала частотой
2017 Гц в этих двух экспериментах была полностью круговой левой и испытывала незначительные вариации. Показано, что результаты двух экспериментов качественно согласуются. Данные о поляризациях сигналов ионосферного источника могут быть использованы для получения сведений об электрическом поле электроджета и параметрах ионосферы.
Ключевые слова:
нагревный эксперимент, структура электромагнитного поля, поляризация, ионосферный источник.
PECULIARITIES OF THE VLF ELECTROMAGNETIC FIELD STRUCTURE IN SPITSBERGEN EXCITING BY IONOSPHERE HEATING EXPERIMENTS
Alexey V. Larchenko, Sergey V. Pil'gaev, Olga M. Lebed', Yury V. Fedorenko
Polar geophysical institute, Apatity, Russia
Abstract
In this paper, we present results obtained at PGI observatories located in Svalbard and at the Kola Peninsula during two ionosphere heating experiments carried out in 2014 and 2016 by AARI. Ground-based measurements of electromagnetic field initiated by the low-frequency source created by a powerful HF radio wave reveal variations of an index of the horizontal magnetic field circular polarization at the frequencies of 2017 and 3017 Hz. A peculiarity of polarization index behavior in Svalbard was its pure circular left-handed polarization experiencing rather weak variations in contrast with the polarization on the Kola Peninsula that was partly linear. The results obtained in 2014 and 2016 on the behavior of the magnetic field polarization are consistent and may be used for estimations of the ionospheric electric field driving the polar electrojet and for investigations of the lower ionosphere.
Keywords:
heating experiment, electromagnetic field structure, polarization, ionospheric source.
Введение
Эксперименты по нагреву высокоширотной ионосферы позволяют исследовать физические процессы, происходящие в ионосферной плазме, и эффекты распространения низкочастотных волн в волноводе Земля — ионосфера. В данных экспериментах мощная модулированная КВ-радиоволна, излучаемая нагревным стендом, создает модуляцию электроджета и образует на высотах D-слоя ионосферы низкочастотный ионосферный источник. Образуемое в ходе модулированного КВ-нагрева ионосферы низкочастотное излучение ионосферных токовых систем носит название эффекта Гетманцева.
Структура электромагнитного поля ионосферного источника имеет непосредственную связь с параметрами волновода Земля — ионосфера и определяется как механизмами возбуждения волновода, так и эффектами распространения [1]. Конфигурация самого ионосферного источника также зависит от состояния анизотропной верхней стенки волновода в области КВ-нагрева. Таким образом, исследования изменений параметров структуры поля ионосферного источника в нагревных экспериментах могут позволить нам получить новые данные о параметрах волновода Земля — ионосфера и механизмах его возбуждения.
В данной работе мы будем рассматривать один из параметров структуры поля ионосферного источника — индекс круговой поляризации горизонтального магнитного поля, который наиболее чувствителен к изменениям условий генерации и параметров волновода Земля — ионосфера. Здесь стоит отметить, что при неизменных параметрах КВ-сигнала, излучаемого нагревным стендом, на процесс генерации больше всего воздействуют электрическое поле аврорального электроджета и высотный профиль электронной концентрации в области нагрева. Основное влияние на распространение сигнала в волноводе Земля — ионосфера оказывает высотный профиль электронной концентрации вдоль трассы распространения.
Постановка эксперимента
В данной работе рассмотрим результаты нагревных экспериментов, проводившихся Арктическим и антарктическим научно-исследовательским институтом (ААНИИ) на стенде EISCAT/Heating, который расположен вблизи г. Тромсё, Норвегия. Первый эксперимент проводился в октябре 2014 г., второй — в октябре 2016 г. Каждый эксперимент длился несколько дней, но здесь мы ограничимся рассмотрением двух наиболее длительных сеансов нагрева — от 26 октября 2014 г. и 25 октября 2016 г. Режим работы стенда во время проведения данных сеансов был одинаков: излучение стенда проводилось на частоте 4040 кГц в направлении магнитного зенита на X-моде, эффективная мощность КВ-излучения (ERP) составляла 148 МВт. Нагрев в 2014 г. осуществлялся циклами по 25 мин с частотами модуляции 1017, 2017 и 3017 Гц в режиме: 5 мин нагрева при каждой модуляции, затем 10 мин перерыв. В 2016 г. нагрев осуществлялся непрерывно циклами по 25 мин со ступенчатым изменением частоты по схеме 1017, 1617, 1817, 2017 и 3017 Гц по 5 мин на каждой частоте.
Регистрация генерируемого ионосферным источником излучения производилась с помощью разработанных в Полярном геофизическом институте (111 И) стационарных СНЧ/ОНЧ-приемников [2], которые были установлены в трех пространственно разнесенных точках, две из них расположены на материке (Мурманская обл.) в поселках Ловозеро (LOZ) и Верхнетуломский (TUL), третья на территории научной станции Баренцбург (BAB), арх. Шпицберген. Расстояния от точек регистрации до нагревного стенда для Ловозеро и Верхнетуломского составляют 660 и 510 км соответственно, для станции Баренцбург — 960 км.
Результаты экспериментов и их обсуждения
По данным регистрации компонент горизонтального магнитного поля станций LOZ, TUL и BAB, для каждого интервала нагрева на частотах 1017, 2017 и 3017 Гц в обоих экспериментах были рассчитаны средние значения степеней линейной, круговой и полной поляризации и вычислены соответствующие им индексы [3]. Проведенный анализ индексов поляризации показал, что наиболее значимые вариации за время проведения экспериментов испытывает индекс круговой поляризации. Этот факт, вероятно, свидетельствует в пользу того, что данный параметр наиболее хорошо отражает изменения в условиях генерации и распространения сигнала ионосферного источника.
На частоте 1017 Гц, значение которой находится ниже частоты поперечного резонанса волновода Земля — ионосфера (~1800 Гц), в рассматриваемых экспериментах индекс круговой поляризации сигнала, зарегистрированного на всех станциях, был близок к нулевому значению и
116
http://www. naukaprint.ru/zhurnaly/vestnik/
испытывал незначительные вариации. Для сигналов данной частоты характерно распространение на поперечной электромагнитной моде (TEM), для которой характерна преимущественно линейная поляризация и, соответственно, отсутствие круговой, поэтому в данной работе мы ограничимся рассмотрением частот выше частоты поперечного резонанса волновода Земля — ионосфера. Для рассмотрения были выбраны частоты 2017 и 3017 Гц, так как они присутствовали в обоих экспериментах.
Рассмотрим результаты нагревного эксперимента 2014 г. На рис. 1 приведены индексы круговой поляризации, рассчитанные по данным регистрации на сети станций. Зависимости индекса круговой поляризации от номера интервала генерации для станций TUL, LOZ и BAB приведены на левой, центральной и правой панелях соответственно. Сверху приведены результаты, полученные для частоты 2017 Гц, снизу — для 3017 Гц. Отрицательные значения индекса круговой поляризации соответствуют левой поляризации сигнала, положительные — правой. Численные значения индекса соответствуют степени круговой поляризованности сигнала.
Рис. 1. Индексы круговой поляризации сигналов ионосферного источника, зарегистрированных на станциях TUL, LOZ и BAB в эксперименте 2014 г.
Fig. 1. Circular polarization indexes of ionospheric source signals received by TUL, LOZ and BAB stations in 2014 experiment
Как видно из рис. 1, на частоте 2017 Гц на станциях TUL и LOZ, расположенных в материковой зоне на сравнительно небольших расстояниях от нагревного стенда (510 и 660 км соответственно), за время эксперимента индексы круговой поляризации испытывают достаточно сильные колебания. При этом поляризация сигнала в большинстве интервалов генерации преимущественно круговая левая. Иная ситуация наблюдается на арх. Шпицберген (станция BAB в 960 км от стенда): индекс круговой поляризации сигнала стабильно близок к -0,8, что соответствует практически полностью круговой левой поляризации.
Такое поведение может быть объяснено многомодовым распространением. Здесь распространяются три моды: TEM, поперечная электрическая (TE) и поперечная магнитная (TM). В близко расположенных от источника точках (TUL и LOZ) вариации индекса круговой поляризации, вероятно, вызваны еще неустановившимися процессами конверсии TE и TM мод и в силу этого сильным влиянием на поляризацию сигнала изменений условий генерации и параметров волновода. В то же время в дальней точке процессы конверсии мод уже установились и влияние изменений условий генерации и параметров волновода оказалось незначительным. Преобладание на всех станциях в основном левой поляризации вызвано влиянием анизотропии верхней стенки волновода Земля — ионосфера [4].
На частоте 3017 Гц поляризация сигнала, наблюдаемая на всех трех станциях, преимущественно линейная, при этом за время проведения эксперимента индекс круговой поляризации испытывает значительные некоррелирующие вариации. На данной частоте распространение сигнала так же, как и в случае 2017 Гц, многомодовое (распространяются TEM, TE01 и TM01 моды), и в силу этого данные вариации могут являться результатом изменений условий генерации и распространения сигнала накладываемых на интерференцию мод. Результаты эксперимента 2016 г. приведены на рис. 2, расположение панелей на нем аналогично рис. 1.
Рис. 2. Индексы круговой поляризации сигналов ионосферного источника зарегистрированных на станциях TUL, LOZ и BAB в эксперименте 2016 г.
Fig. 2. Circular polarization indexes of ionospheric source signals received by TUL, LOZ and BAB stations in 2016 experiment
Рассмотрим частоту 201? Гц, здесь становится хорошо заметно, что по мере удаления от нагревного стенда вариабельность индекса круговой поляризации снижается. В среднем индекс круговой поляризации с удалением точки наблюдения от положения источника стремится к -1, и в Баренцбурге наблюдаемый сигнал уже полностью левополяризован. Поэтому в данном случае можно сделать вывод о том, что на станции BAB индекс круговой поляризации сигнала частотой 201? Гц слабо отражает изменения в условиях генерации и параметрах среды распространения сигнала. Тем не менее на частоте 301? Гц поляризация сигнала, как и в эксперименте 2014 г., во всех точках наблюдения за время сеанса генерации сильно варьировалась. Источником данных вариаций, как уже говорилось выше, являются, возможно, совместные изменения параметров волновода и условий генерации. Наблюдаемый эффект, вероятно, свидетельствует о достаточно сильном влиянии изменений условий генерации на поляризацию сигнала вне зависимости от расположения точки наблюдения.
Выводы
На сети высокоширотных станций, расположенных в материковой зоне и на арх. Шпицберген, в ходе двух нагревных кампаний, проведенных на стенде ЕКСАТ/Неай^ в 2014 и 2016 гг., были получены экспериментальные сведения о структуре поля низкочастотного ионосферного источника. Результаты наблюдений поляризаций сигналов в этих двух экспериментах в качественном отношении согласуются. Показано, что индекс круговой поляризации сигнала частотой 2017 Гц в точках регистрации, находящихся ближе к нагревному стенду, в обоих экспериментах испытывал сильные вариации, в то время как на арх. Шпицберген, вероятно в силу его удаленности от
¡¡s
http://www. naukaprint.ru/zhurnaly/vestnik/
нагревного стенда, наблюдаемые вариации данного индекса были незначительны. В эксперименте 2016 г. явно прослеживается зависимость амплитуды вариаций индекса круговой поляризации сигнала частотой 2017 Гц от расстояния точки наблюдения от источника. Показано, что чем ближе расположена точка наблюдения к источнику, тем выше в ней амплитуда вариаций индекса поляризации. На частоте 3017 Гц в обоих экспериментах на всех станциях наблюдались сильные вариации индекса круговой поляризации. Зависимости амплитуды этих вариаций от расположения точки наблюдения не обнаружено.
Таким образом, вариации поляризации горизонтального магнитного поля сигналов ионосферного источника в нагревных экспериментах на частотах выше частоты поперечного резонанса волновода Земля — ионосфера могут служить источником новой информации об электрическом поле аврорального электроджета и параметрах ионосферы в области нагрева, а также о параметрах волновода вдоль трасс распространения этих сигналов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Экспериментальный комплекс «Сура» для исследования искусственных возмущений ионосферы: препр. № 167 / И. Ф. Белов [и др.]. Горький: НИРФИ, 1983. 2. Трехкомпонентный СНЧ/ОНЧ-приемник с прецизионной привязкой к мировому времени / С. В. Пильгаев [и др.]// Труды Кольского научного центра РАН. 2015. Т. 6 (32), вып. 1. С. 113119. 3. Рытов С. М. Введение в статистическую радиофизику. Ч. 1: Случайные процессы. М.: Наука, 1976. С. 351359. 4. Polarization of ELF waves generated during "beat-wave" heating experiment near cutoff frequency of the Earth-ionosphere waveguide / Y. Fedorenko е al.] // Radio Sci. 2014. 49. 1254-1264.
Сведения об авторах
Ларченко Алексей Викторович — младший научный сотрудник Полярного геофизического института E-mail: alexey. larchenko@gmail.com
Пильгаев Сергей Васильевич — научный сотрудник Полярного геофизического института E-mail: pilgaev@pgia.ru
Лебедь Ольга Михайловна — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Полярного геофизического института E-mail: olgamihsh@yandex.ru
Федоренко Юрий Валентинович — кандидат физико-математических наук, доцент, зав. сектором оптических методов Полярного геофизического института E-mail: yury.fedorenko@gmail.com
Author Affiliation
Alexey V. Larchenko — Junior Researcher, Polar Geophysical Institute E-mail: alexey.larchenko@gmail.com Sergey V. Pil'gaev — Researcher, Polar Geophysical Institute E-mail: pilgaev@pgia.ru
Olga M. Lebed' — PhD (Physics & Mathematics), Researcher, Polar Geophysical Institute E-mail: olgamihsh@yandex.ru
Fedorenko Yury V. — PhD (Physics & Mathematics), Associate Professor, Head of Sector of Optical Techniques, Polar Geophysical Institute E-mail: yury.fedorenko@gmail.com
Библиографическое описание статьи
Особенности структуры электромагнитного поля ОНЧ-диапазона на арх. Шпицберген в экспериментах по нагреву ионосферы /А. В. Ларченко [и др.] // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2018. — № 3 (10). — С. 115-119.
Reference
Larchenko Alexey V., Pil'gaev Sergey V., Lebed' Olga M., Fedorenko Yury V. Peculiarities of the VLF Electromagnetic Field Structure in Spitsbergen Exciting by Ionosphere Heating Experiments. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2018, vol. 3 (10), pp. 115-119 (In Russ.).
