Оценка высоты ионосферного источника, образованного при вч-нагреве стендом EISCAT/Heating,по данным измерений фаз на сети высокоширотных станций в спокойных и возмущенных гелиогеофизических условиях

Лебедь О. М.; Пильгаев С. В.; Никитенко А. С.; Ларченко А. В.; Федоренко Ю. В.

РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД

УДК 550.388.2

О. М. Лебедь, С. В. Пильгаев, А. С. Никитенко, А. В. Ларченко, Ю. В. Федоренко

ОЦЕНКА ВЫСОТЫ ИОНОСФЕРНОГО ИСТОЧНИКА, ОБРАЗОВАННОГО ПРИ ВЧ-НАГРЕВЕ СТЕНДОМ EISCAT/HEATING, ПО ДАННЫМ ИЗМЕРЕНИЙ ФАЗ НА СЕТИ ВЫСОКОШИРОТНЫХ СТАНЦИЙ В СПОКОЙНЫХ И ВОЗМУЩЕННЫХ ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Аннотация

Работа посвящена оценке высоты ионосферного источника с использованием данных регистрации абсолютных фаз компонент поля сигнала источника в обс. Лотта, полученных в нагревном эксперименте на стенде EISCAT/Heating в 2016 г., и результатов моделирования распространения сигналов в волноводе Земля — ионосфера. Показано, что источник расположен вблизи максимума мнимой части показателя преломления, вычисленного по формуле Эпплтона — Хартри для ВЧ-радиоволн. Также приведены доводы в пользу того, что естественные электромагнитные сигналы, создаваемые грозовыми разрядами вблизи экватора, могут быть использованы для оценки профиля электронной концентрации, необходимого для точных измерений высоты ионосферного источника.

Ключевые слова:

нагревный эксперимент, волновод Земля — ионосфера, численная модель.

O. M. Lebed, S. V. Pilgaev, A. S. Nikitenko, A. V. Larchenko, Yu. V. Fedorenko

ESTIMATION OF ALTITUDE OF THE SOURCE IN THE IONOSPHERE CREATED BY THE EISCAT/HEATING FACILITY USING PHASE MEASUREMENTS BY THE NETWORK OF HIGH-LATITUDE STATIONS IN QUIET AND DISTURBED CONDITIONS

Abstract

This article deals with the estimation of ionospheric source altitude using phase measurements by the network of high-latitude stations and comparing these measurements with results of modeling of signal propagation in the Earth-ionosphere waveguide. These measurements were conducted during the heating experiment using the EISCAT/Heating facility located in Tromso, Norway in 2016. The phases of low-frequency radio waves from the source were registered in the obs. Lotta. The results show that the source is located near the maximum of the imaginary part of the refraction index calculated by Appleton-Hartree formula for HF radio waves. It also is shown that the natural electromagnetic signals produced by thunderstorms near the equator may be used to assess the electron density profile necessary for precise measurements of ionospheric source altitude.

Key words:

heating experiment, Earth-ionosphere waveguide, numerical model.

Введение

Эксперименты по нагреву высокоширотной ионосферы позволяют исследовать физические процессы, происходящие в ионосферной плазме, и эффекты распространения низкочастотных волн в волноводе Земля — ионосфера. Результаты такого рода исследований могут быть использованы как для целей связи на низких частотах, так и для изучения глубинного распределения проводимости земной поверхности для получения сведений о ее геологической структуре.

В экспериментах по нагреву ионосферы мощная модулированная коротковолновая (КВ) радиоволна, излучаемая нагревным стендом, создает источник на высотах Б-слоя ионосферы, излучающий низкочастотные электромагнитные сигналы с частотой, равной частоте модуляции. Высота, на которой образовался ионосферный источник в каждом конкретном эксперименте, зависит от состояния ионосферы, определяемого профилем электронной концентрации. Для моделирования и интерпретации результатов нагрева важно знать или хотя бы приблизительно оценить высоту, на которой располагался ионосферный источник.

В данной работе мы оценили высоту ионосферного источника с использованием данных регистрации абсолютных фаз компонент поля сигнала источника в обс. Лотта, полученных в нагревном эксперименте на стенде ЕКСАТ/Неай^ в 2016 г., и результатов моделирования распространения сигналов в волноводе Земля-ионосфера.

Описание эксперимента

Эксперименты по модификации нижней ионосферы мощным модулированным КВ сигналом проводились в 2016 г. 24, 25 и 26 октября с 15 до 17 иТС в рамках КВ нагревной кампании ААНИИ. Модификация высокоширотной ионосферы осуществлялась с помощью КВ нагревного комплекса ЕКСАТ/Неай^, расположенного в г. Тромсе, Норвегия (69,6° К, 19,2° Е; Ь = 6,2, I = 78°). Его технические характеристики приведены в работе [1]. Нагрев производился необыкновенной волной с частотой 4,04 МГц. Частоты модуляции, которые использовались в эксперименте, — 1017, 1617, 1817, 2017 и 3017 Гц. Нагрев осуществлялся посылками по 10 (24 и 26 октября) и 5 минут (25 октября) с чередованием указанных частот.

Прием низкочастотных сигналов на частоте модуляции мощной КВ радиоволны осуществлялся одновременно в четырех пунктах наблюдений — Лотта (68.503° К, 28.6202° Е), Верхнетуломский (68.592° К, 31.7550° Е), Ловозеро (67.975° N 35.0821° Е) и Баренцбург (78.093° К, 14.208° Е), удаленных от нагревного комплекса ЕКСАТ/Неай^ на расстояния от 400 до 950 км. На всех пунктах приема были установлены цифровые ОНЧ-приемники, предназначенные для регистрации двух горизонтальных магнитных и вертикальной электрической компонент поля в диапазоне частот от 30 Гц до 15 кГц [2]. Отличительной особенностью приемников является прецизионная синхронизация каждого отсчета цифровых данных с мировым временем с максимальной ошибкой, не превышающей 1 мкс, что дало возможность измерять абсолютные и относительные фазы компонент поля с ошибкой, не превышающей 0,01° на использованных в эксперименте частотах [3, 4].

Данные нагревные эксперименты проводились в разных гелиогеофизических условиях. Так, значения суммы трехчасовых индексов планетарной магнитной активности за сутки имели значения ЕКр = 24 и 41 для 24 и 25 октября 2016 г. соответственно. Это дает нам возможность сравнивать результаты эксперимента 24 и 25 октября, как проводимые в спокойных и возмущенных гелиогеофизических условиях.

Методика оценки высоты ионосферного источника

Для оценки высоты ионосферного источника мы использовали следующий подход. Нагревной комплекс EISCAT/Heating излучает КВ-сигнал с частотой 4,04 МГц с начальной нулевой фазой. Абсолютная фаза сигнала, регистрируемая на станциях во время нагревных экспериментов, представляет собой набег фазы (т. е. ее изменение за время распространения сигнала) от передатчика в Тромсе до точки приема. Мы можем смоделировать поле ионосферного источника, расположенного на различных высотах, на расстоянии, соответствующем расстоянию от передатчика до регистратора, и учесть набег фазы от нагревного стенда. Сравнив фазы сигналов, полученные в эксперименте и с помощью моделирования, мы сможем оценить высоту ионосферного источника, соответствующую фазе сигнала, полученной в эксперименте.

Для решения поставленной задачи в данной работе мы ограничились данными обс. Лотта, поскольку она расположена ближе остальных к нагревному комплексу EISCAT/Heating. Это позволит нам сделать более точные оценки высоты ионосферного источника. Кроме того, мы взяли частоту 1017 Гц, чтобы упростить расчет набега фазы, исключив влияние отраженных от верхней стенки волновода волн.

Для моделирования поля ионосферного источника на земной поверхности нами был выбран метод решения волнового уравнения, описанный в работах [5, 6]. Он позволяет найти горизонтальные магнитные и вертикальную электрическую компоненты поля ионосферного источника в любой точке земной поверхности на выбранной частоте. Земная поверхность считается плоской и бесконечно проводящей. Ионосфера представляется в виде слоистой немагнитной среды, однородной в горизонтальном направлении (x, y). В вертикальном направлении свойства среды в каждом слое считаются постоянными и определяются тензором диэлектрической проницаемости. В нашем расчете ионосферный источник представлялся в виде электрического диполя, направление которого совпадает с направлением холловского тока аврорального электроджета [7]. Профиль частоты столкновений электронов v(z) рассчитывался с помощью данных эмпирической модели NRLMSISE-00 и считался неизменным во время эксперимента. Статическое магнитное поле Земли рассчитано для координат стенда EISCAT/Heating по модели IGRF, его величина составила 5,53 10-5 Тл. Высотный профиль электронной концентрации Ne(z) получен для 16 UTC 24 и 25 октября 2016 г. из эмпирической модели IRI-2016 [8]. Вычисление Ne для 25 октября проводилось с включенной опцией "E-peak auroral storm model". Это позволило нам получить для 24 и 25 октября среднестатистические спокойный и возмущенный профили электронной концентрации, соответственно. Высотные профили v(z) и Ne(z) для обс. Лотта показаны на рис. 1.

Частота столкновений, Гц

102 103 104 105 106 107 108 109 10ш 1011 1201 ...........\................................................ .........\.......

по \ !

2100 \ и \

Концентрация электронов, м-3

Рис. 1. Высотные профили электронной концентрации для 16:00 иТС 24 (сплошная линия) и 25 (штриховая линия) октября 2016 г. (Ш!-2016) и частоты столкновений электронов с нейтралами (штрихпунктирная линия)

Результаты

После проведения предварительной обработки записей сигнала на частоте 1017 Гц в обс. Лотта, для 24 и 25 октября мы выбрали по одной посылке, обладающей наилучшим соотношением сигнал/шум. Затем для каждой посылки оценили среднее значение фазы сигнала. Для спокойных гелиогеофизических условий 24 октября измеренное среднее значение фазы составило 0,3 рад, для возмущенных условий 25 октября оно было 0,07 рад.

На рис. 2 приведены результаты моделирования поля ионосферного источника, расположенного на высотах от 74 до 94 км, на расстоянии 400 км с учетом набега фазы от нагревного стенда. Здесь показаны зависимости абсолютной фазы тангенциальной компоненты магнитного поля на 1017 Гц от высоты источника ф^), полученные с помощью моделирования. Из рисунка видно, что зависимости ф^) значимо отличаются в разных гелиогеофизических условиях.

Рис. 2. Зависимости фазы сигнала на 1017 Гц в обс. Лотта относительно передатчика от высоты источника, полученные с помощью моделирования с использованием спокойного (сплошная линия) и возмущенного (штриховая линия) профилей Ке(й), и средние значения фазы, измеренные в эксперименте

в соответствующих условиях

Зная экспериментально измеренные значения фаз сигналов ионосферного источника 24 и 25 октября 2016 г., легко оценить высоту источника. Как видно из рис. 2, значениям фаз, измеренным в эксперименте, соответствуют следующие высоты источника: для 24 октября — 90 км, для 25 октября — 93 км.

Для анализа возможности расположения ионосферного источника на полученных высотах был рассчитан показатель преломления п, мнимая часть которого 1т(п) описывает затухание КВ-волны в волноводе Земля — ионосфера. Расчет производился с помощью уравнения Эпплтона — Хартри в квазипродольном приближении для профилей v(z) и Д,(г), использовавшихся в моделировании поля ионосферного источника. На рис. 3 показаны высотные профили мнимой части показателя преломления для спокойных и возмущенных гелиогеофизических условий.

120 110 2Ю0

и Я

03 80

7Ч

60 -0.0005 -0.0004 -0.0003 -0.0002 -0.0001 0 Показатель преломления (мнимая часть)

Рис. 3. Зависимости мнимой части показателя преломления от высоты для спокойного (сплошная линия) и возмущенного (штриховая линия) профилей электронной концентрации

Из рисунка видно, что для возмущенного профиля N¡5^) оцененная высота источника располагается как раз на максимуме |1т(п)|, где наблюдается наибольшее поглощение энергии КВ-волны. Для спокойного профиля электронной концентрации, в |1т(п)| выделяются два практически равнозначных максимума, каждый из которых гораздо меньше максимума, наблюдаемого для возмущенного профиля. В этом случае оценки высоты ионосферного источника помещают его между этими максимумами. Можно сказать, что полученные оценки высоты ионосферного источника не противоречат физическим представлениям о возникновении источника в ионосфере во время экспериментов по ее нагреву.

Обсуждение результатов

Полученные оценки высоты ионосферного источника могут быть неточными, поскольку при моделировании поля источника использовались среднестатистические профили электронной концентрации. Для уточнения высоты нужно учесть возможное отклонение текущего во время эксперимента

состояния ионосферы от того, что дает модель Ш!-2016. Несмотря на то, что задача оценки профиля N¡(2) выходит за рамки данной работы, здесь мы рассмотрим основные пути ее решения.

Оценка профиля электронной концентрации нижней ионосферы является сложной задачей. Одним из путей ее решения является привлечение НЧ электромагнитных сигналов, распространяющихся в волноводе Земля — ионосфера, в качестве зондирующих сигналов. Так, в работе [9] была показана возможность оценки профиля N(2) по данным нагревного эксперимента 2014 г. Использовались измерения фазовых скоростей распространения сигналов ионосферного источника на частотах 1017 и 3017 Гц на паре станций Ловозеро — Верхнетуломский. Для диагностики нижней ионосферы также используются сигналы СДВ передатчиков. Однако следует отметить, что, во-первых, при отражении от нижней ионосферы глубина проникновения СДВ-волн невелика, и поэтому электронную концентрацию можно оценить лишь в узком диапазоне высот. Во-вторых, такие исследования продуктивны на сравнительно коротких высокоширотных радиотрассах, когда принимается земная волна вместе с однократно и двукратно отраженными от ионосферы волнами. Нами проводились измерения фаз сигналов передатчиков российской радионавигационной системы РСДН-20 в обс. Ловозеро и Верхнетуломский во время эксперимента нагрева 24 и 25 октября 2016 г. Как и ожидалось, значимых отличий в суточных вариациях фазы, связанных с возмущенными гелиогеофизическими условиями, выявлено не было.

Для изучения влияния гелиогеофизических возмущений на нижнюю ионосферу уже давно используют естественные электромагнитные импульсы, порождаемые молниевыми разрядами, — атмосферики [10]. Они практически постоянно присутствуют в любой точке волновода Земля — ионосфера и, благодаря широкополосности их спектра, позволяют диагностировать практически всю нижнюю ионосферу. Мы провели моделирование поля атмосферика на земной поверхности методом решения волнового уравнения, описанным и использованным ранее в данной работе. Для моделирования использовались профили электронной концентрации, показанные на рис. 1. В качестве параметра, характеризующего структуру поля в точке регистрации, был выбран индекс круговой поляризации. Результаты моделирования приведены на рис. 4.

На рис. 4, а представлены графики зависимости индекса круговой поляризации от частоты атмосфериков, источник которых расположен на расстояниях от 1000 до 2000 км до точки регистрации. Из рисунка видно, что на частотах до 1800 Гц (частоты первого резонанса волновода Земля — ионосфера) распространяется ТЕМ-мода, характеризующаяся почти полным отсутствием круговой поляризации. Выше 1800 Гц атмосферик распространяется на ТЕМ-, ТЕ01- и ТМ01-модах, что подтверждается сменой поляризации на левую на этих частотах на рисунке. На частотах выше 3000 Гц наблюдается сложная зависимость поляризации от частоты, объясняемая интерференцией высших мод. Следует отметить, что на частотах от 100 до 2500 Гц практически отсутствует зависимость индекса круговой поляризации от расстояния до источника атмосферика. Это свойство в сочетании с тем фактом, что довольно сложно точно определить расстояние до источника, позволяет считать данный диапазон частот наиболее подходящим для оценок состояния нижней ионосферы по атмосферикам.

б

а

Рис. 4. Зависимости индекса круговой поляризации от частоты для атмосферика: спокойные гелиогеофизические условия, расстояние до источника меняется от 1000 до 2000 км (слева); спокойные (сплошная линия) и возмущенные (штриховая линия) условия, расстояние до источника — 2000 км (справа)

На рис. 4, б, показаны зависимости индекса круговой поляризации от частоты атмосферика, источник которого расположен на расстоянии 2000 км от точки регистрации. Здесь сравниваются вариации индекса в зависимости от гелиогеофизических условий. Из рисунка видно, что до 3000 Гц индексы значимо отличаются. Это позволяет считать, что индекс круговой поляризации является подходящим параметром для оценки профиля электронной концентрации нижней ионосферы в спокойных и возмущенных гелиогеофизических условиях.

Выводы

Проведена оценка высоты ионосферного источника с использованием данных регистрации абсолютных фаз компонент поля сигнала источника в обс. Лотта, полученных в нагревном эксперименте на стенде EISCAT/Heating в 2016 г., и результатов моделирования распространения сигналов в волноводе Земля-ионосфера. Показано, что источник расположен вблизи максимума мнимой части показателя преломления, вычисленного по формуле Эпплтона-Хартри для ВЧ радиоволн. Также приведены доводы в пользу того, что естественные электромагнитные сигналы, создаваемые грозовыми разрядами вблизи экватора, могут быть использованы для оценки профиля электронной концентрации, необходимого для точных измерений высоты ионосферного источника.

Благодарности. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-35-00293.

Литература

1. New capabilities of the upgraded EISCAT high-power HF facility / M. T. Rietveld et al. // Radio Sci. 2016. Vol. 51. No. 9. P 1533-1546.

2. Ларченко А. В., Лебедь О. М., Федоренко Ю. В. Трехкомпонентные измерения структуры электромагнитного поля в диапазоне крайне низких и сверхнизких частот // Радиотехника и электроника. 2015. Т. 60, № 8. С. 793-801.

3. Универсальное устройство синхронизации данных от GPS приемника / С. В. Пильгаев и др. // ПТЭ. 2008. С. 175-176.

4. Филатов М. В., Пильгаев С. В., Федоренко Ю. В. Четырехканальный 24-разрядный синхронизированный с мировым временем аналого-цифровой преобразователь // Приборы и техника эксперимента. 2011. № 3. С. 73-75.

5. Lehtinen N. G., Inan U. S. Radiation of ELF/VLF waves by harmonically varying currents into a stratified ionosphere with application to radiation by a modulated electrojet // J. Geophys. Res. 2008. 113, A06301.

6. Lehtinen N. G., Inan U. S. Full-wave modeling of transionospheric propagation of VLF waves // Geophys. Res. Lett. 2009. 36, L03104.

7. Cohen M. B., Golkowski M., Inan U. S. Orientation of the HAARP ELF ionospheric dipole and the auroral electrojet // Geophys. Res. Lett. 2008. 35, L02806.

8. The International Reference Ionosphere 2012 - a model of international collaboration / D. Bilitza et al. // J. Space Weather Space Clim. 2014. 4, A07, 1-12.

9. Результаты наземных наблюдений и моделирования поля ионосферного ОНЧ источника в экспериментах по нагреву ионосферы мощным КВ-сигналом / О. М. Лебедь и др. // Гелиогеофизические исследования в Арктике: материалы конф. Мурманск, 2016. С. 28.

10. Cummer S. A., Inan U. S. Bell T. F. Ionospheric D region remote sensing using VLF radio atmospherics // Radio Sci. 1998. 33. Р. 1781-1792.

Сведения об авторах

Лебедь Ольга Михайловна,

к.ф.-м.н., н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты

E-mail: [email protected]

Пильгаев Сергей Васильевич,

н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты

E-mail: [email protected]

Никитенко Александр Сергеевич,

м. н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты

E-mail: [email protected]

Ларченко Алексей Викторович,