CC BY
4Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - Муром 2023
УДК 533.951, 537.868 DOI: 10.24412/2304-0297-2023-1-83-87
Пороговые мощности волны накачки при О- и Х- нагреве с частотой близкой критической частоте слоя F2 и гирогармонике электронов при возбуждении плазменных волн
Т.Д. Борисова1, Н.Ф. Благовещенская1, А.С. Калишин1
1 Арктический и антарктический научно-исследовательский институт
199397, г. Санкт-Петербург, ул. Беринга, 38.
E-mail: borisova@,aari. ru
Представлены результаты экспериментальных исследований возбуждения продольных плазменных волн (ленгмюровских и ионно-акустических) в высокоширотной F области ионосферы, вызванных воздействием мощных КВрадиоволн обыкновенной (О-мода) или необыкновенной (Х-мода) поляризации. Частота излучения комплекса fH EISCAT/Heating (г. Тромсе, Норвегия) была близка критической частоте слоя F2 fH ~ fF2 и частоте гирорезонанса электронов fH ~ nfce. Определены пороговые (минимальные) значения электрического поля волны накачки, необходимые для возбуждения плазменных (ленгмюровских) EionPL и ионно-акустических EionIL волн.
Ключевые слова: Высокоширотная ионосфера, мощная КВ радиоволна, электрическое поле, ленгмюровская волна, ионно-акустическая волна, радар некогерентного рассеяния радиоволн, EISCAT
The threshold values of the electric field of high-power shortwave radio waves by O-mode or X-mode polarization HF heating near the critical frequency of the F2 layer and the electron gyroresonance frequency by the excitation of Langmuir and ion-acoustic plasma waves
T.D. Borisova1, N.F. Blagoveshchenskaya1, A.S. Kalishin1
1 Arctic and Antarctic Research Institute.
We present experimental results related to the studies of the excitation of elongated plasma waves (Langmuir and ion-acoustic) in the high latitude ionosphere F-region induced by the ordinary (O-mode) and extraordinary (X-mode) HF heating near the critical frequency of the F2 layer and electron gyroresonance frequency. Experiments have been carried out at the EISCAT/Heating facility located near Troms0 by using the power stepping of effective radiated power. The threshold values of the electric field required for the excitation of Langmuir and ion-acoustic plasma waves, were determined.
Keywords: High latitude ionosphere, powerful HF radio wave, electric field, Langmuir wave, ion-acoustic wave, incoherent scatter, EISCAT
Введение
В настоящее время продолжаются интенсивные исследования процессов нелинейного взаимодействия мощной КВ радиоволны с ионосферной плазмой. Модификации верхней (F-область) ионосферы мощными КВ радиоволнами обыкновенной (О- мода) или необыкновенной (Х- мода) поляризации приводит к генерации широкого спектра различных искусственных неустойчивостей и неоднородностей, например, к генерации искусственных ионосферных неоднородностей, возбуждению плазменных волн, искусственного радиоизлучения ионосферы и т.д. [1, 2 и цитируемая литература]. Возбуждение и развитие
параметрических распадных неустойчивостей: периодической стрикционной (англ. parametric decay instability, PDI) и апериодической стрикционной (англ. oscillating two stream instability, OTSI) [1] в нагревных экспериментах регистрируются в спектрах радара некогерентного рассеяния радиоволн (НР) как инициированные нагревом плазменные линии (HF-induced plasma lines, HFPL) и усиленные ионно-акустические линии (HF-enhanced ion lines, HFIL), что является достоверным признаком возбуждения продольных плазменных волн (ленгмюровских и ионно-акустических). В работе представлены результаты определения экспериментальных порогов возбуждения (минимальных значений напряженности электрического поля мощной КВ радиоволны), необходимых для возбуждения ленгмюровских и ионно-акустических волн при О- и Х-нагреве высокоширотной F области ионосферы.
Результаты наблюдений
Наблюдения условий и характеристик возбуждения плазменных ленгмюровских и ионно-акустических волн на высотах F слоя высокоширотной ионосферы в периоды экспериментов 26 февраля 2013 г. и 20 октября 2012 г. на нагревном стенде EISCAT/Heating EISCAT выполнены радаром НР (930 МГц). 26 февраля 2013 г. мощная КВ радиоволна излучалась на частоте fH =7.1 МГц, близкой к критической частоте слоя F2 (fH / f0F2 ~ 1), и превышала частоту пятой гирогармоники электронов (fH > 5fce). 20 октября 2012 г. fH = 7.953 МГц, была ниже fF2 (fH / foF2 ~ 0.89 - 0.94) и ниже частоты шестой гирогармоники электронов (fH < 6fce). Нагревной стенд EISCAT/Heating излучал мощные КВ радиоволны в направлении магнитного зенита, циклами 10 минут нагрев, 5 минут пауза. Мощность излучения ERP ступенчато изменялась в цикле нагрева.
На рис.1 показаны результаты спектральной обработки сигналов радара НР 20 октября 2012 г. с 13.30 до 14.30 UT в виде высотно-временных распределений спектральных максимумов ленгмюровских волн SPL(t,h) (рис.1, a) и ионно-акустических волн SIL0(t,h), SILD(t,h), SILU(t,h) для максимумов, несмещенного относительно нулевой частоты и смещенных в отрицательную и положительную стороны (рис.1, с, b, d). Значения SpL и Sil приводятся в относительных единицах (о.е.) в логарифмическом масштабе. Схема изменения мощности излучения ERP с учетом поляризации нагревного сигнала и уровня электрического поля волны накачки в ионосфере Eion, рассчитанного с учетом поглощения в ниже лежащих слоях показаны на рис. 1, е. В циклах Х- нагрева наблюдается возрастание высоты возбуждения HFPL (рис.1, a). Особенностью Х- нагрева явилось усиление максимума SIL0 (рис.1, с), возрастание которого указывает на возбуждение в резонансной области двухпотоковой неустойчивости (OTSI). Интенсивности SILD, SIL0, SILU и SPL в циклах Х-нагрева на порядок выше, чем SIL и SPL в циклах О- нагрева. В моменты включений для волны накачки О- моды наблюдались «эффекты включения» - кратковременные всплески интенсивностей рассеянных сигналов SIL и SPL (<200ms), которые являются типичным проявлением неустойчивости PDI при О- нагреве. Эффекты «включения» при Х-нагреве не наблюдались и проявления HFIL и HFPL начинались только через 10 - 20 с после включения передатчика нагревного стенда.
Расчет электрического поля мощной КВ радиоволны Еюп в ионосфере
Напряженность электрического поля мощной КВ радиоволны стенда EISCAT/Heating с учетом потерь радиоволны при распространении в ионосфере определяется выражением [3, 4]
E-
V m
0.25^/ERP[kW] _
h[km]
e
A
13.30 13.45 14.00 14.15 14.30
13.30 13.45 14.00 14.15 14.30
13.30 13.45 14.00 14.15 14.30
(е)
13:30 13:45 14:00 14:15 14:30
Time (UT)
Рис. 1. Данные EISCAT радара НР для 20 октября 2012 г. с 13.30 до 14.30 UT: высотно -
временные распределения максимумов спектральных линий плазменного (ленгмюровского) a) - SPL и ионно - акустического диапазонов: b) -SILD, c) -SIL0, d) -SILu в интервале высот 190-270 км. е) Изменение foF2(t); f) - схемы изменения ERP, Eion и
поляризации нагревного сигнала.
где h - высота расположения возмущенной ионосферной области от поверхности Земли, А - потери напряженности радиоволны (дБ) на пути распространения s, рассчитываются как
A = - 8.68 k-ds,
где к - мнимая часть волнового вектора k^-n/с, ds - расстояние вдоль пути распространения, ш=2л£, f - частота радиосигнала, n = (д + i/) - комплексный показатель преломления, д - действительная часть показателя преломления, / - мнимая часть показателя преломления, с - скорость света и для к используется приближенное выражение
1Г _ e2 1 NeVe к —--— —--—.
2s0mec ^ v2 + (w±wcecos0)2
При расчете траекторий распространения и поглощения КВ-радиоволны текущие значения параметров высотных профилей концентрации Ne(h) и температуры Te(h) электронов для каждого нагревного цикла определялись по данным радара НР (разрешение по высоте 3 км). Вычисления частот соударений электронов уе(Л) выполнены с учетом выражений, представленных в [5, 6], данных измерений радаром НР и модели MSIS [7].
Численные оценки электрического поля мощной КВ-радиоволны на высотах отражения с учетом затухания на пути распространения волны в D-, E- и F-слоях ионосферы выполнены в приближении геометрической оптики для слоистой ионосферы и реализованы в среде MatLab. Поскольку мы рассматриваем прямое распространение волны накачки или до высоты отражения, или до максимума слоя F2, траекторные расчеты упростили, используя закон Снеллиуса и теорему Брейта—Тьюва [8]. Вычисления показателя преломления выполнены с учетом влияния магнитного поля и частоты соударений электронов [5].
Оценка поглощения электрического поля Eioa мощной КВ-радиоволны проводилась с учетом изменений ERP каждую минуту излучения нагревного комплекса EISCAT/Heating. Результаты вычислений поглощения радиоволны в ионосфере, А, и наименьшие уровни поля Eion, необходимые для возбуждения ленгмюровских и ионно-акустических плазменных волн, EionPL и EionIL, для циклов нагрева 26 февраля 2013 г. и 20 октября 2012 г. представлены в Таблице.
Таблица - Оценки поглощения мощной КВ радиоволны в ионосфере, A, значения ERP и наименьшие уровни электрических EionpL и EioniL для О- и Х- циклов нагрева 26 февраля 2013 г. и 20 октября 2012 г.
Поляризация, А, ERP МВт ERP МВт
период цикла fH / foF2 dB (start/end) (start/end)
нагрева, UT EionPL В/м EionIL В/м
1 2 3 4 5
26 февраля 2013 г.
O 1.0 (186/186) (380/380)
12.31-12.41 0.99 0.45 / 0.45 0.64/ 0.64
X 7.8 (186/186) (380/380)
12.46-12.56 1.03 0.22 / 0.22 0.32/ 0.32
O 1.5 (186/83) (380/186)
13.01-13.11 1.05 0.43 /0.28 0.6/0.43
X 3.5 (186/186) (186/380)
13.16-13.26 0.99 0.34 / 0.34 0.34 / 0.48
20 октября 2012 г.
O 1.5 (410/176) (585/585)
13.31-13.41 0.89 0.57 / 0.37 0.68/0.68
X 3.8 (176/59) (176/176)
13.46-13.56 0.91 0.29/ 0.17 0.29/ 0.29
O 1.0 (176/176) (293/293)
14.01-14.11 0.91 0.39/ 0.39 0.5/ 0.5
X 5.7 (176/59) (293/293)
14.16-14.26 0.94 0.22/ 0.13 0.29/ 0.29
Анализ данных вычислений значений минимальных Eion, необходимых для непрерывного возбуждения плазменных максимумов (ленгмюровских и ионно-акустических) в экспериментах 26.02.13г. и 20.10.12г. показал, что возбуждение ленгмюровских максимумов начиналось при более низких значениях ERP излучения волны накачки, чем возбуждение ионно-акустических волн. Минимальные значения составляли: EionPL ~ 0.4 - 0.57 В/м и EionIL ~ 0.5 - 0.68 В/м для О- моды нагрева и EionPL ~
0.22.- 0.34 В/м и EionIL ~ 0.29 - 0.34 В/м для Х- моды соответственно. Значения EionPL и Einnn, в циклах О- нагрева выше, чем в циклах Х- нагрева. При Х- нагреве для возбуждения ленгмюровских и ионных волн при различных условиях fH/foF2~1 и fk/foF2<1 требуются близкие минимальные значения Eion ~ (0.22 - 0.34 В/м).
Выводы
Представлены результаты экспериментов на нагревном стенде EISCAT/Heating 26 февраля 2013 г. (fHfoF2~ 1 и fH>5fCe на 0.26 МГц) и 20 октября 2012 г. (fHfoF2< 1 и fH<6fCe на 0.187 МГц) при переменном О- /Х- нагреве F-области высокоширотной ионосферы в направлении магнитного зенита и ступенчатом изменении эффективной мощности излучения. Выполнены оценки порогов возбуждения (минимальных значений напряженности электрического поля мощной КВ-радиоволны в ионосфере), необходимых для возбуждения ленгмюровских и ионно-акустических волн при О- и Х-нагреве F-области высокоширотной ионосферы. Оценки получены с учетом потерь мощной волны при распространении в нижележащих слоях.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 22-1700020, https://rscf.ru/project/22-17-00020/.
Литература
1. Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере // УФН. 2007. Т. 177, № 11. С. 11451177. DOI: 10.3367/UFNr.0177. 200711a.1145.
2. Blagoveshchenskaya N.F. Perturbing the high-latitude upper ionosphere (F region) with powerful HF radio waves: A 25-year collaboration with EISCAT // URSIRadio Science Bulletin. 2020. Vol. 373. Р. 40-55. DOI: 10.23919/URSIRSB.2020.9318436.
3. Robinson T.R. The heating of the high latitude ionosphere by high power radio waves // Phys. Rep. 1989. Vol. 179, no. 2-3. P. 79-209.
4. Zawdie K.A., Drob D.P., Siskind D.E., Coker C. Calculating the absorption of HF radio waves in the ionosphere // Radio Sci. 2017. Vol. 52. P. 767-783. DOI: 10.1002/2017RS006256
5. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме - М.: Наука, 1967. 684 с.
6. Schunk R.W., Nagy A.F. Ionospheres: Physics, Plasma Physics, and Chemistry -Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2000. 554 p.
7. https://ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models/msis_vitmo.php
8. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере - М.: Мир, 1973. 504 с.
