CC BY
23
2016, Т. 158, кн. 3 С.434-447
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
ISSN 1815-6088 (Print) ISSN 2500-2198 (Online)
УДК 533.9.08
СИНХРОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ВАРИАЦИЙ ИСКУССТВЕННОГО ОПТИЧЕСКОГО СВЕЧЕНИЯ
И ПОЛНОГО ЭЛЕКТРОННОГО СОДЕРЖАНИЯ ИОНОСФЕРЫ, СТИМУЛИРОВАННЫХ МОЩНЫМ РАДИОИЗЛУЧЕНИЕМ СТЕНДА «СУРА»
Д.А. Когогин1; А.В. Шиндин2; И.А. Насыров1; С.М. Грач2
1 Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия 2Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, г. Нижний Новгород, 603950, Россия
Аннотация
В статье представлены результаты синхронных измерений вариаций искусственного свечения ионосферы в красной линии оптического спектра атомарного кислорода (630 нм) и полного электронного содержания (ПЭС) на траектории распространения сигнала навигационного спутника во время возмущения ионосферы мощным радиоизлучением стенда «Сура», полученные 12 марта 2013 г. Показано, что при наклоне диаграммы направленности антенной системы стенда «Сура» на 12° в направлении «магнитного зенита» генерация наиболее сильных плазменных волн, ускоряющих электроны до потенциала возбуждения оптических уровней, происходит в области пониженной электронной концентрации.
Ключевые слова: ионосфера, полное электронное содержание, искусственное оптическое свечение, ПЭС, GPS, мощное радиоизлучение
Введение
Изучение физических явлений в плазме методом воздействия мощными радиоволнами на ионосферу ведется уже более сорока лет. Антенная система исследовательских станций воздействия на ионосферу (нагревных стендов) строится таким образом, чтобы радиоизлучение было сфокусировано в вертикальном направлении. Сейчас в мире имеется три действующих установки: одна в России («Сура» в Васильсурске, НИРФИ, Россия), одна в Европе (EISCAT недалеко от г. Тромсё, Норвегия), одна в США (HAARP на Аляске)1.
Наиболее интенсивные нелинейные эффекты взаимодействия мощной радиоволны с ионосферной плазмой наблюдаются на высотах 200-300 км в F-слое ионосферы. Эффективность воздействия является следствием совпадения частоты мощной возбуждающей волны с частотами собственных колебаний плазмы. В результате в области резонанса происходит возбуждение собственных колебаний плазмы, развивается плазменная турбулентность, что и служит причиной заметного нагрева электронов, их ускорения вплоть до энергий порядка 60 эВ [1], структуризации плазмы, генерации искусственного радиоизлучения и ряда других физических явлений [2, 3].
1СУРА — Стенд Универсальный РАдиофизический; EISCAT — European Incoherent SCATter Scientific Association; HAARP — High frequency Active Auroral Research Program.
Информативным методом диагностики возмущенной области ионосферы является измерение искусственной модуляции свечения ночного неба при воздействии на неё мощными радиоволнами. Экспериментально установлено, что при воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением изменяется интенсивность свечения на красной (630 нм, О (1В)) и зеленой (557.7 нм, О (1£)) линиях свечения атомарного кислорода. Красная линия особая - у нее очень низкий минимальный уровень возбуждения электронным ударом (1.96 эВ). Излучение в этой линии -переход 102 ^ Р2 - имеет большое время задержки: т = 130 с [4]. Поэтому существенное значение приобретает процесс гашения возбужденного атома за счет его столкновения с другими молекулами и атомами ионосферы. Отсюда следует, что интенсивность излучения красной линии существенно зависит от высоты. В частности, на высотах Г-слоя (~ 300 км) гашение не является сильным, а в Е-слое (~ 110 + 130 км) гашение практически подавляет красную линию излучения.
Зеленая линия имеет более высокий минимальный потенциал возбуждения (4.17 эВ), зато высвечивается с очень малой задержкой (т = 0.7 с) [4]. Так что свечение зеленой линии определяется только ее возбуждением ударами электронов.
Кроме того, обнаружено свечение на линиях 844.6 нм (переход О (3р3Р) ^ ^ О(3в3Б), энергия возбуждения 10.99 эВ) и 427.8 нм (переход из состояния N + (В2^+) на первый вибрационный уровень основного электронного состояния иона молекулярного азота N + (Х2^+)) с временем жизни порядка нескольких микросекунд [4].
Первый эксперимент по исследованию искусственного оптического свечения ионосферы, стимулированного мощным радиоизлучением стенда «Сура», был проведен в 1983 г. [5]. С начала 2000-х годов на стенде «Сура» эксперименты по исследованию стимулированного свечения ионосферы проводятся на регулярной основе [6-11]. Как показали измерения с помощью ПЗС-камер с соответствующими светофильтрами [8-13], портреты возмущенной области в красной линии обладают ярко выраженной крупномасштабной структурой с угловыми размерами порядка 2° ^10° (это соответствует поперечным размерам 9-44 км на высоте 250 км над Землей). Другим информативным методом исследования крупномасштабной структуры возмущенной области (ВО) является измерение полного электронного содержания на траектории движения навигационного спутника (НС) пролетающего над ВО. Подобные измерения проводятся середины 2000-х годов на стендах «Сура» и ИЛЛИР [14-20]. В экспериментах, проведённых в дневное время [15, 16], регистрировалось увеличение ПЭС в такт с включением мощного радиоизлучения. При наблюдениях, проводившихся в основном после захода солнца, регистрировалось как заметное уменьшение ПЭС в возмущённой области, так и длиннопериод-ные (10-15 мин) вариации ПЭС относительно среднего значения [14, 17, 20].
Наблюдаемые величины вариаций ПЭС (до 0.3 ТЕСи (ТЕСи - общепринятая единица измерения ПЭС; 1 ТЕСИ= 1016 эл/м2 )) и их характерные периоды (от 400 до 1200 с) в отсутствие ветровых движений соответствуют масштабам неодно-родностей поперек луча зрения 20-60 км. Эти масштабы, в свою очередь, примерно соответствуют поперечным размерам крупномасштабных пятен искусственного оптического свечения ионосферы. В связи с этим представляет интерес задача сопоставления вариаций искусственного оптического свечения ионосферы и полного электронного содержания, измеренного на траектории распространения сигнала навигационного спутника во время воздействия на ионосферу мощным радиоизлучением. Стоит отметить, что постановка подобных экспериментов достаточно сложна и зависит от выполнения сразу нескольких условий. Во-первых, частота воздействия /о должна быть ниже критической частоты /о Г2 для Г2-слоя
ионосферы в течение достаточного длительного времени (минимум в течение 2030 мин, пока навигационный спутник находится в пределах ДН) для возбуждения различных эффектов взаимодействия мощной радиоволны с ионосферной плазмой. Во-вторых, любые измерения, проводимые в оптическом диапазоне, требуют ясной погоды. В-третьих, радиозондирование возмущенной области сигналами навигационных спутников предполагает, что НС пройдет над ВО и ДН стенда. В-четвертых, пролет спутника над ВО и, соответственно, регистрация ПЭС должны проводиться синхронно с оптическими измерениями. В период с 2010 по 2013 г. в экспериментах на стенде «Сура» удалось провести лишь 3 подобных синхронных сеанса измерения ПЭС и искусственного оптического свечения. Первые два результата были получены 15 и 17 марта 2010 г. и рассмотрены в [10]. При этом полностью удачным в этой работе можно считать лишь результат, полученный 17 марта 2010 г., когда ДН стенда «Сура» была наклонена на 12° на юг в направлении «магнитного зенита». Другой сеанс, проведенный 15 марта 2010 г., когда ДН стенда «Сура» была направлена вертикально вверх, полностью удачным признать нельзя, так как примерно в середине интервала пролета спутником ДН критическая частота упала ниже частоты воздействия и работа фактически осуществлялась на просвет.
Известно, что крупномасштабные неоднородности плотности электронной концентрации в ионосфере образуются в результате эффекта самофокусировки мощной радиоволны [21, 22]. Результаты численного моделирования показывают, что наиболее сильное электрическое поле волны накачки и, соответственно, наиболее сильные плазменные волны, ускоряющие электроны до потенциала возбуждения оптических уровней, сосредоточены в области пониженной электронной концентрации [9]. Синхронные наблюдения крупномасштабной структуры ВО ионосферы с помощью измерения ПЭС на траектории движения навигационного спутника системы GPS и искусственного оптического свечения в красной линии (630 нм) оптического спектра атомарного кислорода, а также дальнейшее сопоставление положения крупномасштабных неоднородностей электронной плотности и областей генерации искусственного оптического свечения позволяют сравнить экспериментальные данные с результатами численного моделирования. В настоящей работе описан эксперимент, проведенный 12 марта 2013 г. на стенде «Сура», расположенном в загородной лаборатории ФБГНУ НИРФИ «Васильсурск» (56° с.ш., 46° в.д.) при наклоне ДН на 12° на юг в направлении «магнитного зенита». В разделе 1 дано подробное описание постановки эксперимента. Раздел 2 посвящен описанию полученных результатов. В разделе 3 сделаны краткие выводы.
1. Описание постановки эксперимента
12 марта 2013 г. спутник GPS № 09 двигался с северо-запада на юг и пролетал над ДН стенда «Сура» в интервале 17:16 +17:40 UTC (сплошная линия на рис. 1). Режим излучения мощной радиоволны в момент пролета спутника над ДН: 7 мин -нагрев, 3 мин - пауза. Частота воздействия fo = 4.7 МГц. Критическая частота foF2 = 5.22 МГц. ДН стенда «Сура» была наклонена на 12° на юг в направлении «магнитного зенита». Время включения мощного передатчика - 16:40 UTC; время выключения - 18:58 UTC. Необходимо отметить, что во время проведения измерений 12 марта 2013 г. был сбой в работе таймеров, управлявших режимом работы мощных передатчиков, что привело к излучению мощных радиоволн во время пауз. Регистрация сигналов от навигационного спутника осуществлялась с помощью ГНСС-приёмника Prego-T, расположенного в непосредственной близости от антенной системы стенда «Сура». Исходные данные для обработки представляют собой файлы в формате RINEX [23]. Формат содержит псевдодальномерные и фазовые
ф, град 56° 54° 52° 50° 48°
46° 44°
42°
Рис. 1. Расположение пункта приёма сигналов от ГНСС (отмечено точкой на карте); линия с двухминутными маркерами времени (отмечены квадратами) - трасса и время (UTC) прохождения спутника GPS № 09, 12 марта 2013 г. Местоположение проекции главного лепестка ДН стенда «Сура» (ДН наклонена к югу на 12° в область «магнитного зенита») обозначено эллипсами: малым эллипсом на высоте области плазменных резонан-сов - 250 км; большим на высоте пролета спутников GPS (20180 км)
измерения для двух рабочих частот 1574.42 и 1227.60 МГц. Для определения ПЭС и удаления тренда, вносимого движением спутника, использовалась методика, описанная в [10, 17-20].
Синхронно с измерениями вариаций ПЭС проводились измерения стимулированного оптического свечения на красной линии оптического спектра (630 нм) атомарного кислорода с помощью ПЗС-камеры S1C/079-FP(FU) с полем зрения 20.6°, оснащенной соответствующим светофильтром. Регистрация портретов ночного неба проводилась с 16:36 UTC до 18:29 UTC, с выдержкой 15 с и использованием бинирования 2 х 2, размер кадров составлял 288 х 288 пикселей [9]. Для дальнейшей обработки полученных портретов ночного неба и выделения на них пятен искусственного оптического свечения использовалась методика, подробно описанная в [10]. На рис. 2 представлен временной ход интенсивности свечения ионосферы на линии 630 нм из области портрета ночного неба (14 х 14 пикселей), соответствующей окрестности центра пятна свечения (см. рис. 3) за 12 марта 2013 г. Из рисунка видно, что подъем интенсивности свечения на линии 630 нм во время излучения ВН относительного уровня паузы достигает 15-25 ед. АЦП. Провалы в интенсивности свечения в серединах интервалов излучения ВН, особенно ярко выраженные в трех циклах воздействия после 17:50 UTC, связаны с временным отключением одного или двух из трех мощных передатчиков стенда «Сура»: в 17:53:13 UTC отключился 1-й передатчик (работали только 2-й и 3-й передатчики); в 18:03:11 UTC отключились 1-й и 3-й передатчики (работал только 2-й передатчик); в 18:13:14 UTC вновь отключились 1-й и 3-й передатчики. Обращает на себя внимание также подъем интенсивности свечения во время «сбойных» интервалов излучения ВН: 17:10:05 UTC ^ 17:10:43 UTC; 17:18:42 UTC ^ 17:19:47 UTC; 17:28:34 UTC ^ 17:29:56 UTC; 17:38:31 UTC ^ 17:39:56 UTC. Подъем интенсивности в эти интервалы относительно уровня паузы достигает 8-11 ед. АЦП. Так как радиационное время жизни уровня O (D) составляет т = 107 с [1], свечение эффективно развивается, но не успевает достичь своего максимума интенсивности.
X, град
Отн. ед. АЦП 24
20 15 10 5
0 16
Рис. 2. Временной ход интенсивности свечения ионосферы в линии 630 нм из области портрета ночного неба, соответствующей окрестности центра пятна свечения в эксперименте 12 марта 2013 г. Ось абсцисс - время UTC, ось ординат - интенсивность свечения в относительных единицах АЦП. Вертикальными пунктирными линиями отмечен интервал пролета спутника GPS № 09 над ДН стенда «Сура». Прямоугольниками на оси абсцисс показан режим излучения мощной радиоволны
При этом такие короткие циклы воздействия дают нам также дополнительную информацию о времени релаксации излучения после выключения ВН, которое грубо можно оценить в 20-45 с (учитывая при этом время накопления сигнала, равное 15 с). Характерное время развития и релаксации свечения в красной линии 630 нм по ранее проведенным фотометрическим измерениям составляет порядка 90 и 20 с соответственно [9, 11].
Состояние космической погоды в эксперименте оценивалось с помощью индексов геомагнитной активности (Dst и Kp), индекса авроральной электроструи (AE) и планетарного Wp индекса состояния ионосферной погоды [24]. Все данные взяты из электронных ресурсов [25-27]. 12 марта 2013 г. состояние космической погоды в основном было спокойным. Индексы геомагнитной активности были постоянными в ходе суток (Kp = 1+; Dst : 9 nT в начале суток, 20 nT в середине и 5 - 9 nT в поздние часы). Индекс AE варьировался в течение суток от 35 до 180 nT и во время пролета спутника был равен 51 nT; Wp индекс был постоянным и равным 2.3.
2. Результаты и их обсуждение
Для сопоставления вариаций ПЭС и искусственного оптического свечения использовалась методика, представленная в [10] и состоящая из следующих основных этапов:
• удаление регулярного тренда, вносимого движением спутника, из исходной зависимости ПЭС от времени;
• пространственная и временная привязки портретов ночного неба, полученных с помощью ПЗС-камеры, и нанесение траектории движения спутника на эти изображения;
• выделение области искусственного оптического свечения на портретах ночного неба путем вычитания темного и опорных «преднагревных» кадров;
У Л л f Л у А V \1
г 1 1 1 |
:36 16:56 17:16 17:36 17:56 18:16
Время UTC, чч:мм
17:20:47
17:22:32
0
-4 0 4 8
17:26:02
8 4
0 -4
-4 0 4 8 -8 17:28:17
17:24:17
♦
-4 0 4 8
5
10
15
Рис. 3. Примеры обработанных портретов ночного неба в линии 630 нм, зарегистрированных в ходе эксперимента 12 марта 2013 г. в течение одного цикла воздействия мощным радиоизлучением (17:20:34 UTC + 17:28:33 UTC). Белая сплошная линия на портретах ночного неба соответствует траектории движения спутника GPS № 09, точка на траектории - положению спутника в соответствующий момент времени. Времена регистрации изображений указаны над изображениями в формате UTC. Координаты по осям указаны в градусах поля зрения ПЗС-камеры, интенсивность (шкала оттенков серого) - в относительных единицах АЦП ПЗС-камеры
• расчёт средней интенсивности свечения из области изображения (11 х 11 пикселей), соответствующей местоположению спутника в данный момент времени.
Примеры обработанных портретов ночного неба, зарегистрированных в ходе эксперимента 12 марта 2013 г. в течение одного цикла воздействия мощным радиоизлучением: излучение ВН - 17:20:34 UTC ^ 17:27:51 UTC; пауза - 17:27:52 UTC ^ 17:28:33 UTC, с нанесенной на них траекторией движения спутника GPS № 09 (белая сплошная линия) представлены на рис. 3. Координаты представленных изображений по осям указаны в градусах поля зрения ПЗС-камеры S1C/079-FP(FU), интенсивность (шкала оттенков серого) - в относительных единицах АЦП ПЗС-камеры.
На рис. 4 приведены данные синхронных измерений вариаций ПЭС и искусственного оптического свечения, полученных в интервале 17:11:46 UTC + 17:54:02 UTC 12 марта 2013 г. Данный интервал соответствует времени нахождения спутника GPS №09 в поле зрения ПЗС-камеры S1C/079-FP(FU) (рис. 3). Черная линия на рис. 4 соответствует временному ходу вариаций ПЭС, полученному после удаления тренда вносимого движением спутника и выраженному в общепринятой единице измерения TECU. Методика определения ПЭС и удаления тренда описана в [10, 17-20]. При этом используемый параметр усреднения N, численно равный времени усреднения в секундах, равен 601. Серая линия иллюстрирует динамику средней интенсивности свечения (в единицах АЦП ПЗС-камеры) из области изображения 11 х 11 пикселей с центром в точке пересечения луча зрения на спутник (на траектории распространения GPS-сигнала). Центр этой области перемещается
Рис. 4. Данные синхронных измерений ПЭС и искусственного оптического свечения 12 марта 2013 г. Черная линия - вариации ПЭС, полученные после удаления тренда. Серая линия - динамика средней интенсивности оптического свечения из области изображения, соответствующей положению спутника в этот момент времени. Вертикальными пунктирными линиями отмечен интервал пролета спутника GPS № 09 над ДН стенда «Сура». Прямоугольниками на оси абсцисс показан режим накачки
по траектории, изображенной белой сплошной линией на рис. 3, со скоростью движения проекции спутника. Стоит отметить, что траектория движения спутника GPS № 09 и, соответственно, область, по которой проводилось усреднение, находились в стороне от области максимальной интенсивности свечения (см. рис. 3). Однако даже в этом случае видны заметное возрастание интенсивности свечения в период излучения ВН и падение интенсивности в момент паузы. Рис. 4 достаточно трудно использовать для сопоставления данных оптического свечения с данными ПЭС, так как временной ход интенсивности свечения определяется циклами воздействия мощным радиоизлучением, в то же время крупномасштабные неоднородности электронной плотности, детектируемые с помощью измерений сигналов GPS, остаются практически стационарными в течение всего интервала пролета спутником ДН стенда [17].
Таким образом, для исследования вариаций ПЭС и искусственного оптического свечения, стимулированных мощным радиоизлучением стенда «Сура», было выполнено усреднение по двум полным циклам излучения ВН (метод наложения эпох) (рис. 5). Соответствующие сеансы были взяты в период, когда спутник находился в пределах ДН стенда «Сура» 17:14:00 UTC + 17:40:00 UTC (интервал пролета ДН отмечен вертикальными пунктирными линиями на рис. 1 и 4). Первый период излучения ВН составил 17:20:34 UTC + 17:27:51 UTC, второй 17:28:34 UTC + 17:37:51 UTC (отмечены серыми прямоугольниками с цифрами 1 и 2 на рис. 4). На рис. 5 также приведены значения вариаций ПЭС и свечения, полученные путем вычисления среднего в моменты пауз и излучения ВН (черная штрих-пунктирная и серая пунктирные линии на рис. 5 соответственно). Из рассчитанных средних значений ПЭС и свечения можно сделать вывод о том, что при включении ВН происходит понижение ПЭС, которое составляет около 60% относительно уровня ПЭС во время паузы. Интенсивность искусственного оптического свечения при включении ВН возрастает на 35% относительно уровня свечения в паузе.
I,TECU
Отн. ед. АЦП
б
3
о
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Время, сек.
Рис. 5. Усредненные по двум полным циклам КВ накачки (метод наложения эпох) вариации ПЭС и искусственного оптического свечения 12 марта 2013 г. в период, когда спутник GPS № 09 находился в пределах ДН стенда «Сура» 17:16:00 UTC ^ 17:40:00 UTC. Черная сплошная линия соответствует усредненному ходу вариаций ПЭС, черная штрих-пунктирная линия - средним значениям ПЭС в период паузы и накачки. Серая сплошная линия соответствует усредненному ходу искусственного оптического свечения из области изображения, соответствующей положению спутника в данный момент времени, серая пунктирная линия - средним значениям свечения в период паузы и накачки
В работе проанализированы данные синхронного измерения вариаций ПЭС и искусственного оптического свечения в эксперименте на стенде «Сура» 12 марта 2013 г. при наклоне ДН на 12 ° в направлении «магнитного зенита». Проведено сопоставление положения крупномасштабных неоднородностей электронной плотности, детектируемых с помощью измерения ПЭС при движении спутника над возмущенной областью ионосферы, и областей генерации искусственного оптического свечения. Обнаружено, что при включении волны накачки происходит 60%-ное понижение уровня ПЭС и 35%-ное увеличение интенсивности свечения в красной линии оптического спектра атомарного кислорода (630 нм). По всей видимости, представленные результаты, а также результаты, полученные в [10], свидетельствуют о том, что по крайней мере в случае наклона ДН стенда «Сура» на 12° в направлении «магнитного зенита» генерация наиболее сильных плазменных волн, ускоряющих электроны до потенциала возбуждения оптических уровней, происходит в области пониженной электронной концентрации. Однако для однозначных выводов о зависимости ПЭС и интенсивности искусственного оптического свечения при различных режимах излучения мощной радиоволны и углах наклона диаграммы направленности антенной системы стенда «Сура» требуется проведение дополнительных экспериментов.
Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-32-60176 (разд. 1 и 2)) и РНФ (проект № 4-12-00706 (разд. 3 и 4)). Обработка экспериментальных данных выполнена за счет средств субсидии, выделенной в рамках государственной поддержки Казанского (Приволжского) федерального университета в целях повышения его конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров.
Заключение
Литература
1. Gustavsson B., Sergienko T., Kosch M.J., Rietveld M.T., Brandstrom B.U.E., Leyser T.B., Isham B., Gallop P., Aso T., Ejiri M., Grydeland T., LaHoz C, Kaila K., Jussila J., Holma H. The electron energy distribution during HF pumping, a picture painted with all colors // Ann. Geophys. - 2005. - V. 23, No 5. - P. 1747-1754. - doi: 10.5194/angeo-23-1747-2005.
2. Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере // Усп. физ. наук. - 2007. - Т. 177, № 11. - С. 1145-1177. - doi: 10.3367/UFNr.0177.200711a.ll45.
3. Беликович В.В., Грач С.М., Караштин А.Н., Котик Д.С., Токарев Ю.В. Стенд «Сура»: исследования атмосферы и космического пространства // Изв. вузов. Радиофизика. - 2007. - Т. 50, № 7. - С. 545-576.
4. Мак-Ивен М., Филлипс Л. Химия атмосферы / Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - 376 с.
5. Гумеров Р.И., Капков В.Б., Комраков Г.П., Насыров А.М. Искусственное свечение ионосферы при кратковременном воздействии мощного радиоизлучения // Изв. вузов. Радиофизика. - 1999. - Т. 42. - С. 524-527.
6. Grach S.M., Sergeev E.N., Nasyrov A.M., Gumerov R.I., Shaimukhametov R.R., Nasyrov I.A., Komrakov G.P. Simultaneous observations of the 557.7 nm airglow and stimulated electromagnetic emission during HF pumping of the ionosphere with diagnostic schedule: First results // Adv. Space Res. - 2004. - V. 34, No 11. - P. 2422-2427. - doi: 10.1016/j.asr.2003.08.070.
7. Grach S.M., Sergeev E.N., Komrakov G.P., Kotov P.V., Nasyrov A.M., Nasyrov I.A., Gumerov R.I., Shaimukhametov R.R., Nasyrov I.A. Studies of artificial airglow emission at 557.7 nm (green line) of upper atmosphere caused by Sura facility // SPIE Proc. -2006. - V. 6522. - Art. 652226, 8 p. - doi: 10.1117/12.723280.
8. Grach S.M., Kosch M.J, Yashnov V.A., Sergeev E.N., Atroshenko M.A., Kotov P.V. On the location and structure of the artificial 630-nm airglow patch over Sura facility // Ann. Geophys. - 2007. - V. 25. - P. 689-700. - doi: 10.5194/angeo-25-689-2007.
9. Грач С.М., Клименко В.В., Шиндин А.В, Насыров И.А., Сергеев Е.Н., Яшнов В.А., Погорелко Н.А. Оптическое свечение при воздействии на ионосферу радиоизлучением стенда «Сура»: Результаты экспериментов 2010 года // Изв. вузов. Радиофизика. - 2012. - Т. 55, № 1-2. - С. 36-56.
10. Шиндин А.В., Грач С.М., Сергеев Е.Н., Рябов А.В. Пространственная корреляция крупномасштабных неоднородностей плотности (по данным анализа GPS-сигналов) и искусственного оптического свечения в линии 630 нм в ионосфере, возмущенной мощной радиоволной // Вестн. Нижегор. ун-та им. Н. И. Лобачевского. - 2012. -№ 4. - С.105-113.
11. Шиндин А.В., Грач С.М., Клименко В.В., Насыров И.А., Сергеев Е.Н., Белецкий А.Б., Тащилин М.А., Гумеров Р.И. Оптическое свечение на длинах волн 630 и 557,7 нм при коротковолновом воздействии на ионосферу излучением стенда «Сура» в области 4-й гармоники электронного гирорезонанса // Изв. вузов. Радиофизика. -2014. - Т. 57, № 11. - С. 849-864.
12. Rietveld M.T., Kosch M.J., Blagoveshchenskaya N.F. Kornienko V.A., Leyser T.B., Yeoman T.K. Ionospheric electron heating, optical emissions, and striations induced by powerful HF radio waves at high latitudes: Aspect angle dependence // J. Geophys. Res.: Space Phys.- 2003. - V. 108, No A4. - Art. 1141, P. 1-16. - doi: 10.1029/2002JA009543.
13. Mishin E.V., Burke W.J., Pedersen T. HF-induced airglow at magnetic zenith: Theoretical considerations // Ann. Geophys. - 2005. - V. 23, No 1. - P. 47-53.
14. Терещенко Е.Д., Миличенко А.Н., Фролов В.Л., Юрик Р.Ю. Наблюдение эффекта магнитного зенита с использованием сигналов спутников GPS/ГЛОНАСС // Изв. вузов. Радиофизика. - 2008. - Т. 51, № 11. - С. 934-938.
15. Milikh G.M., Gurevich A.V., Zybin K.P., Secan J.A. Perturbations of GPS signals by the ionospheric irregularities generated due to HF-heating at triple of electron gyrofre-quency // Geophys. Res. Lett. - 2008. - V. 35, No 22. - Art. L22102, P. 1-6. - doi: 10.1029/2008GL035527.
16. Фролов В.Л., Комраков Г.П., Куницын В.Е., Падохин А.М., Васильев А.Е., Курбатов Г.А. Зондирование возмущенной излучением нагревного стенда «Сура» ионосферы сигналами навигационных спутников системы GPS // Изв. вузов. Радиофизика. - 2010. - Т. 53, № 7. - С. 421-444.
17. Рябов А.В., Грач С.М., Шиндин А.В., Котик Д.С. Исследование характеристик крупномасштабных неоднородностей ионосферы, вызванных воздействием на неё мощного коротковолнового радиоизлучения, с помощью сигналов GPS // Изв. вузов. Радиофизика. - 2011. - Т. 54, № 7. - С. 485-496.
18. Kunitsyn V.E., Padokhin A.M., Vasiliev A.E., Kurbatov G.A., Frolov V.L., Komra-kov G.P. Study of GNSS-measured ionospheric total electron content variations generated by powerful HF-heating // Adv. Space Res. - 2011. - V. 47, No 10. - P. 1743-1749. - doi: 10.1016/j.asr.2010.03.031.
19. Kunitsyn V.E., Andreeva E.S., Frolov V.L., Komrakov G.P., Nazarenko M.O., Padokhin A.M. Sounding of HF heating-induced artificial ionospheric disturbances by navigational satellite radio transmissions // Radio Sci. - 2012. - V. 47, No 3. - Art. RS0L15, P. 1-13. - doi: 10.1029/2011RS004957.
20. Nasyrov I.A., Kogogin D.A., Shindin A.V., Grach S.M., Zagretdinov R.V. The measurement of the ionospheric total content variations caused by a powerful radio emission of "Sura" facility on a network of GNSS-receivers // Adv. Space Res. - 2016. - V. 47, No 4. -P. 1015-1020. - doi: 10.1016/j.asr.2015.12.008.
21. Васьков В.В., Гуревич А.В. Самофокусировочная и резонансная неустойчивости в ионосфере // Тепловые нелинейные явления в плазме: Сб. науч. тр. - Горький: ИПФ АН СССР, 1979. - С. 81-138.
22. Kosch M.J, Pedersen T.R., Mishin E.V., Starks M.J, Gerken-Kendall E.A., Sentman D.D., Oyama S., Watkins B.J. Temporal evolution of pump beam self-focusing at the high-frequency active auroral research program //J. Geophys. Res.: Space Phys. -2007. - V. 112, No 8. - Art. A08304, P. 1-9. - doi: 10.1029/2007JA012264.
23. Werner G., Estey L. RINEX. The Receiver Independent Exchange Format. Version 3.00. -2007. - URL: https://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/data/format/rinex300.pdf, свободный.
24. Gulyaeva T.L., Stanislwska I. Derivation of a planetary ionospheric storm index // Ann. Geophys. - 2008. - V. 26, No 9. - P. 2645-2648. - doi: 10.5194/angeo-26-2645-2008.
25. World Data Center for Geomagnetism. - URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/, свободный.
26. International Service of Geomagnetic Indices. - URL: http://isgi.unistra.fr/, свободный.
27. IZMIRAN - Ionospheric weather: Planetary storms of total electron content. - URL: http://www.izmiran.ru/services/iweather/storm/, свободный.
Поступила в редакцию 06.06.16
Когогин Денис Александрович, аспирант кафедры радиоэлектроники Казанский (Приволжский) федеральный университет
ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия E-mail: dkogogin@kpfu.ru
Ш^индин Алексей Владимирович, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник кафедры распространения радиоволн и радиоастрономии Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
пр. Гагарина, д. 23, г. Нижний Новгород, 603950, Россия E-mail: freaz@bk.ru
Насыров Игорь Альбертович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры радиоэлектроники
Казанский (Приволжский) федеральный университет
ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия E-mail: inasyrov@kpfu.ru
Грач Савелий Максимович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры распространения радиоволн и радиоастрономии
Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
пр. Гагарина, д. 23, г. Нижний Новгород, 603950, Россия E-mail: sgrach@rf.unn.ru
ISSN 1815-6088 (Print) ISSN 2500-2198 (Online) UCHENYE ZAPISKI KAZANSKOGO UNIVERSITETA. SERIYA FIZIKO-MATEMATICHESKIE NAUKI (Proceedings of Kazan University. Physics and Mathematics Series)
2016, vol. 158, no. 3, pp. 434-447
Simultaneous Measurements of Variations in the Artificial Airglow
and the Total Electron Content of the Ionosphere Caused by Powerful Radio Waves of "Sura" Facility
D.A. Kogogina*, A.V. Shindinb**, I.A. Nasyrova***, S.M. Grachbm
aKazan Federal University, Kazan, 420008 Russia bLobachevsky State University of Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod, 603950 Russia E-mail: *dkogogin@kpfu.ru, **freaz@bk.ru, ***inasyrov@kpfu.ru, ****sgrach@rf.unn.ru
Received June 6, 2016 Abstract
The results of simultaneous observations of variations in the artificial airglow in the red line of the optical spectrum of atomic oxygen (630 nm) and the total electron content (TEC) of the ionosphere measured along the propagation paths of the navigation satellites signal caused by the powerful HF radio emission of "Sura" facility on March 12, 2013 have been described in this paper. The observations of the disturbed region structure have allowed a comparison of the position of large-scale inhomogeneities of the electron density and the areas of artificial airglow generation.
For comparison of variations in TEC and the artificial airglow, the following steps have been performed:
• Removing the regular trend brought by satellite motion from the time dependence of TEC;
• Spatial reference and timing of the night sky portraits received by a CCD camera and drawing of the satellite trajectory on these images;
• Enhancement of the spots of artificial airglow on the portraits of the night sky;
• Calculation of the average intensity of airglow from the image area (11 x 11 pixels) corresponding to the location of the satellite in time of the night sky shooting.
Based on the joint analysis of the data, it has been found that the TEC level is decreased for 60% and the intensity of airglow in the red line of the optical spectrum of atomic oxygen is increased for 35% when the pumping wave is turned on. Furthermore, it has been shown that the strongest plasma waves accelerating electrons to the excitation potential of optical levels are generated in the region of low electron concentration as the antenna pattern of "Sura" facility is inclined at an angle of 12° to the magnetic zenith. These results will allow applying the corrections to the description of the electron acceleration mechanism up to the levels of optical excitation of atomic oxygen.
Keywords: ionosphere, total electron content, artificial airglow, TEC, GPS, powerful radio emission
Acknowledgments. This work was supported by the Russian Foundation for Basic Research (sections 1-2, project no. 16-32-60176) and the Russian Scientific Foundation (sections 3-4, project no. 14-12-00706). Experimental data processing was funded by the subsidy allocated to Kazan Federal University as part of the state program for increasing its competitiveness among the world's leading centers of science and education.
Figure captions
Fig. 1. The location of the GNSS signal receiving station (shown with a dot on the map); the line with 2-min time markers (shown with squares) - path and time (UTC) of GPS No 09 satellite traveling; March 12, 2013. The location of the AP main beam projection of "Sura" facility (AP is inclined southwards at an angle of 12° to the magnetic zenith) is shown with ellipses: with the small ellipse at the hight of plasma resonances - 250 km; with the large ellipse at the hight of GPS satellite flying (20180 km).
Fig. 2. The timing of airglow intensity of the ionosphere in the 630-nm line from the area of the night sky portrait corresponding to the neighborhood of the airglow spot center in the experiment carried out on March 12, 2013. X-axis is the UTC time; Y-axis is the airglow intensity in ADC relative units. Vertical dotted lines show the interval of the GPS No 09 satellite flying over the AP of "Sura" facility. Rectangles on the X-axis show the radiation regime of the powerful radiowave.
Fig. 3. The examples of processed night sky portraits in the 630-nm line registered in the experiment on March 12, 2013 during one cycle of exposure to powerful radiation (17:20:34 UTC ^ 17:28:33 UTC). The white solid line on the night sky portraits is the GPS No 09 satellite trajectory; the dot on the trajectory is the location of the satellite in the corresponding moment of time. The time of shooting is given above the images in the UTC format. Coordinates on the axes are given in degrees of the field of vision of the CCD camera. The intensity (a scale of gray shades) is given in ADC relative units of the CCD camera.
Fig. 4. Data of the synchronous measurements of TEC and artificial airglow on March 12, 2013. The black line is TEC variations after the trend was removed. The gray line is the dynamics of average airglow intensity from the image area corresponding to the satellite location in this moment of time. Vertical dotted lines show the interval of GPS No 09 satellite flying over the AP of "Sura" facility. Rectangles on the X-axis show the pump mode.
Fig. 5. The averaged by two complete HF pump cycles (epoch folding method) variations in TEC and artificial airglow on March 12, 2013 in the period when the GPS No 09 satellite was within the AP of "Sura" facility 17:16:00 UTC ^ 17:40:00 UTC. The black solid line is the averaged variations in TEC; the black dash-dotted line is the average values of TEC during pause and pumping. The gray solid line is the averaged course of artificial airglow from the image area corresponding to the location of the satellite in this moment of time; the gray dotted line shows the average values of airglow during pause and pumping.
References
1. GustavsonB., Sergienko T., Kosch M.J., Rietveld M.T., Brandstrom B.U.E., Leyser T.B., Isham B., Gallop P., Aso T., Ejiri M., Grydeland T., LaHoz C., Kaila K., Jussila J., Hol-ma H. The electron energy distribution during HF pumping, a picture painted with all colors. Ann. Geophys., 2005, vol. 23, no. 5, pp. 1747-1754. doi: 10.5194/angeo-23-1747-2005.
2. Gurevich A.V. Nonlinear effects in the ionosphere. Phys.-Usp., 2007, vol. 50, no. 11, pp. 1091-1121. doi: 10.3367/UFNr.0177.200711a.ll45.
3. Belikovich V.V., Grach S.M., Karashtin A.N., Kotik D.S., Tokarev Yu.V. The "Sura" facility: Study of the atmosphere and space (a review). Radiophys. Quantum Electron., 2007, vol. 50, no. 7, pp. 497-526. doi: 10.1007/s11141-007-0046-4.
4. McEwan M.J., Phillips L.F. Chemistry of the Atmosphere. London, Wiley, 1975. 301 p.
5. Gumerov R.I., Kapkov V.B., Komrakov G.P., Nasyrov A.M. Artificial ionospheric glow caused by the short-term effect of high-power RF radiation. Radiophys. Quantum Electron., 1999, vol. 42, no. 6, pp. 463-465. doi: 10.1007/BF02677582.
6. Grach S.M., Sergeev E.N., Nasyrov A.M., Gumerov R.I., Shaimukhametov R.R., Nasy-rov I.A., Komrakov G.P. Simultaneous observations of the 557.7 nm airglow and stimulated electromagnetic emission during HF pumping of the ionosphere with diagnostic schedule: First results. Adv. Space Res., 2004, vol. 34, no. 11, pp. 2422-2427. doi: 10.1016/j.asr.2003.08.070.
7. Grach S.M., Sergeev E.N., Komrakov G.P., Kotov P.V., Nasyrov A.M., Nasyrov I.A., Gumerov R.I., Shaimukhametov R.R., Nasyrov I.A. Studies of artificial airglow emission at 557.7 nm (green line) of upper atmosphere caused by Sura facility. SPIE Proc., 2006, vol. 6522, art. 652226. 8 p. doi: 10.1117/12.723280.
8. Grach S.M., Kosch M.J., Yashnov V.A., Sergeev E.N., Atroshenko M.A., Kotov P.V. On the location and structure of the artificial 630-nm airglow patch over Sura facility. Ann. Geophys., 2007, vol. 25, pp. 689-700. doi: 10.5194/angeo-25-689-2007.
9. Grach S.M., Klimenko V.V., Shindin A.V., Nasyrov I.A., Sergeev E.N., Yashnov V.A., Pogorelko N.A. Airglow during ionospheric modifications by the Sura facility radiation. Experimental results obtained in 2010. Radiophys. Quantum Electron., 2012, vol. 55, no. 1, pp. 33-50. doi: 10.1007/s11141-012-9347-3.
10. Shindin A.V., Grach S.M., Sergeev E.N., Ryabov A.V. Spatial correlation of large-scale plasma density inhomogeneities (measured by GPS signal analysis) and regions of 630 nm artificial optical emissions in the HF-pumped ionosphere, Vestn. Nizhegorod. Univ. im. N. I. Lobachevskogo, 2012, no. 4, pp. 105-113. (In Russian)
11. Shindin A.V., Grach S.M., Klimenko V.V., Nasyrov I.A., Sergeev E.N., Beletski A.B., Taschilin M.A., Gumerov R.I. The 630 nm and 557.7 nm airglow during HF ionosphere pumping by the SURA facility radiation for pump frequencies near the fourth electron gyroharmonic. Radiophys. Quantum Electron., 2015, vol. 57, no. 11, pp. 759-772. doi: 10.1007/s11141-015-9562-9.
12. Rietveld M.T., Kosch M.J., Blagoveshchenskaya N.F., Kornienko V.A., Leyser T.B., Yeoman T.K. Ionospheric electron heating, optical emissions, and striations induced by powerful HF radio waves at high latitudes: Aspect angle dependence. J. Geophys. Res.: Space Phys., 2003, vol. 108, no. A4, art. 1141, pp. 1-16. doi: 10.1029/2002JA009543.
13. Mishin E.V., Burke W.J., Pedersen T. HF-induced airglow at magnetic zenith: Theoretical considerations. Ann. Geophys., 2005, vol. 23, no. 1, pp. 47-53.
14. Tereshchenko E.D., Milichenko A.N., Frolov V.L., Yurik R.Y. Observations of the magnetic-zenith effect using GPS/GLONASS satellite signals. Radiophys. Quantum Electron., 2008, vol. 51, no. 11, pp. 842-846. doi: 10.1007/s11141-009-9088-0.
15. Milikh G.M., Gurevich A.V., Zybin K.P., Secan J.A. Perturbations of GPS signals by the ionospheric irregularities generated due to HF-heating at triple of electron gy-rofrequency. Geophys. Res. Lett., 2008, vol. 35, no. 22, art. L22102, pp. 1-6. doi: 10.1029/2008GL035527.
16. Frolov V.L., Komrakov G.P., Kunitsyn V., Padokhin A., Vasiliev A., Kurbatov G. Sounding of the ionosphere disturbed by the "Sura" heating facility radiation using signals of the GPS satellites. Radiophys. Quantum Electron., 2010, vol. 53, no. 7, pp. 379-400. doi: 10.1007/s11141-010-9237-5.
17. Ryabov A.V., Grach S.M., Shindin A.V., Kotik D.S. Studying characteristics of the large-scale ionospheric irregularities induced by high-power HF radio emission with GPS diagnosis. Radiophys. Quantum Electron., 2011, vol. 54, no. 7, pp. 441-451. doi: 10.1007/s11141-011-9304-6.
18. Kunitsyn V.E., Padokhin A.M., Vasiliev A.E., Kurbatov G.A., Frolov V.L., Kom-rakov G.P. Study of GNSS-measured ionospheric total electron content variations generated by powerful HF-heating. Adv. Space Res., 2011, vol. 47, no. 10, pp. 1743-1749. doi: 10.1016/j.asr.2010.03.031.
19. Kunitsyn V.E., Andreeva E.S., Frolov V.L., Komrakov G.P., Nazarenko M.O., Padokhin A.M. Sounding of HF heating-induced artificial ionospheric disturbances by navigational satellite radio transmissions. Radio Sci., 2012, vol. 47, no. 3, art. RS0L15, pp. 1-13. doi: 10.1029/2011RS004957.
20. Nasyrov I.A., Kogogin D.A., Shindin A.V., Grach S.M., Zagretdinov R.V. The measurement of the ionospheric total content variations caused by a powerful radio emission of "Sura" facility on a network of GNSS-receivers. Adv. Space Res., 2016, vol. 47, no. 4, pp. 1015-1020. doi: 10.1016/j.asr.2015.12.008.
21. Vas'kov V.V., Gurevich A.V. Thermal Nonlinear Phenomena in Plasma. Samofokusiro-vochnaja i rezonansnaja neustojchivosti v ionosfere [Self-Focusing and Resonance Instability in the Ionosphere]. Gorky, IPF Akad. Nauk SSSR, 1979, pp. 81-138. (In Russian)
22. Kosch M.J., Pedersen T.R., Mishin E.V., Starks M.J., Gerken-Kendall E.A., Sent-man D.D., Oyama S., Watkins B.J. Temporal evolution of pump beam self-focusing at the high-frequency active auroral research program. J. Geophys. Res.: Space Phys., 2007, vol. 112, no. 8, art. A08304, pp. 1-9. doi: 10.1029/2007JA012264.
23. Werner G. RINEX. The Receiver Independent Exchange Format. Version 3.00. 2007. Available at: https://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/data/format/rinex300.pdf.
24. Gulyaeva T.L., Stanislwska I. Derivation of a planetary ionospheric storm index. Ann. Geophys., 2008, vol. 26, no. 9, pp. 2645-2648. doi: 10.5194/angeo-26-2645-2008.
25. World Data Center for Geomagnetism. Available at: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/.
26. International Service of Geomagnetic Indices. Available at: http://isgi.unistra.fr/.
27. IZMIRAN - Ionospheric weather: Planetary storms of total electron content. Available at: http://www.izmiran.ru/services/iweather/storm/.
Для цитирования: Когогин Д.А., Шиндин А.В., Насыров И.А., Грач С.М. Синхронные измерения вариаций искусственного оптического свечения и полного электронного содержания ионосферы, стимулированных мощным радиоизлучением стен-\ да «Сура» // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. - 2016. - Т. 158, кн. 3. -С. 434-447.
For citation: Kogogin D.A., Shindin A.V., Nasyrov I.A., Grach S.M. Simultaneous measurements of variations in the artificial airglow and the total electron content of the ( ionosphere caused by powerful radio waves of "Sura" facility. Uchenye Zapiski Kazanskogo \ Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki, 2016, vol. 158, no. 3, pp. 434-447. (In Russian)
