CC BY
0Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - Муром 2024
УДК 550.388.2 DOI: 10.24412/2304-0297-2024-1-500-505
Спектральная структура диагностических сигналов, рассеянных на МИИН при изменении мощности излучения КВ нагревного стенда EISCAT/Heating
Т.Д. Борисова1, Н.Ф. Благовещенская1, А.С. Калишин1, И.М. Егоров1,
С.А. Долгачева1, А.С. Ковалев1
1 Арктический и антарктический научно-исследовательский институт
199397, г. Санкт-Петербург, ул. Беринга, 38.
E-mail: borisova@aari.ru
Представлены результаты исследований процессов взаимодействия ионосферы и магнитосферы Земли в период эксперимента 26 октября 2021 г. с использованием нагревного стенда EISCAT/Heating (г.Тромсе, Норвегия). Возбуждение искусственных возмущений наблюдалось в плазме верхней (F- области) авроральной ионосферы при воздействии мощными КВ радиоволнами необыкновенной поляризации. В период эксперимента проводились одновременные измерения методом ракурсного рассеяния радиоволн на четырех диагностических КВ радиотрассах. При анализе использовались данные наземных магнетометров. Зарегистрированы волновые возмущения в поведении смещений доплеровских частот диагностических КВ радиосигналов и измерений наземными магнетометрами с периодами (120-900) с, соответствующими пульсациям Рс4 и Рс5. Ключевые слова: модификация ионосферы, радиоволны необыкновенной поляризации, диагностические КВ радиосигналы, наземные магнитометры, волновые возмущения, пульсации Рс4 и Рс5
Spectral structure of diagnostic signals scattered at the MIIN by changing the HF radiation power of the EISCAT/Heating heating facility
T.D. Borisova1, N.F. Blagoveshchenskaya1, A.S. Kalishin1, I.M. Egorov1, S.A. Dolgacheva1, A.S. Kovalev1
1 Arctic and Antarctic Research Institute.
The results of studies of the processes of interaction between the ionosphere and the magnetosphere of the Earth are presented, when artificial disturbances are excited in the plasma of the upper (F-region) auroral ionosphere by a powerful HF radio wave of extraordinary polarization from the EISCAT/Heating heating facilities (Tromso, Norway). The excitation of artificial disturbances was observed in the plasma of the upper (F-region) auroral ionosphere under the influence ofpowerful HF radio waves of extraordinary polarization. During the experiment, simultaneous measurements were carried out using the method of aspect scattering of radio waves on four diagnostic HF radio paths. The analysis used data from ground-based magnetometers. Wave disturbances were recorded in the behavior of Doppler frequency shifts of diagnostic HF radio signals and measurements by ground-based magnetometers with periods (120-900) s corresponding to the pulsations of Pc4 and Pc5. Keywords: modification of the ionosphere, radio waves of extraordinary polarization, diagnostic HF radio signals, ground-based magnetometers, wave disturbances, pulsations of Рс4 and Рс5
Введение
Геомагнитные пульсации Рс4-Рс5 демонстрируют проявления МГД волновой активности в околоземном космическом пространстве. Возбуждение пульсаций Рс4 (0.7 - 2.5 мин) характерно для магнитоспокойных условий. Пульсации Рс5 (2.5 - 10 мин), в основном, наблюдаются в высоких и авроральных широтах и типичны для восстановительной фазы суббури. Как правило, возбуждение этих волн в утреннем секторе сопровождается
одновременным развитием магнитосферной суббури в ночном секторе. К настоящему времени общепринято, что классические утренние и дневные Рс5 пульсации в магнитосфере, как и Рс4, представляют собой тороидальные альвеновские резонансные колебания силовых линий геомагнитного поля [1]. Геомагнитные пульсации Рс6 с периодами 10 мин и выше связанны с возбуждением резонансных колебаний силовых линий магнитного поля Земли.
Исследования параметров пульсаций проводятся по данным наземных магнитных наблюдений и непосредственно на высотах ионосферы (спутники, радары). Использование КВ нагревных комплексов и метода ракурсного (или обратного) рассеяния диагностических КВ радиосигналов на мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностях (МИИН) также позволяет исследовать характеристики волновых возмущений в ионосфере [2, 3, 4]. При распространении КВ радиосигналов через искусственно возмущенную область (ИВО) ионосферы, заполненную искусственными магнитно- ориентированными ионосферными неоднородностями, наблюдается эффект ракурсного рассеяния. Движение ионосферных неоднородностей вызывает смещение частоты рассеянного диагностического сигнала. В измерениях доплеровским методом можно определить проекцию скорости движения ионосферных неоднородностей Улк на направление вектора рассеяния Ак = - ко (разность между волновыми векторами падающей, ко, и рассеянной, к&, КВ радиоволн), движущихся в ИВО ионосферы [5]. Проекция скорости движения МИИН на направление вектора разности Ак = ks- ко определяется выражением:
Улк = (6> / Гдиагн) • (с / 2мп (92)), (1)
где - доплеровское смещение частоты,
Гдиагн - частота диагностической радиоволны,
с - скорость света,
9- угол ракурсного рассеяния.
Минимальный поперечный направлению магнитного поля размер рассеивающих МИИН !±, определяется выражением:
1± = X /2мп9, (2)
где Х=Гдиагн/с - длина волны диагностической КВ радиоволны.
Результаты наблюдений
Представлены данные экспериментальных измерений 26 октября 2021 г. в период с 14 до 15 ИТ при модификации ионосферы мощным нагревным стендом ШSCAT/Heating (г.Тромсе, Норвегия). Геомагнитные условия в период наблюдений были спокойными, трехчасовой индекс магнитной активности Кр=1- и солнечная активность характеризовалась числом Вольфа W=81. Значения критических частот ионосферы слоя Б2, №2, по данным наблюдений станцией вертикального зондирования г.Тромсе, постепенно уменьшались от 6 МГц в 14 иТ до 5.5 МГц в 15 ИТ. Нагревной сигнал необыкновенной (х-моды) поляризации на частоте накачки Гн = 5.423 МГц (без модуляции) излучался циклами 5 мин нагрев/5 мин пауза или 2 мин нагрев/2 мин с 14.20 до 15.00 ИТ. В период излучения циклов +2/-2 минуты в каждом цикле изменялась излучаемая мощность нагревного стенда Рэфф= (10 25 50 75 100 100 75 50 25 10)% Ртах~600 MW.
Наблюдения искусственных неоднородностей в ионосфере над Тромсе проводились на четырех диагностических радиотрассах методом ракурсного рассеяния диагностических КВ радиосигналов многоканальным доплеровским комплексом, расположенным вблизи С.-Петербурга на расстоянии 1150 км от Тромсе [6]. Характеристики диагностических КВ радиотрасс приведены в Таблице 1. Карта, поясняющая взаимное расположение диагностических трасс и нагревного комплекса EISCAT/Heating, приведена на рис. 1.
Таблица 1. Характеристики диагностических КВ радиотрасс: названия и географические координаты пунктов передачи, частоты диагностических передатчиков, протяженности диагностических трасс (передатчик - приемник, передатчик - ИВО, передатчик - ИВО - приемник). Указаны также рассчитанные для эксперимента 26 октября 2021г.: углы ракурсного рассеяния 0, минимальные размеры 1± МИИН и азимуты разностных векторов Ак.
Приемник широта, долгота Передатчик широта, долгота ^иагн., МГц 0, град /±, м D, км «Репер -СПб» D, км «Репер -ИВО» D, км «Репер -ИВО- СПб» Азимут Ак, град
Ст. "Горьков ская" (вблизи С.Петербурга) 59.9° с.ш.; 30.3° в.д. Окичоби 27.2° с.ш.; -80.9° з.д. 21.525 0=38 /±=11 8462 7541 8691 35
Душанбе 38.5° с.ш.; 68.8° в.д. 15.515 0=148 /±=18.5 3596 4508 5658 125
Каши 39.4° с.ш.; 75.8° в.д. 15.410 0=138 /±=15 3866 4682 5832 121
Урумчи 43.8° с.ш.; 87.6° в.д. 15.590 0=124 /±=11 4145 4694 5844 119
■80 -40 0 40 80
долгота. Град
Рис.1. Карта - схема геометрии эксперимента 26 октября 2021 г. 1 - трассы прямого распространения КВ сигнала, 2 - трассы ракурсного рассеяния, 3 - наземные
магнитовариационные станции.
Анализ измерений методом ракурсного рассеяния выполнен с использованием данных наземных наблюдений магнитного поля Земли магнитометрами IMAGE сети Скандинавии (станции: Тромсе, аббревиатура - TRO; Анденес, AND; и Килпис'ярви,
KIL; https://space.fmi.fi/image/www/index.php). Отметим, что 25 и 26 октября 2021г. наблюдались возмущения (суббури) в Х- и Y-компонентах магнитного поля Земли: 25 октября около 100 нТ и 26 октября ~ 200 нТ после 20 UT.
Результаты наблюдений
На рис. 2,а показаны динамические доплеровские спектры (сонограмма) КВ радиосигнала диагностической частоты £щагн. =21.525 МГц, измеренные 26 октября 2021г. методом ракурсного рассеяния на трассе Окичоби - Тромсе - С.Петербург. Циклы нагрева и относительный уровень излучаемой мощности стенда EISCAT/Heating, Рэфф, показаны на оси времени. Азимутальное направление вектора разности ракурсно рассеянного сигнала передатчика Окичоби Ако = ks- ко для данных измерений составил 35°.
На сонограмме доплеровские ракурсно- рассеянные сигналы регистрировались на частотах fo, смещенных в положительную сторону доплеровского спектра от прямого сигнала, формировали "треки" с шириной спектрального рассеяния 1.5 - 2.5 Гц и характеризовались волновыми вариациями fo(t) с периодами 5 - 5.5 минут. Периоды колебаний fo были близки одному из периодов колебаний относительных изменений АХ- компоненты магнитного поля Земли: 5 и 10 мин. На рис.2 б приведены одновременные вариации во времени относительных изменений АХ- компоненты магнитного поля Земли, измеренной на магнитовариационных станциях TRO, AND и KIL https://flux.phys.uit.no/ArcMag/, и оцифрованные значения fo диагностического радиосигнала передатчика из Окичоби, по данным измерений доплеровским методом. Вариации fo следуют за изменениями Х- компоненты.
0 J_| I_г—1_i-1_i-1 I I_г-i_I I_I I_I I_I-I
14:20 14 25 14:30 14:35 14 40 14:45 14:50 14 55
Время, UT
Рис.2. Сонограмма диагностического КВ радиосигнала на трассе Окичоби - Тромсе -С. Петербург, ^иагн = 21.525 МГц а); вариации оцифрованных значений íd радиостанции Окичоби и АХ- компоненты магнитного поля Земли станций TRO, AND, KIL б). Циклы нагрева и относительный уровень излучаемой мощности КВ радиоволны отмечены на
оси времени.
На рис.3 а1, а2, а3 приведены сонограммы диагностических КВ радиосигналов, измеренных в этот же период 26 октября 2021г. на диагностических трассах, передатчики которых расположены в регионе Средней Азии (см. табл.1, рис. 1).
Рис.3. Сонограммы диагностических КВ радиосигналов на трассах: Душанбе -Тромсе - С. Петербург, í,™™ =15.515 МГц а1); Каши - Тромсе - С. Петербург, 1диагн =15.410 МГц а2); Урумчи - Тромсе - С. Петербург, 1диагн =15.59 МГц а3); вариации оцифрованных значений íd радиостанции Урумчи и ДВ магнитного поля Земли станции TRO б). Циклы нагрева и относительный уровень излучаемой мощности КВ радиоволны отмечены на
оси времени.
На сонограммах ракурсно- рассеянные сигналы регистрировались на частотах fD, смещенных в отрицательную сторону от «прямого» сигнала ф =0) и формировали "треки" с шириной спектрального рассеяния 2 - 2.5 Гц. Азимуты разностных векторов Ак передатчиков из Азии находились в диапазоне 119-125° и были близки к ортогональным направлениям относительно Ако. По результатам измерений выявлены периоды волновых вариаций fD(t), которые составили: 10-12 мин для диагностического радиосигнала передатчика из Урумчи; 12-14 мин - из Душанбе и 13-15 мин - из Каши. Исследования вариаций во времени У- компоненты магнитного поля выявили
волновые периоды 5 и 10-11 мин, как и в Х- компоненте. На рис.3 б приведены одновременные вариации во времени относительных изменений модуля вектора магнитной индукции поля Земли - ЛВ, измеренного на станции TRO, и оцифрованных значений fD диагностического радиосигнала передатчика из Урумчи. Результаты спектрального анализа вариаций ЛВ определили наличие периодов 5, 8, 14, 21 мин. Наблюдается подобие периодов колебаний fo с периодами ЛВ.
На сонограммах рис.2 и 3 ракурсно - рассеянные сигналы на смещенных частотах fD 26 октября 2021 г. с 14.20 до 15 UT наблюдаются на всех диагностических радиотрассах, как в периоды нагрева, так и в периоды пауз. Данное явление объясняется особенностью характеристик возбуждения и релаксации MHHK при воздействии на ионосферу мощными КВ радиоволнами необыкновенной поляризации [7]. В рассеянии диагностических КВ радиосигналов участвовали MHHK с размерами ¡i от 11 - 18.5 м. В данном эксперименте с изменением мощности Рэфф нагревного стенда EISCAT/Heating MHHK регистрировались на частоте передатчика из Окичобе весь период наблюдения. Для азиатских передатчиков смещенные частоты выявлялись при излучении мощности передатчика Рэфф >=50%Рmax.
Выводы
Результаты экспериментов по нагреву высокоширотной ионосферы стендом EISCAT/Heating (г.Тромсё) показали, что сочетание искусственной возмущенной области ионосферы, возбужденной КВ нагревным стендом, и наблюдений методом ракурсного рассеяния диагностических КВ радиосигналов является успешным методом идентификации и изучения стимулированных и естественных сверхнизкочастотных волн в диапазоне Рс3-5 (30-600с и выше) в высоких широтах.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 22-1700020, https://rscf.ru/project/22-17-00020/.
Литература
1. Клейменова Н.Г. ВА. Троицкая - основатель школы по изучению геомагнитных пульсаций // Физика Земли. 2018. № 5. С. 3-12.
2. Yeoman T.K., Wright D.M., Robinson T.R., Davies J.A., Rietveld M. High spatial and temporal resolution observations of an impulse-driven field line resonance in radar backscatter artificially generated with the Tromso heater. // Ann. Geophysicae. 1997. V. 15. P.634-644.
3. Борисова Т.Д., Благовещенская Н.Ф., Корниенко ВА., Риетвельд M. Определение вектора скорости ионосферных неоднородностей по данным доплеровских измерений в искусственно модифицированной F области полярной ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 2007. Т. 47. №1. С. 76-84.
4. Борисова Т.Д., Благовещенская Н.Ф., Корниенко ВА., Риетвельд MT. Характеристики пульсаций диапазона Рс4-5, полученные методом ракурсного рассеяния КВ радиоволн с использованием КВ нагревного стенда EISCAT/Heating и наземными магнитометрами // Геомагнетизм и аэрономия. 2011. Т. 51. № 5. С. 630-642.
5. Гершман Б. Н., Ерухимов Л. M., Яшин Ю. Я. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. -M.: Наука. 1984. 392с.
6.Калишин A.G, Благовещенская Н.Ф., Борисова Т.Д., Рогов Д.Д. Дистанционные методы диагностики эффектов воздействия высокоширотных нагревных комплексов //Mетеорология и гидрология. 2021. №4. с. 22-36.
7. Благовещенская Н.Ф., Борисова Т.Д., Калишин A.G и др. Характеристики мелкомасштабных ионосферных неоднородностей в высокоширотной F- области ионосферы, вызванных воздействием мощных КВ- радиоволн необыкновенной поляризации. // Геомагнетизм и аэрономия. 2019. Т.59. № 6. С.759-773.
