Явления, инициированные модификацией ионосферы мощными КВ-радиоволнами на различных широтах

Несмотря на значительный прогресс в исследованиях модификации ионосферы мощными КВ-радиоволнами, ряд важных аспектов остается невыясненным. Прежде всего, это вопросы, связанные с особенностями модификации высокоширотной ионосферы и свойствами мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностей (МИИН) в полярной и авроральной ионосфере. Важным аспектом является также изучение влияния процессов, протекающих в магнитосферно-ионосферной системе, на генерацию, поведение и релаксацию МИИН. Вопросы, связанные с развитием вторичной ионосферной турбулентности и переносом возмущений в магнитной силовой трубке (например, из магнитосопряженной к нагревному комплексу ионосферы), остаются невыясненными.

Целью данной работы является комплексное экспериментальное исследование и анализ особенностей поведения МИИН в высоких и средних широтах. Модификация ионосферы в период экспериментов осуществлялась с помощью КВ нагревных комплексов «SPEAR» (78.2 ° N, 15.82 ° E, L =16.4, магнитное наклонение I = 82.4 ° ), «EISCAT/Heating» (69.6° N, 19.2° E, L =6.2, I =78°) и «Сура» (56.13 ° N, 46.1 ° E, L =2.8, I = 72 ° ), расположенных в полярной шапке, авроральной зоне и средних широтах соответственно.

Наблюдения выполнялись методом ракурсного рассеяния диагностических КВ-сигналов на МИИН на сети радиотрасс с общим пунктом приема, расположенным на обсерватории ААНИИ «Горьковская» вблизи Санкт-Петербурга (60.5º N, 30.5º E, L = 3.4, I =73º). Этот метод известен в зарубежной литературе как метод бистатических радарных наблюдений. Расстояние от приемного пункта до КВ нагревных комплексов SPEAR, EISCAT/Heating и «Сура» составляло 2000, 1200 и 1000 км соответственно. В качестве диагностических передатчиков использовались радиовещательные станции, излучающие вблизи Лондона, Пори (Финляндия), Москвы и Краснодара. Наблюдения выполнялись на фиксированных частотах, лежащих в диапазоне от 11 до 18 МГц, что соответствует минимальным поперечным к магнитному полю масштабам МИИН l _± , ответственных за ракурсное рассеяние, порядка l ± = 8=14 м. Отметим, что удачное географическое расположение обсерватории «Горьковская» обеспечивает выполнение геометрии ракурсного рассеяния для КВ нагревных стендов SPEAR, EISCAT/Heating и «Сура».

На рис. 1 приведена карта-схема, показывающая геометрию ракурсного рассеяния и расположение КВ нагревных стендов.

Рис . 1. Карта , показывающая геометрию ракурсного рассеяния и расположение КВ нагревных стендов . Тонки ми линиями показаны трассы « прямого » распространения радиосигналов от передатчиков к приемнику вдоль дуги большого круга . Толстыми линиями нанесены трассы распространения диагностических радиосигналов от пе редатчиков к приемнику при ракурсном рассеянии на МИИН .

В ряде экспериментов наблюдения методом ракурсного рассеяния сопровождались измерениями параметров ионосферной плазмы с помощью радара некогерентного рассеяния EISCAT (на частоте 931 МГц) в Тромсе (Норвегия), а также наблюдениями с использованием системы радаров CUT LASS (The Collaborative UK Twin Located Auroral Sounding System) в Ханкасалми, Финляндия (63º N, 27º E) и Рейкьявике (64º N, 21º W), работавших в диапазоне 11–13 МГц. Для анализа и интерпретации результатов наблюдений было выполнено моделирование траекторий распространения диагностических КВ-сигналов при ракурсном рассеянии на МИИН, а также модельные расчеты зависимостей доплеровских смещений частот рассеянных сигналов от величины и направления движения неоднородностей в искусственно возмущенной области ионосферы.

Рассмотрим результаты экспериментов 2005– 2007 гг. с использованием недавно построенного комплекса SPEAR. Эксперименты выполнялись в зимний и летний сезоны, в различные часы суток при разной магнитной возмущенности. Состояние ионосферы в месте расположения комплекса SPEAR контролировалось с помощью станции вертикального зондирования ионосферы (ВЗ). Мощная волна O-моды поляризации излучалась на частоте 4450 кГц циклами 2 мин нагрев / 2 мин пауза и 4 мин нагрев / 4 мин пауза. Эффективная мощность излучения составляла Рэфф = 30 МВт. Диаграмма направленности антенны была наклонена на 8° к югу от вертикали, что обеспечивало излучение мощной КВ -радиоволны в магнитный зенит (МЗ). Отметим, что в направлении магнитного зенита возникают наиболее сильные возмущения ионосферной плазмы – так называемый эффект магнитного зенита [1–3]. Результаты измерений свидетельствуют о возбуждении МИИН в полярной ионосфере, которые регистрировались методом ракурсного рассеяния на обсерватории «Горьковская», удаленной от комплекса SPEAR на расстояние порядка 2000 км. Сигналы, рассеянные на МИИН, характеризовались интенсивным спектральным рассеянием в полосе частот до 15–20 Гц, что превышало ширину спектров диагностических сигналов, рассеянных на МИИН , создаваемых КВ нагревными комплексами EISCAT/Heating и «Сура». В период экспериментов 24 и 25 февраля 2007 г. одновременно с наблюдениями методом ракурсного рассеяния производились наблюдения МИИН с помощью радаров CUTLASS. Анализ данных наблюдений показал, что искусственные неоднородности в F-области ионосферы были зарегистрированы как методом ракурсного рассеяния, так и радарами CUTLASS. Интересно отметить, что в отличие от среднеширотной ионосферы в высоких широтах возможно возбуждение МИИН не только в F-области ионосферы, но и в «толстом» спорадическом Es-слое.

На рис . 2 в качестве примера приведены динамические доплеровские спектры диагностических КВ-сигналов на трассе Пори–SPEAR–Санкт-Петербург 9 декабря 2005 г. с 14:56 до 15:39 UT на частоте 11755 кГц, когда мощная КВ-радиоволна отражалась от Es. Интенсивные широкополосные ракурснорассеянные на МИИН сигналы регистрировались в периоды излучения стенда SPEAR в положительной и отрицательной областях доплеровского спектра относительно нулевой доплеровской частоты, соответствующей распространению сигнала из Пори в Санкт-Петербург по дуге большого круга («прямой» сигнал).

Характерной особенностью, обнаруженной в экспериментах с использованием высокоширотных КВ нагревных комплексов, явилось возбуждение МИИН при нагреве на частотах f H , превышающих критическую частоту слоя F2 (или Es) на величину до 0.5 МГц. Результаты экспериментов ААНИИ по регистрации искусственного радиоизлучения ионосферы (ИРИ), выполненных на арх. Шпицберген в марте 2007 г., также свидетельствуют о возможности генерации ИРИ в полярной ионосфере при f H > f 0 F2. В эксперименте на нагревном комплексе HAARP, расположенном недалеко от Гаконы (Аляска), было обнаружено , что искусственное свечение в ионосфере не исчезает, когда f 0 F2 падает ниже частоты нагрева [4]. Следовательно, необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования явлений в ионосферной плазме, происходящих при нагреве ионосферы на частотах, превышающих критическую частоту.

В этой связи целесообразно рассмотреть результаты комплексного эксперимента, выполненного 13 октября 2006 г. на нагревном комплексе EIS CAT/Heating в Тромсе. В период эксперимента мощная волна O-моды поляризации излучалась на частоте 4040 кГц циклами 2 мин нагрев / 2 мин пауза в магнитный зенит с 15 UT. Эффективная мощность

9 декабря 2005 Пори - SPEAR - С.Петербург f =11755 кГц

Доплеровская частота, Гц

Рис . 2. Динамические доплеровские спектры диагно стических КВ сигналов на частоте 11755 кГц на трассе Пори –SPEAR– С . Петербург 9 декабря 2005 г . с 14.56 до 15.39 UT. Распространение сигнала из Пори в С . Петер бург по дуге большого круга соответствует нулевой доп леровской частоте . Времена излучения комплекса SPEAR отмечены на оси времени квадратными скобками .

излучения составляла Р эфф = 190 МВт. По данным ра курсного рассеяния на трассе Лондон–Тромсе– Санкт-Петербург и CUTLASS радара в Ханкасалми с 15 UT в четырех последовательных циклах нагрева регистрировались интенсивные сигналы, рассеянные на МИИН. В этот период по данным ионозонда в Тромсе критические частоты слоя F2 падали с 4.0 до 3.6 МГц. После 15:16 UT, когда f 0 F2 стали ниже 3.5 МГц, мелкомасштабные искусственные ионосферные неоднородности не возбуждались, и рассеянные на них сигналы не регистрировались.

На рис . 3 представлены вариации параметров ионосферной плазмы (электронной концентрации N _e, температуры ионов и электронов T i и T e и отношения T e / T i ) на высоте около 230 км по данным измерений в магнитном зените с помощью EISCAT радара некогерентного рассеяния радиоволн в Тромсе 13 октября 2006 г. с 14:58 до 15:22 UT. Из рис. 3 видно, что возбуждение МИИН в первых четырех циклах нагрева сопровождалось существенным возрастанием электронной температуры T e . При этом в первых трех циклах наблюдалось также повышение электронной плотности на 20–25 %, что является абсолютно неожиданным, поскольку нагрев электронов в верхнегибридном резонансе, ответственном за возбуждение МИИН, приводит к понижению N e . В работе [5] теоретически предсказана возможность генерации потока сверхтепловых электронов при воздействии мощных КВ-радиоволн на ионосферную плазму, способных вызвать увеличение N e . Поэтому наблюдаемое в эксперименте повышение N e может являться подтверждением такой возможности.

Интересные результаты были получены в экспериментах, выполненных на стенде «Сура», в период с 4

Рис . 3. Вариации параметров ионосферной плазмы ( элек тронной концентрации N _e, температуры ионов и электронов T _i и T _e и отношения T _e/ T _i) на высоте около 230 км по данным измерений в магнитном зените с помощью EISCAT радара некогерентного рассеяния радиоволн в Тромсе 13 октября 2006 г . с 14:58 до 15:22 UT. Времена излучения нагревного комплекса EISCAT/HEATING отмечены на оси времени заштрихованными прямоугольниками .

по 8 сентября 2006 г. в вечерние часы . Мощная волна O-моды поляризации излучалась на частоте 4300 кГц циклами 10 мин нагрев / 5 мин пауза. В некоторых 10-минутных циклах излучения использовалась модуляция ± 30 с. Диаграмма направленности антенны была наклонена на 12 ° к югу от вертикали. Эффективная мощность излучения составляла Р эфф = 40 МВт. В этих экспериментах была обнаружена экстремально большая длительность стадии релаксации МИИН (порядка 5 мин) в вечерние часы, когда ионосфера над стендом «Сура» еще освещена солнцем, а через ионосферу в магнитосопряженной точке проходил терминатор. Сделано предположение, что процессы на терминаторе в существенной степени ответственны за развитие вторичной турбулентности над стендом «Сура», поддерживающим МИИН. Установлено существенное уширение доплеровских спектров рассеянных сигналов, когда «Сура» еще располагается в освещенной ионосфере , в то время как магнитосопряженная ионосфера оказывается на теневой стороне терминатора. Предполагается, что в этих условиях происходит «убегание» фотоэлектронов с дневной стороны на ночную, что приводит к снижению порогов возбуждения МИИН и возрастанию их интенсивности.

На рис . 4 приведены динамические доплеровские спектры диагностических КВ-сигналов на трассе Арма-вир–Сура–Санкт-Петербург на частоте f = 15660 кГц, а также сигналов нагревного стенда «Сура» на частоте f = 4300 кГц, принятых в Санкт-Петербурге 7 сентября 2006 г. с 14:59 до 15:48 UT. Рассеянные сигналы регистрировались в периоды излучения стенда «Сура» в отрицательной части доплеровского спектра. Результаты расчетов времени прохождения терминатора показали, что ионосфера над стендом «Сура» в анализируемый интервал времени (с 15 до 16 UT) была освещена солнцем . В то же самое время на высотах ионосферы в магнитосопряженной точке проходил терми-

Рис . 4. Динамические доплеровские спектры диагно стических КВ - сигналов на трассе Армавир – Сура – Санкт - Петербург на частоте f = 15660 кГц , а также сигналов на - гревного стенда « Сура » на частоте f = 4300 кГц , принятых в Санкт - Петербурге 7 сентября 2006 г . с 14:59 до 15:48 UT. Распространение сигнала из Армавира в Санкт - Петербург по дуге большого круга соответствует нулевой доплеров ской частоте .

натор. После 15:30 UT ионосфера в магнитосопряженной области оказывалась на теневой стороне терминатора.

Результаты выполненных исследований позволили обнаружить следующие особенности поведения МИИН: 1) генерация МИИН в спорадическом Еs-слое в полярной и авроральной ионосфере; 2) возбуждение МИИН, сопровождаемое возрастанием температуры электронов на 2000 K и повышением электронной плотности на 20–25 % при нагреве на частотах, превышающих критическую частоту; 3) экстремально большие (до 5 мин) времена релаксации МИИН в средних широтах в вечерние часы, когда ионосфера над стендом «Сура» освещена cолнцем, а через ионосферу в магнитосопряженной точке проходит терминатор; 4) снижение порогов возбуждения МИИН в среднеширотной ионосфере, когда ионосфера над нагревным стендом находится в освещенной зоне , а магнитосопряженная ионосфера оказывается на теневой стороне терминатора.