Параметры крупномасштабных тепловых возмущений околоземной плазмы при реализации перспективных уровней мощности среднеширотного нагревного стенда «Сура»

Создание и развитие установок для исследований в области физики околоземной плазмы является крайне актуальной задачей. Интерес к данному направлению обусловлен как разнообразными практическими приложениями, включающими активную диагностику и мониторинг состояния околоземного пространства, задачи телекоммуникаций и радиолокации, так и необходимостью решения фундаментальной задачи построения полной физической картины развивающихся явлений в неоднородной магнитоактивной плазме [1; 2].

В настоящее время коротковолновый нагревный стенд «Сура» [3] (56,15° N, 46,11° E) является единственной в мире действующей среднеширотной исследовательской установкой по активному воздействию на околоземную плазму. Расположение стенда в средних широтах позволяет обеспечить высокую воспроизводимость и достоверность получаемых результатов, т. к. экваториальная и

высокоширотная области ионосферы Земли значительно сильнее подвержены разнообразным геофизическим возмущениям [4; 5].

Действующий нагревный стенд «Сура» включает в себя три коротковолновых передатчика ПКВ-250 с непрерывной мощностью излучения 250 кВт каждый ( P _o sura = 750 кВт), нагруженных на фазированную антенную решетку, состоящую из 144 горизонтальных скрещенных широкополосных вибраторов. Максимальная эффективная излучаемая мощность стенда P_{ERP SURA} в диапазоне частот 4,3–9,5 МГц составляет 80–280 МВт соответственно.

В последнее время на нагревном стенде HAARP был получен ряд новых эффектов [6; 7], обусловленных в значительной мере более высокой мощностью излучения передатчиков стенда ( P _o haarp = = 3,6 МВт, P_{ERP HAARP} = 400–3000 МВт).

Таким образом, планка научных достижений, реализованных на установке HAARP, стимулирует

работы по оценке возможностей модернизации и других существующих исследовательских установок, в том числе нагревного стенда «Сура».

В работе [8] на основе анализа существующей инфраструктуры и имеющихся научно-технологических возможностей определены облик и практически реализуемые технические характеристики нагревного стенда «Сура».

Одним из наиболее значимых эффектов воздействия мощного КВ-радиоизлучения на околоземную плазму является формирование вытянутых вдоль геомагнитного поля крупномасштабных искусственных плазменно-волновых структур (дактов плотности), оказывающих существенное влияние на распространение низкочастотных радиоволн.

Целью настоящей работы является проведение численного моделирования и анализ достижимых параметров таких крупномасштабных возмущений околоземной плазмы при проведении модернизации установки и реализации перспективных уровней мощности излучения стенда «Сура».

Для проведения анализа целесообразно выбрать характерный день, соответствующий спокойным геомагнитным условиям. В качестве этого дня был определен сеанс 13 марта 2023 г., характеризуемый очень низким значением суммарного планетарного индекса геомагнитной возмущенности S K p = 4. При этом отдельно рассмотрены эффекты воздействия в дневных условиях (09:00 UT соответствует 12:00 LT) и условиях, соответствующих поздним вечерним часам (18:00 UT, 21:00 LT).

1.    Расчетная ионосферная модель

Несмотря значительное разнообразие численных моделей ионосферы Земли, практически все исследования по моделированию эффектов ее нагрева мощным КВ-радиоизлучением [9-12], проводимые в последние два десятилетия, базировались на двухмерной модели SAMI2 [13], обладающей открытым исходным программным кодом и позволяющей описывать динамику околоземной плазмы в области всей возмущенной геомагнитной силовой трубки.

Данная двухмерная ионосферная модель SAMI2, дополненная модифицированной моделью источника нагрева [14], использующей непосредственный расчет коэффициента аномального поглощения для приближения холодной плазмы при гауссовом спектре вытянутых неоднородностей, использована и в настоящей работе.

Для сеанса 13.03.2023 значения основных параметров моделирования, определяющих состояние ионосферы, составляют: планетарный магнитный индекс A p = 2, индекс солнечной активности F ₁₀ 7 = 100. Параметры расчетной сетки, описывающие, соответственно, количество ячеек вдоль геомагнитного поля n_z и число силовых линий n f , составляют ( n z , n f ) = (801, 402), что позволяет обеспечить компромисс между вычислительными возможностями и достигаемым пространственным разрешением.

Моделирование источника нагрева проводилось для мелкомасштабных неоднородностей гауссовой формы с величиной возмущения концентрации 5 N m = 0,025 Nuhr , характерным масштабом a = 0,2 м и значением расстояния между неоднородностями г ₀ = 6 a = 1,2 м. Данные параметры неоднородностей обеспечивают аномальное поглощение мощной радиоволны накачки за счет локального возбуждения необыкновенной Z-моды и коротковолновых плазменных колебаний [15].

В качестве характеристик воздействующего КВ-радиоизлучения в модели выступают: мощность передатчиков нагревного стенда ( Р _о), частота излучения ( f 0 ) и угловой поперечный размер области нагрева ( Л0 ), время нагрева.

При проведении моделирования нагревный стенд «Сура» включался на 20 мин в 09:00 UT для дневных условий и в 18:00 UT для условий, соответствующих поздним вечерним часам. Это значение времени нагрева в соответствии с [16; 17] является достаточным для развития искусственной ионосферной турбулентности не только в области аномального поглощения волны накачки, но и на высотах внешней ионосферы Земли.

Численное моделирование запускалось на 26 часов. Для уменьшения влияния инициализации дополнительный источник нагрева в уравнении теплопроводности для электронов «включался» через 22 часа по отношению к началу моделирования.

• 2.    Результаты численного моделирования крупномасштабных тепловых возмущений околоземной плазмы в дневных условиях

Следует отметить, что ранее при действующих характеристиках нагревного стенда «Сура» для дневных сеансов крупномасштабные плазменноволновые возмущения на высотах внешней ионосферы Земли не регистрировались.

Рис. 1. Широтные профили распределений плотности ( а и в ) и температуры электронов ( б и г) на h = 700 км для следующих моментов времени: 09:00:00 UT (1), 09:10:00 UT (2), 09:20:00 UT (3) и 09:30:00 UT (4)

Fig. 1. Latitudinal profiles of density ( a and c ) and electron temperature ( b and d ) distributions at h = 700 km for the following time points: 09:00:00 UT (1), 09:10:00 UT (2), 09:20:00 UT (3) and 09:30:00 UT (4)

Для 13.03.2023 и момента времени 09:00 UT критическая частота F 2 -области ионосферы f o f 2 = —

• = 12 МГц, поэтому воздействие целесообразно проводить на максимальной рабочей частоте стенда f ^ = 9,5 МГц.

Для действующих параметров стенда мощность излучения передатчиков на данной частоте Ро = = 750 кВт, а размер области нагрева на высоте отражения волны накачки 240 км составляет ДО = = 0,12°.

После проведения модернизации ожидается, что мощность излучения передатчиков на частоте 9,5 МГц будет составлять Р о r_r = 2400 кВт, а ДО = _ p

= 0,1°.

На рис. 1 и 2 представлены полученные при моделировании распределения плотности N_e и температуры T_e электронов для различных моментов времени (кривая (1) – непосредственно перед включением источника нагрева 09:00:00 UT, кривая (2) – 09:10:00 UT, кривая (3) – выключения нагрева 09:20:00 UT, кривая (4) – спустя 10 мин после выключения источника нагрева 09:30:00 UT) во внешней ионосфере Земли на высотах 700 и 1500 км. В левом столбце рис. 1 и 2, а и б представлены результаты моделирования для действующих параметров нагрева, а в правом столбце

( в и г ) – для параметров после проведения модернизации стенда.

В дневных условиях критическая частота F2-области ионосферы значительно превышает частоту воздействующего КВ-радиоизлучения, что приводит к тому, что нагрев осуществляется на существенно меньших высотах, чем максимум F2-области, и «пробоя» ионосферы в результате воздействия не наблюдается.

Во внешней ионосфере Земли возмущения плотности и температуры электронов реализуются в виде локализованной структуры (дакта) с повышенными относительно фонового уровня значениями N_e и T_e .

В соответствии с представленными на рис. 1 и 2 данными, видно, что уровень возмущений как для действующих параметров стенда, так и после проведения модернизации является достаточно малым.

Максимальные значения за время нагрева относительных возмущений плотности

8N „ = N ~  , JN 1

e_max e _ max_ duct   e_bg и температуры электронов

^ T e _max = T e _max_ duct/ ^T e _ bg

(N        , T         – максимальные значе- e_max_duct,e_max_duct ния плотности и температуры электронов в воз-

Рис. 2. Широтные профили распределений плотности ( а и в ) и температуры электронов ( б и г ) на h = 1500 км для тех же моментов времени, что и на рис. 1

Fig. 2. Latitudinal profiles of density ( a and c ) and electron temperature ( b and d ) distributions at h = 1500 km for the same time points as in Fig. 1

мущенной области, а N_{e _ bg} , T_{e _ max_ bg} – их фоновые значения) для высоты 700 км составляют для действующих параметров стенда (см. рис. 1): ⁸ N e _max_700 = ^1,2 %, а ⁸ T e _max_700 = ^1,7 %^. Характерный поперечный размер дакта плотности плазмы на высоте 700 км – порядка 70 км. Столь малые значения возмущений при действующих характеристиках нагревного стенда «Сура» и обусловили тот факт, что они терялись в уровне шумовых сигналов.

После реализации перспективных уровней мощности нагревного стенда «Сура» значения относительных возмущений плотности и температуры электронов составят: 8N e _max 700 pr = 2,3 %, а 8T e _{max 700 pr} = 3 %. Данные параметры возмущений, вероятно, будет уже возможно зарегистрировать при проведении непосредственных in situ измерений с помощью высокочувствительной аппаратуры искусственных спутников Земли (для утренних сеансов воздействия мощного КВ-радио-излучения нагревного стенда «Сура» экспериментально зарегистрированы с использованием спутников серии DMSP относительные возмущения плотности плазмы величиной ~ 3 % [16]).

При увеличении значения высоты во внешней ионосфере Земли возмущения продолжают наблюдаться в виде такого же локализованного дакта. Для высоты h = 1500 км (см. рис. 2) значения максимальных относительных возмущений плотности и температуры электронов составляют: 8Ne_max_ 1500 = 0,6 % и 8Te_max_ 1500 = 0,6 %, а после проведения модернизации: 8 Ne _max_ 1500 _ pr = = 1,5 % и 8 Te _max_ 1500 _ pr = 1,8 %. Характерный поперечный размер дакта несколько увеличивается, достигая на высоте 1500 км величины 80–90 км.

Приведенные на рис. 1 и 2 (кривые 4) результаты моделирования показывают, что возмущения температуры T_e успевают релаксировать после прекращения нагрева за время порядка 10 мин, в свою очередь, с возмущениями плотности электронов этого не происходит (время релаксации возмущений N_e составляет более 30 мин).

3. Результаты численного моделирования крупномасштабных тепловых возмущений околоземной плазмы в ночных условиях

Поздние вечерние (ночные) часы являются оптимальным временем суток для формирования искусственных дактов плотности плазмы [16].

Для момента времени 18:00 UT 13.03.2023 критическая частота F₂-области ионосферы составляет f o f 2 = 5,9 МГц. В целях обеспечения нагрева в —

Рис. 3. Широтные профили распределений плотности ( а и в) и температуры электронов ( б и г ) на h = 700 км для следующих моментов времени: 18:00:00 UT (1), 18:10:00 UT (2), 18:20:00 UT (3) и 18:30:00 UT (4)

Fig. 3. Latitudinal profiles of density ( a and c ) and electron temperature ( b and d ) distributions at h = 700 km for the following time points: 18:00:00 UT (1), 18:10:00 UT (2), 18:20:00 UT (3) and 18:30:00 UT (4)

отсутствии пробоя ионосферы воздействие целесообразно проводить на нижней рабочей частоте стенда f ^ = 4,3 МГц.

Для действующих параметров стенда размер области нагрева на высоте отражения волны накачки 260 км составляет Л0 = 0,27°, а после проведения модернизации при увеличении мощности излучения передатчиков с 700 кВт до P 0 pr = = 2400 кВт характерный поперечный размер зоны воздействия Л0 = 0,23°.

На рис. 3 и 4 представлены полученные при моделировании распределения плотности N_e и температуры T_e электронов для различных моментов времени (кривая (1) – непосредственно перед включением источника нагрева 18:00:00 UT, кривая (2) – 18:10:00 UT, кривая (3) – выключения нагрева 18:20:00 UT, кривая (4) – спустя 10 мин после выключения источника нагрева 18:30:00 UT) во внешней ионосфере Земли на высотах 700 и 1500 км. В левом столбце рис. 3 и 4, а и б представлены результаты моделирования для действующих параметров нагрева, а в правом столбце ( в и г ) – для параметров после проведения модернизации стенда, аналогично как и для рис. 1 и 2.

В соответствии с представленными на рис. 3 и 4 данными видно, что уровень возмущений как для действующих параметров стенда, так и после проведения модернизации значительно вырос по сравнению с дневными часами.

Для высоты 700 км возмущения плотности и температуры электронов наблюдаются в течение всего времени нагрева в виде локализованной структуры (дакта) с повышенными относительно фонового уровня значениями N_e и T_e . Максимальные значения за время воздействия (для T = = 18:20:00 UT) относительных возмущений плотности и температуры электронов на высоте 700 км составляют для действующих параметров стенда (см. рис. 3): 8 N e _max_ 700 = ¹⁹ % и 8 T e _max_ 700 = ²⁷ %. Характерный поперечный размер дакта плотности плазмы на высоте 700 км также возрос по сравнению с дневными часами (видимо, из-за увеличения размера источника нагрева в F₂-области ионосферы) и составляет порядка 130 км.

После реализации перспективных уровней мощности излучения стенда «Сура» расчетные значения возмущений для той же высоты и момента времени составят: 8N e max ₇₀₀ pr = 23 % и 8T_{e max 700} pr = 55 %, а ширина дакта 140 км. Таким образом, модернизация нагревного стенда приводит к двукратному возрастанию возмущений температуры электронов в области искусственного дакта плотности на данной высоте. В то же время увеличение уровня относительных

Рис. 4. Широтные профили распределений плотности ( а и в ) и температуры электронов ( б и г) на h = 1500 км для тех же моментов времени, что и на рис. 3

Fig. 4. Latitudinal profiles of density ( a and c ) and electron temperature ( b and d ) distributions at h = 1500 km for the same time points as in Fig. 3

возмущений плотности электронов не столь значительное и составляет не более 20 % относительно действующих характеристик стенда.

Для больших значений высот во внешней ионосфере Земли возмущения плотности плазмы продолжают наблюдаться в виде локализованного дакта, однако со структурой, изменяющейся в течение времени нагрева и носящей более сложный характер.

В верхней части внешней ионосферы на высоте 1500 км в первой фазе нагрева (длительностью порядка 10 мин) за счет вытеснения плазмы из области аномального поглощения волны накачки в F2-области ионосферы возмущения плотности Ne наблюдаются в виде дакта с повышенными относительно фонового уровня значениями. Максимальные значения относительных возмущений плотности и температуры электронов составляют для действующих параметров стенда: 8Ne_max_ 1500 = 3 % и 5Te_max_ 1500 = 4 %, а после проведения модернизации: 8Ne max 1500 pr = 5 % __  _ и 8 Te _max_ 1500 _ pr = 9 %.

Далее, вероятно, из-за того, что на данных высотах основной вклад в плотность плазмы вносят ионы H+ и He+, вытеснение этих ионов из возмущенной области за счет возрастания температуры электронов уже не компенсируется более тяжелы- ми компонентами O+ и NO+, приходящими с более низких высот ионосферы. В результате это приводит к формированию на данных высотах области с пониженной плотностью плазмы. К моменту окончания нагрева для T = 18:20:00 UT величина относительного уровня понижения плотности электронов составляет для действующих параметров стенда 8Ne max 1500 2 = -4 %, а после ^^н            ^^н             ^^в проведения модернизации 8 Ne _max_ 1500 _ pr _ 2 = = -11 %. При этом в возмущенной области наблюдается рост температуры электронов, достигающий 6 % для действующих и 15 % для перспективных параметров нагревного стенда «Сура».

Локализованные в области данной силовой трубки геомагнитного поля возмущения плотности и температуры плазмы распространяются далее и на большие высоты в ионосфере и магнитосфере Земли, формируя таким образом крупномасштабную плазменно-волновую неоднородную структуру, существенным образом влияющую на трансионосферное прохождение низкочастотных волн, возбуждаемых наземными (передатчиками) или атмосферными (грозами) источниками [18; 19].

Заключение

По результатам численного моделирования исследованы параметры крупномасштабных тепло- вых возмущений околоземной плазмы, индуцируемых мощным коротковолновым радиоизлучением нагревного стенда «Сура» в околоземной плазме при проведении его модернизации и реализации перспективных уровней мощности. С целью проведения сравнительного анализа моделирование выполнено также и для действующих характеристик стенда.

Численное моделирование тепловых возмущений проводилось с помощью двухмерной ионосферной модели SAMI2, дополненной модифицированной моделью источника нагрева.

Рассмотрены эффекты воздействия как в дневные часы, так и в условиях, соответствующих позднему вечернему времени.

Для дневных условий показано, что увеличение мощности передатчиков нагревного стенда «Сура» более чем в 3 раза влечет практически двукратное возрастание возмущений плотности и температуры электронов в области искусственного дакта на высотах внешней ионосферы Земли. Однако данные параметры возмущений, вероятно, будет уже возможно зарегистрировать при проведении непосредственных in situ измерений с помощью высокочувствительной аппаратуры искусственных спутников.

Моделирование для условий позднего вечернего времени показало, что осуществление модернизации нагревного стенда приводит также к двукратному возрастанию возмущений температуры электронов. При этом увеличение уровня относительных возмущений плотности электронов не столь значительное и составляет не более 20 % относительно действующих характеристик стенда.

Финансирование

Работа выполнена в рамках научной программы Национального центра физики и математики (направление «Ядерная и радиационная физика», этап 2023–2025).