Современный нагревный стенд для исследования ионосферы средних широт

Современный нагревный стенд для исследования ионосферы средних широт

Автор: Васильев Р.В., Сетов А.Г., Фролов В.Л., Ратовский К.Г., Белецкий А.Б., Ойнац А.В., Ясюкевич Ю.В., Медведев А.В.

Журнал: Солнечно-земная физика @solnechno-zemnaya-fizika

Статья в выпуске: 2 т.6, 2020 года.

Бесплатный доступ

Создание новых устройств для проведения исследований в области физики верхней атмосферы и околоземного космического пространства, на которых можно проводить контролируемые эксперименты по модификации ионосферы мощным коротковолновым излучением, является актуальной задачей сегодняшнего дня в области солнечно-земной физики, прогнозирования космической погоды, эксплуатации спутниковых группировок в околоземном космическом пространстве, радиосвязи и радиолокации. В работе описывается современный нагревный стенд, разрабатываемый в рамках Национального гелиогеофизического комплекса Российской академии наук, приводится обзор задач, которые можно решать с его помощью, обсуждаются его основные технические характеристики, и дается описание окружающей стенд наблюдательной инфраструктуры. В работе обосновывается перспективность создания в средних широтах Восточной Сибири нагревного стенда, который может излучать в частотном диапазоне 2.5-6.0 МГц с эффективной мощностью порядка нескольких сотен мегаватт. Важно, что стенд будет находиться в окружении многофункциональных инструментов, таких как современный радар некогерентного рассеяния, мезосферный и стратосферный лидар, а также набора современных оптических и радиофизических наблюдательных систем, которые могут обеспечить широкие возможности диагностики искусственных плазменных возмущений и искусственных образований оптического свечения верхней атмосферы.

Еще

Радиофизика, ионосфера, нагревный стенд, солнечно-земная физика, космическая погода

Короткий адрес: https://sciup.org/142224299

IDR: 142224299   |   DOI: 10.12737/szf-62202005

Список литературы Современный нагревный стенд для исследования ионосферы средних широт

  • Акчурин А.Д., Юсупов К.М., Шерстюков О.Н., Ильдиряков В.Р. Выделение быстротекущих и мелкомасштабных неоднородностей на одноминутных ионограммах ионозонда "Циклон" // Гелиогеофизические исследования. 2013. № 4. С. 101-110.
  • Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: ГУ НЦ РВЧ ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480 с.
  • Беликович В.В., Бенедиктов Е.А., Толмачева А.В., Бахметьева Н.В. Исследование ионосферы с помощью искусственных периодических неоднородностей. Н. Новгород: ИПФ РАН, 1999. 156 с.
  • Беляев П.П., Котик Д.С., Митяков С.H. и др. Генерация сигналов комбинационных частот в ионосфере // Изв. вузов. Радиофизика. 1987. Т. 30, № 2. С. 248-286.
  • Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967. 683 c.
  • Грач С.М. О кинетических эффектах в F-области ионосферы, возмущенной мощными радиоволнами // Изв. вузов. Радиофизика. 1999. Т. 42, № 7. С. 651-669.
  • Грач С.М., Сергеев Е.Н., Шиндин А.В. и др. Искусственные ионосферные слои при частотах волны накачки в области 4-й электронной гирогармоники на стенде HAARP // Доклады Академии наук. 2014. Т. 454, № 5. С. 526-530.
  • Грач С.М., Сергеев Е.Н., Мишин Е.В. и др. Динамические характеристики плазменной турбулентности ионосферы, инициированной воздействием мощного коротковолнового радиоизлучения // УФН. 2016. T. 186, № 11. С. 1189-1228.
  • DOI: 10.3367/UFNr.2016.07.037868
  • Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере // УФН. 2007. Т. 177, № 11. С. 1145-1177. 10.3367/UFNr.0177. 200711a.1145.
  • DOI: 10.3367/UFNr.0177.200711a.1145
  • Ерухимов Л.М., Генкин Л.Г. Ионосфера как космическая плазменная лаборатория (обзор) // Изв. вузов. Радиофизика. 1992. Т. 35, № 11-12. С. 863-888.
  • Изв. вузов. Радиофизика. 1999. Т. 42, № 7-8. С. 599-826. (Спец. вып.).
  • Изв. вузов. Радиофизика. 2005. Т. 48, № 9. С. 719-822. (Спец. вып.).
  • Изв. вузов. Радиофизика. 2008. Т. 51, № 11. С. 915-1003. (Спец. вып.).
  • Изв. вузов. Радиофизика. 2012. Т. 55, № 1-2. С. 1-140. (Спец. вып.).
  • Куркин В.И., Ларюнин О.А., Подлесный А.В. Анализ квазиволновых возмущений ионосферы с помощью амплитудных карт по данным ЛЧМ-ионозонда ИСЗФ СО РАН // XXIV Всероссийская научная конференция "Распространение радиоволн (РРВ-24)": Труды конференции. Иркутск, 2014. С. 214-215.
  • Ларюнин О.А., Куркин В.И. Восстановление параметров ионосферных возмущений по динамике серпообразных особенностей на ионограммах // Солнечно-земная физика. 2011. Вып. 19. С. 107-115.
  • Ларюнин О.А., Куркин В.И., Подлесный А.В. Использование данных двух близко расположенных ионозондов при диагностике перемещающихся ионосферных возмущений // Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. Т. 19, № 1. С. 10-17.
  • Михайлов С.Я. Многозначность восстановления профилей плазменной частоты по заданной ВЧХ и их различимость для наклонного распространения коротких радиоволн в изотропной ионосфере // Изв. вузов. Радиофизика. 2000. Т. XLII, № 10. С. 855-872.
  • Ойнац А.В., Куркин В.И., Нишитани Н., Сайто А. Определение параметров перемещающихся ионосферных возмущений по данным радаров SuperDARN // Электромагнитные волны и электронные системы. 2013. Т. 18, № 8. С. 30-39.
  • Подлесный А.В., Брынько И.Г., Куркин В.И. и др. Многофункциональный ЛЧМ-ионозонд для мониторинга ионосферы // Гелиогеофизические исследования. 2013. № 4. С. 24-31.
  • Потехин А.П., Сетов А.Г., Лебедев В.П. и др. Перспективный радар НР-МСТ: потенциал и диагности-ческие возможности // Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2, № 3. С. 3-16.
  • DOI: 10.12737/19444
  • Фролов В.Л. Искусственная турбулентность среднеширотной ионосферы. Н. Новгород: Изд-во Национального исследовательского Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 2017. 468 c.
  • Фролов В.Л., Рапопорт В.О., Шорохова Е.А. и др. Характеристики электромагнитных и плазменных возмущений, индуцируемых на высотах внешней ионосферы Земли при модификации F2-области мощным КВ-радиоизлучением стенда СУРА // Изв. вузов. Радиофизика. 2016. Т. 59, № 3. С. 198-222.
  • Фролов В.Л., Акчурин А.Д., Болотин И.А. и др. Высыпания энергичных электронов из радиационного пояса Земли, стимулированные модификацией среднеширотной ионосферы мощными КВ-радиоволнами // Изв. вузов. Радиофизика. 2019. Т. 62, № 9.
  • Черногор Л.Ф., Гармаш К.П., Фролов В.Л. Крупномасштабные возмущения в нижней и средней ионосфере, сопровождавшие воздействие на ионосферу радиоизлучением стенда СУРА // Изв. вузов. Радиофизика. 2019. Т. 62, № 6. С. 440-459.
  • Шлюгер И.С. Самомодуляция мощного электромагнитного импульса, отраженного от верхних слоев ионосферы // Письма в ЖЭТФ. 1974. Т. 19, вып. 5. С. 247-251.
  • Ясюкевич Ю.В., Веснин А.М., Перевалова Н.П. Сибирская сеть приемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем SibNet: текущее состояние // Солнечно-земная физика. 2018. Т. 4, № 4. С. 82-94.
  • DOI: 10.12737/szf-44201809
  • Andreeva E.S., Frolov V.L., Kunitsyn V.E., et al. Radiotomography and HF ray tracing of the artificially disturbed ionosphere above the Sura heating facility // Radio Sci. 2016. V. 51, iss. 6. P. 638-644.
  • DOI: 10.1002/2015RS005939
  • Balanis C.A. Antenna Theory. Analysis and Design. 3rd Edition. John Wiley & Sons, Inc. Publ., 2005. 1099 p.
  • Bernhardt P.A., Wong М, Huba J.D., et al. Optical remote sensing of the thermoshere with HF pumped artificial airglow // J. Geophys. Res. 2000. V. 105, N A5. P. 10657-10671.
  • Biondi A.A., Sipler D.P., Hake R.D. Jr. Optical (λ=6300) detection of radio frequency heating of electrons in the F-region // J. Geophys. Res. 1970. V. 75, N 31. P. 6421.
  • Erukhimov L.M., Metelev S.A., Myasnikov E.N., et al. Artificial ionospheric turbulence (a review) // Radiophys. Quantum Electronics. 1987. V. 30, N 2. P. 208-225.
  • Grach S.M., Men'kova Yu.E., Stubbe P. On the penetration of upper hybrid waves into a plasma depletion // Adv. Space Res. 2004. V. 34, iss. 11. P. 2428-2432.
  • Gurevich A.V. Nonlinear phenomena in the ionosphere. New York: Springer Publ., 1978. 372 p.
  • Gurevich A.V., Dimant Ya.S., Milikh G.M., Vaskov V.V. Multiple acceleration of electrons in the regions of high-power radio-wave reflection in the ionosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 1985. V. 47, N 11. P. 1057-1070.
  • Gustavsson B., Sergienko T., Rietveld M.T., et al. First tomographic estimate of volume distribution of HF-pump enhanced airglow emission // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2001. V. 106, N A12. P. 29105-29124.
  • Gustavsson B., Kosch M., Wong A., et al. First estimates of volume distribution of HF-pump enhancedemissions at 6300 and 5577 Å: a comparison between observationsand theory // Ann. Geophys. 2008. V. 26, N 12. P. 3999-4012.
  • Haines D.M., Reinisch B.W. Digisonde Portable Sounder System Manual // University of Massachusetts Lowell Center for Atmospheric Research. 1995. 45 p.
  • Haslett J.C., Megill L.R. A model of the enhanced airglow excited by RF radiation // Radio Sci. 1974. V. 9, N 11. P. 1005.
  • J. Atmos. Terr. Phys. 1982. V. 44, N 12. P. 1005-1171. (Special Iss.).
  • J. Atmos. Terr. Phys. 1985. V. 47, N 12. P. 1149-1333. (Special Iss.).
  • J. Atmos. Terr. Phys. 1997. V. 59, N 18. P. 2251-2488. (Special Iss.).
  • J. Geophys. Res. 1970. V. 75, N 31. P. 5961-6452. (Special Iss.).
  • Kosch M.J., Rietveld M. T., Kavanagh A. J., et al. High-latitude pump-induced optical emissions for frequencies close to the third electron gyro-harmonic // Geophys. Res. Lett. 2002. V. 29, iss. 23. CiteID 2112.
  • DOI: 10.1029/2002GL015744
  • Kosch M.J., Pedersen T., Mishin E., et al. Coordinated optical and radar observations of ionospheric pumping for a frequency pass through the second electron gyroharmonic at HAARP // J. Geophys. Res. 2007. V. 112, A12317. 10.1029/ 2006JA015854.
  • DOI: 10.1029/2006JA015854
  • Kunitsyn V.E., Padokhin A.M., Vasiliev A.E., et al. Study of GNSS-measured ionospheric total electron content variations generated by powerful HF-heating // Adv. Space Res. 2011. V. 47, N 10. P. 1743-1749.
  • DOI: 10.1016/j.asr.2010.03.031
  • Kunitsyn V.E., Andreeva E.S., Frolov V.L., et al. Sounding of HF heating-induced artificial ionospheric disturbances by navigational satellite radio transmissions // Radio Sci. 2012. V. 47, RS0L15.
  • DOI: 10.1029/2011RS004957
  • Kunitsyn V., Kurbatov G., Yasyukevich Yu., Padokhin A. Investigation of SBAS L1/L5 signals and their application to the ionospheric TEC studies // Geoscience and Remote Sensing Lett. 2015. V. 12, N 3. P. 547-551. 10.1109/LGRS. 2014.2350037.
  • DOI: 10.1109/LGRS.2014.2350037
  • Leyser T.B. Stimulated electromagnetic emissions by high-frequency electromagnetic pumping of the ionospheric plasma // Space Sci. Rev. 2001. V. 98, N 3-4. P. 223-328. :1013875603938.
  • DOI: 10.1023/A
  • Lukianova R., Frolov V., Ryabov A. First SWARM observations of the artificial ionospheric plasma disturbances and field-aligned currents induced by the SURA power HF heating // Geophys. Res. Lett. 2019. (accepted for publication, Paper #2019GL085833R).
  • DOI: 10.1029/2019GL085833
  • Medvedev A.V., Potekhin A.P. Irkutsk Incoherent Scatter Radar: history, present and future // History of Geo- and Space Sci. 2019. V. 10, iss. 2. P. 215-224.
  • DOI: 10.5194/hgss-10-215-2019
  • Mishin E., Sutton E., Milikh G., et al. F2-region atmospheric gravity waves due to high-power HF heating and subauroral polarization streams // Geophys. Res. Lett. 2012. V. 39, L11101.
  • DOI: 10.1029/2012GL052004
  • Mishin E., Wotkins B., Lehtinen N., et al. Artificial ionospheric layers driven by high-frequency radio waves: An assessment // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. V. 121, iss. 4. Р. 3497-3524.
  • DOI: 10.1002/2015JA021823
  • Oinats A.V., Nishitani N., Ponomarenko P., Ratovsky K.G. Diurnal and seasonal behavior of the Hokkaido East SuperDARN ground backscatter: simulation and observation // Earth, Planets and Space. 2016. V. 68. Article id. 18.
  • DOI: 10.1186/s40623-015-0378-9
  • Pedersen T., Gustavsson B., Mishin E., et al. Optical ring formation and ionization production in high-power HF heating experiments at HAARP // Geophys. Res. Lett. 2009. V. 36, iss. 18, L18107.
  • DOI: 10.1029/2009GL040047
  • Pedersen T.R., Holmes J.M., Gustavsson B., Mills T.J. Optical imaging of artificial ionospheric plasmas // IEEE Trans. Plasma Sci. 2011а. V. 39, N 11. P. 2704-2705.
  • Pedersen T., McCarrick M., Reinisch B., Watkins B., Hamel R., Paznukhov V. Production of artificial ionospheric layers by frequency sweeping near the 2nd gyroharmonic // Ann. Geophys. 2011b. V. 29. P. 47-51.
  • DOI: 10.5194/angeo-29-47-2011
  • Perkins F.W., Oberman C., Valeo E.J. Parametric instabilities and ionospheric modification // J. Geophys. Res. 1974. V. 79, N A10. P. 1478-1496.
  • Reinisch B.W., Huang X. Automatic calculation of electron density profiles from digital ionograms: 3. Processing of bottom side ionograms // Radio Sci. 1983. V. 18, N 3. P. 477-492.
  • Sergeev E., Grach S., Shindin A., et al. Artificial ionospheric layers during pump frequency stepping near the 4th gyroharmonic at HAARP // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 110, iss. 6-8, 065002.
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.065002
  • Sharp E. A triangular arrangement of planar-array elements that reduces the number needed // IRE Transactions on Antennas and Propagation. 1961. V. 9, N 2. P. 126-129.
  • DOI: 10.1109/TAP.1961.1144967
  • Shindin A.V., Klimenko V.V., Kogogin D.A., et al. Spatial characteristics of the 630-nm artificial ionospheric airglow generation region during the Sura facility pumping // Radiophysics and Quantum Electronics. 2018. V. 60, N 11. P. 849-865.
  • DOI: 10.1007/s11141-018-9852-0
  • Shiokawa K., Otsuka Y., Oyama S., et al. Development of low-cost sky-scanning Fabry-Perot interferometers for airglow and auroral studies // Earth, Planets and Space. 2012. V. 64, iss. 11. P. 1033-1046.
  • DOI: 10.5047/eps.2012.05.004
  • Streltsov A.V., Berthelier J.J., Chernyshov A.A., et al. Past, present and future of active radio frequency experiments in space // Space Sci. Rev. 2018. V. 214, N 118. 10.1007/ s11214-018-0549-7.
  • DOI: 10.1007/s11214-018-0549-7
  • Stubbe P. Review of ionospheric modification experiments at Tromsø // J. Atmos. Terr. Phys. 1996. V. 58, N 1-4. P. 349-368.
  • DOI: 10.1016/0021-9169(95)00041-0
  • Stubbe P., Hagfors T. The Earth's ionosphere: A wall-less plasma laboratory // Surveys in Geophysics. 1997. V. 18, N 1. P. 57-127. :10065831.
  • DOI: 10.1023/A
  • Stubbe P., Kopka H., Dowden R.L. Generation of ELF and VLF waves by polar electrojet modulation: Experimental results // J. Geophys. Res. 1981. V. 86, N A11. P. 9073-9078.
  • Vartanyan A., Milikh G.M., Mishin E., et al. Artificial ducts caused by HF heating of the ionosphere by HAARP // J. Geophys. Res. 2012. V. 117, A10307. 10.1029/ 2012JA017563.
  • DOI: 10.1029/2012JA017563
  • Vas'kov V.V., Gurevich A.V., Dimant Ya.S. MUltiple acceleration of electrons in plasma resonance // Journal of Experimental and Theoretical Physics. 1983. V. 57, N 2. P. 310.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp