ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 6, с. 851-857
УДК 537.862
МОДУЛЯЦИЯ ВИСТЛЕРОВ
© 2014 г. В. П. Сивоконь, В. В. Богданов, Г. И. Дружин, Н. В. Чернева, А. В. Кубышкин, Д. В. Санников, И. В. Агранат
Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, п. Паратунка,
(Камчатский край) e-mail: vsivokon@mail.ru Поступила в редакцию 04.03.2013 г. После доработки 07.06.2014 г.
Анализ экспериментальных данных, полученных на обс. Паратунка (53.02° N, 158.65° E; L = 2.3), выявил необычную форму вистлеров, в которой присутствуют симметричные, относительно вис-тлера, спектральные линии. Показано, что такая форма, вероятнее всего, обусловлена амплитудной модуляцией вистлеров электромагнитными импульсами длительностью около 1 с и частотой заполнения «1.1 кГц. Высказано предположение, что излучателем таких импульсов может быть аврораль-ный электроджет, модифицированный нагревным излучением стенда HAARP (62.30° N, 145.30° W; L = 4.2).
DOI: 10.7868/S0016794014060182
1. ВВЕДЕНИЕ
Источниками свистящих атмосфериков, в зарубежной литературе именуемых вистлерами (whistlers), являются грозовые разряды, а их специфическая форма обусловлена прохождением через диспергирующую среду. Изучение вистле-ров, их источников и путей распространения началось более полувека назад [Storey, 1953; Гер-шман и Угаров, 1960]. Когда было установлено, что большая часть их траектории проходит через магнитосферу, возник интерес к параметрам вис-тлеров, как источника информации о свойствах плазмы в магнитосфере [Storey, 1953; Helliwell and Carpenter, 1961; Carpenter, 1962; Barrington and Berlose, 1963; Park and Carpenter, 1976; Капустина идр., 1981; Carpenter, 2012]. Стандартная форма вистлера наблюдаемая на Камчатке, представлена, на рис. 1а. Для нее характерна одна спектральная линия, изменяющаяся со временем по частоте.
Нелинейное взаимодействие электромагнитных волн ОНЧ с магнитосферной плазмой описывается в ряде работ, например, [Будько и др., 1971; Лихтер и др., 1971], В первой работе показано, что на L = 2.5 нелинейное взаимодействие электромагнитных волн свистового диапазона возможно в том случае, когда длительность излучаемого сигнала в несколько раз больше 0.1 с. Во второй публикации описывается эффект периодической модуляции квазишумового спектра маг-нитосферного сигнала от наземного передатчика, обнаруженный в экспериментах по зондированию магнитосферы Земли мощными низкочастотными импульсами с несущей частотой 15 кГц. Нелинейные явления наблюдались и в рамках программы
HAARP ^ et 2009]. В публикации
приводятся результаты экспериментов по генерации электромагнитного излучения свистового диапазона путем воздействия на авроральный электроджет нагревной волной с частотой 3.25 МГц. На-гревная волна модулируется в течение нескольких секунд частотами 930, 1110, 1590 Гц и пилообразным изменением частоты со скоростью 500 Гц/с. Записи этих сигналов в диапазоне до 6 кГц на удалении 37 км от места проведения экспериментов (Chistochina) зафиксировали их взаимодействие с вистлерами, проявившееся в виде кроссмодуляции.
Нелинейное взаимодействие вистлеров и аль-веновских волн описывается в работе [Sharma et г1., 2010]. Использование спутниковых измерений позволило экспериментально установить модуляцию в магнитосфере вистлеров кинетическими альвеновскими волнами. Следовательно, есть основания предположить, что возможна модуляция вистлеров и на других частотах, от альвеновских волн до звуковых частот. В этом случае немаловажным параметром возмущающей волны является ее частота, поскольку при модуляции важно соотношение несущая/модулирующая частоты, первая должна быть выше второй.
В настоящей работе на основе анализа нестандартной формы вистлера высказано предположение, что причиной проявления нелинейных эффектов в вистлерах, может быть модификация авро-рального электроджета мощным электромагнитным излучением декаметрового диапазона, обусловленного работой комплекса HAARP.
а б
00:02:50 00:02:51 00:02:51 00:04:23 00:04:24 00:04:25
Мировое время
Рис. 1. Форма стандартного (а) и нестандартного (б) вистлеров.
2. АНАЛИЗ ПРЕДПОСЫЛОК ИССЛЕДУЕМОГО ЯВЛЕНИЯ
Если рассматривать вистлер как носитель информации о возможных нелинейных процессах, в нашем случае модуляции, то частота этого носителя должна быть выше модулирующей частоты. В противном случае, вистлер будет выступать в качестве модулирующего сигнала, а не несущего. Следовательно, для того, чтобы вистлер оказался промодулированным возмущающей волной, ее частота должна быть меньше верхней частоты спектра вистлера (см. рис. 1а). Наблюдаемые на Камчатке вистлеры не имеют носовой частоты и их спектр, который может быть однозначно идентифицирован и обработан, ограничен полосой 10 кГц. Более того, на частотах 3 кГц и выше, вследствие большой скорости изменения частоты вистлера проблематично выделить процессы, связанные с модуляцией, следовательно, оптимальной является модулирующая частота менее 3 кГц. Это условие существенно ограничивает число возможных источников возмущающей волны. Передатчики ВМФ России и ВМС США, используемые в экспериментах по исследованиям эффектов в магнитосфере [Лихтер и др., 1971; Копытенко и др., 1977; Graf et al., 2011], в данном случае непригодны, поскольку применяемые частоты 15—22 кГц значи-
тельно выше 3 кГц. По частотному диапазону наиболее приемлемыми являются низкочастотные излучения, генерируемые в рамках программы HAARP, которые используются в экспериментах по регулируемому сбросу энергичных частиц из радиационных поясов Земли. В таких экспериментах низкочастотное излучение, закачиваемое в магнитосферу, изменяет питч-угол энергичных частиц радиационных поясов, обеспечивая их попадание в конус потерь, и, как результат, к высыпанию в ионосферу. В работе [Streltsov et al., 2009] приводятся результаты численного моделирование оптимального выбора частотного диапазона волн, инжектируемых в магнитосферу. Поскольку энергичные частицы в радиационных поясах имеют разные массы и скорости, то есть отличающиеся энергетические характеристики, и инжек-ция в магнитосферу монохромного электромагнитного излучения не решит проблему сброса энергичных частиц из радиационных поясов Земли. На основе этого делается вывод о том, что в подобных экспериментах целесообразно ступенчатое изменение частоты с шагом 100 Гц в диапазоне 1—3 кГц, что вполне соответствует условиям наших экспериментальных исследований.
Источником информации о времени и частоте нагревной волны является сайт HAARP [http:// www.haarp.alaska.edu/data/spectrum2/www/hf.html].
0
14
Время, сек
Рис. 2. Спектрограмма электромагнитного излучения на частоте «9.6 МГц 21 июля 2011 года 00:04 ЦТ.
Для определения принадлежности электромагнитного излучения к нагревным экспериментам используется подход, описанный в работе [Сиво-конь, 2009]. В работе отмечается, что для повышения эффективности воздействия, частота на-гревной волны, как правило, выбирается кратной гиромагнитной частоте. Так как при нагреве используются большие мощности, то на фоне гиромагнитного резонанса имеют место нелинейные эффекты в ионосфере, что приводит к генерации гармоник нагревной волны значительной амплитуды. Поскольку частоты гармоник значительно больше частоты нагревной волны, это позволяет уверенно фиксировать их на большом удалении от места проведения экспериментов. Наблюдения в декаметровом диапазоне длин волн проводятся с использованием аппаратурного комплекса [Сиво-конь и др., 2004], созданного для исследования селективного поляризационного возбуждения характеристических волн в ионосфере [Сивоконь и Дружин, 2006]. В состав комплекса входят четыре радиоприемных устройства декаметрового диапазона, подключенные к антеннам эллиптической поляризации, что позволяет определить направление на источник излучения. Комплекс установлен в пос. Паратунка. На нем 21 июля 2011 г. в 00:04 ЦТ на частоте ~9.6 МГц было зафиксировано электромагнитное излучение, спектрограмма которого показана на рис. 2. Из спектрограммы следует, что в зарегистрированном излучении имеется ступенчатое изменение частоты, которое при воздействии на электроджет, вероятно, может трансформироваться в ОНЧ излучение. Однако вистлеры регистрируются на Камчатке (X = 2.3), а низкочастотное электромагнитное излучение формируется на Аляске (X = 4.2), поэтому, возникает необходимость обосновать возможность его распространения не только по силовой линии формирования, но и по другим траекториям. Такая возможность обусловлена несколькими причинами:
1). Параметрами электроджета как излучателя. В основе формирования электромагнитного излучения в ионосфере лежит эффект Гетманцева, заключающийся в воздействии мощной электромагнитной волны декаметрового диапазона, модулированной низкой частотой, на электроджет. Этот же подход, но существенно усовершенствованный [Go Ikowski et al., 2008], используется и в экспериментах HAARP. Если электроджет представить в виде антенны, то исходя из ее параметров (отношения высоты подвеса и ее длины к длине волны электромагнитного излучения), расчет показывает, что электромагнитная энергия излучается преимущественно в магнитосферу, а излучатель имеет широкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Следовательно, имеется возможность просачивания низкочастотного электромагнитного излучения и на другие силовые оболочки Земли.
2). Рефракцией в магнитосфере. За счет неодно-родностей в распределении концентрации частиц, степень которой усиливается при магнито-сферных возмущениях, в магнитосфере формируются условия, которые приводят к изменению коэффициента рефракции и вариации волнового вектора. Теоретически такой механизм был рассмотрен в работе [Kimura, 1966] и получил дальнейшее развитие в работах [Inan and Bell, 1977; Watt et al., 2012]. Модель траектории свистового электромагнитного излучения в магнитосфере представлена на сайте [http://nova.stanford.edu/ vlf/research_topics/raytracing/raytracing.mp4].
Следовательно, в зависимости от сложившихся геофизических условий и частоты формируемого в активных экспериментах электромагнитного и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.