ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2009, том 49, № 5, с. 683-694
УДК 550.388.2
ОСОБЕННОСТИ ИСКУССТВЕННОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ИОНОСФЕРЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНЫХ КВ РАДИОВОЛН СТЕНДА SPEAR НА СПОРАДИЧЕСКИЙ ^-СЛОЙ ПОЛЯРНОЙ ИОНОСФЕРЫ
© 2009 г. Т. Д. Борисова1, Н. Ф. Благовещенская1, В. А. Корниенко1, А. С. Янжура1, А. С. Калишин1, Т. Р. Робинзон2, Т. К. Йоман2, Л. Дж. Баддели3
Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, г. Санкт-Петербург 2Лейстерский университет, г. Лейстер, Англия 3Европейская Ассоциация EISCAT, г. Тромсе, Норвегия e-mail: borisova@aari.nw.ru Поступила в редакцию 17.09.2008 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований ионосферных эффектов, возникающих при воздействии мощных КВ радиоволн от нагревного комплекса SPEAR на спорадический слой Es полярной ионосферы. Эксперимент проводился 2 марта 2007 г. одновременно в двух пространственно-разнесенных пунктах: в пос. Баренцбург (арх. Шпицберген, на удалении порядка 40 км от комплекса SPEAR) и на обсерватории "Горьковская" вблизи г. С.-Петербург, расположенной на расстоянии около 2000 км от SPEAR. В Баренцбурге выполнялись измерения распределений интенсивности нагревного сигнала в полосе частот 100 кГц. На обсерватории "Горьковская" проводились наблюдения методом ракурсного рассеяния диагностических КВ сигналов на мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностях. По результатам анализа экспериментальных данных, полученных в Баренцбурге, обнаружено возникновение широкополосной "шумопо-добной" компоненты и появление дополнительных максимумов в спектре нагревного сигнала. Интенсивность широкополосного излучения превышала уровень шума в 1.5—3 раза. Дополнительные максимумы формировались как при положительных, так и отрицательных отстройках по частоте относительно частоты нагревного сигнала и наблюдались, когда частота нагрева была меньше критической частоты слоя Es, т.е. мощная КВ радиоволна отражалась от Es. Получено выражение для определения смещения по частоте дополнительного максимума в спектре нагревного сигнала на высотах E-области ионосферы с учетом частоты соударений ионов и электронов. Результаты регистрации спектров нагревного сигнала сопоставлены с данными наблюдений мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностей и результатами траекторного моделирования сигналов, рассеянных на рассматриваемых неоднородностях. Анализ и интерпретация результатов наблюдений выполнялись с учетом магнитных и ионосферных данных, характеризующих фоновую геофизическую обстановку.
PACS: 94.20.Tt+94.20.dg
1. ВВЕДЕНИЕ
Впервые искусственное радиоизлучение ионосферы (ИРИ) было обнаружено экспериментально на КВ нагревном стенде в Тромсе, Норвегия, в
1982 г. [ТЫёе й а1., 1982] при воздействии мощных радиоволн на /-слой ионосферы. Искусственное радиоизлучение ионосферы (ИРИ) возникает в результате различного рода нелинейных взаимодействий электромагнитных волн и высокочастотных плазменных колебаний с низкочастотной плазменной турбулентностью, в образовании и развитии которой определяющую роль играют мелкомасштабные ионосферные неоднородности [Сергеев и др., 1999а, б; Ьеу8ег, 2001; Фролов и др., 1997; 1999; 2005; 2007; Гуревич, 2007]. Спектральные и динамические характеристики отдельных составляющих ИРИ (около 15
наименований) детально исследованы в работах [Leyser, 2001; Фролов и др., 1999; 2007 и цитируемая в них литература] и используются для диагностики свойств плазменных процессов как в искусственно-возмущенной ионосферной плазме, так и в естественной. Среди основных компонентов ИРИ следует отметить:
— главный спектральный максимум излучения, называемый также сдвинутым вниз по частоте максимумом (downshifted maximum, DM);
— широкополосное излучение в области отрицательных отстроек (broad continuum, BC);
— максимум в области положительных отстроек (up-shifted maximum, UM);
— широкополосное излучение в области положительных отстроек (broad up-shifted maximum, BUM), формирующееся при условии близости ча-
стоты волны накачки частоте гирогармоник, и излучение, подобное BUM, в области частот между гирогармониками (broad up-shifted structure, BUS) и т.д.
Наиболее интенсивными и часто наблюдаемыми тепловыми компонентами стационарного спектра ИРИ являются DM- и BC-компоненты, в механизмах генерации которых достигнута определенная ясность. Излучение BC обнаруживается в области отрицательных отстроек от нагревной частоты вплоть до 60—120 кГц. Пик DM излучения проявляется на частоте, сдвинутой вниз на 8—15 кГц от частоты возмущающей волны. Изучение характеристик ИРИ показывает, что генерация DM компонента ИРИ тесно связана с процессами в области верхнегибридного (В Г) резонанса и определяется развитием тепловой параметрической (резонансной) неустойчивости [Васьков и Гуревич, 1975; Грач и др., 1977; Сергеев и др. 1999б; Гуревич, 2007 и цитируемая литература]. Было отмечено возбуждение DM компонента ИРИ при существовании в ионосфере /-рассеяния (/-spread) [Leyser et al., 1990]. Отметим, что во всех вышеприведенных публикациях исследования особенностей поведения ИРИ проводились при воздействии мощных КВ радиоволн на Е-об-ласть ионосферы.
Исследования эффектов модификации спорадического Es-слоя ионосферы мощными КВ радиоволнами выполнялись в существенно меньшем объеме, чем в /-области ионосферы. Сложность модификации Es-слоя мощным КВ радиоизлучением связана в первую очередь с сильной изменчивостью параметров Es-слоя, особенно в аврораль-ной и полярной ионосфере, даже на сравнительно коротких интервалах времени порядка нескольких минут. При искусственном воздействии мощными КВ радиоволнами на Es-слой времена релаксации искусственно созданных возмущений часто оказываются сопоставимыми с временами естественных вариаций параметров слоя Es. Результаты исследований по модификации спорадического Es-слоя в средних широтах свидетельствуют об увеличении критической частоты foEs на ~20% и появлении в нем сильных не-однородностей с масштабами 200—800 м [Шлюгер, 1974; Фролов и др., 2002а]. В высокоширотной ионосфере структура и параметры спорадического Е-слоя в существенной степени отличаются от среднеширотного Es-слоя. Как в авроральной зоне, так и в полярной шапке, часто наблюдается "толстый" Es-слой с явно выраженным групповым запаздыванием на высотно-частотных характеристиках при приближении к предельной частоте foEs. Именно в таких "толстых" Es возбуждались интенсивные мелкомасштабные искусственные ионосферные неоднородности (МИИН) с пространственным масштабом единицы — десятки метров поперек магнитного поля в ночной авро-
ральной ионосфере [Djuth et al., 1985; Blagovesh-chenskaya et al., 1998; 2006; Благовещенская, 2001]. Сведения об ИРИ, возбуждаемым в спорадическом Es-слое, как в высоких, так и средних широтах, отсутствуют.
Целью данной работы является экспериментальное исследование и анализ ионосферных эффектов, возбуждаемых КВ нагревным комплексом SPEAR (арх. Шпицберген) в полярной ионосфере на высотах спорадического Es-слоя, в период проведения эксперимента 2 марта 2007 г. Основное внимание уделяется особенностям поведения распределений интенсивности нагревно-го сигнала в полосе 100 кГц при модификации Es-слоя по данным регистрации в пос. Баренцбург на расстоянии 40 км от SPEAR. Предпринята попытка обнаружить взаимосвязь между параметрами рассматриваемого спектра нагревного сигнала и характеристиками полярного Es-слоя. Результаты регистрации спектров нагревного сигнала сопоставляются с данными наблюдений МИИН методом ракурсного рассеяния в г. С.-Петербурге (на расстоянии 2000 км от SPEAR) и результатами траекторного моделирования сигналов, рассеянных на МИИН. Анализ и интерпретация результатов наблюдений выполнялись с учетом магнитных и ионосферных данных, характеризующих фоновую геофизическую обстановку.
2. НАБЛЮДЕНИЯ
2 марта 2007 г. проводился эксперимент с использованием КВ нагревного комплекса SPEAR (Space Plasma Exploration by Active Radar), расположенного вблизи г. Лонгиера на архипелаге Шпицберген (географические координаты 75.15°N., 16.05°E, магнитное наклонение I = 82°) [Robinson et al., 2006]. В период эксперимента эффективная мощность излучения SPEAR составляла 15 MW. Нагрев полярной ионосферы проводился на частоте f = 4450 кГц циклами 4 мин нагрев/4 мин пауза, начиная с 19 : 12 UT Ширина диаграммы направленности антенны комплекса SPEAR имела значения около 16°. В период эксперимента диаграмма направленности была наклонена на 8° к югу, обеспечивая излучения мощной КВ радиоволны вдоль магнитного поля Земли (в магнитный зенит).
Характерной особенностью эксперимента 2 марта 2007 г. являлось проведение наблюдений в период с 19:00 до 20:00 UT в двух пространственно-разнесенных пунктах: в пос. Баренцбург на арх. Шпицберген и на обсерватории Арктического и антарктического научно-исследовательского института "Горьковская", расположенной вблизи г. С.-Петербург.
В пос. Баренцбург (на расстоянии порядка 40 км от комплекса SPEAR) была развернута при-
емная антенна и измерительная аппаратура на базе радиоприемного устройства ICOM IR-R75. С помощью радиоприемного устройства ICOM IR-R75 осуществлялись измерения интенсивности нагрев-ного сигнала при положительных (+50 кГц) и отрицательных (—50 кГц) отстройках от частоты излучения комплекса SPEAR на частоте f = 4450 кГц. Измерения проводились на 1000 фиксированных частотах с шагом по частоте 100 Гц, что обеспечивало получение распределения интенсивности нагревного сигнала в полосе 100 кГц. Время получения одного распределения (спектра) составляло 20 с.
На обсерватории "Горьковская", расположенной вблизи г. С.-Петербург (географические координаты 60.5°N, 29.5°E) и удаленной на расстояние 2000 км от комплекса SPEAR, осуществлялся прием диагностических сигналов, рассеянных на МИИН, методом ракурсного рассеяния. Наблюдения выполнялись на трассе Лондон — SPEAR — С.-Петербург на частоте 12095 кГц. Измерения проводились с помощью многоканального приемного КВ доплеровского комплекса [Благовещенская, 2001]. Геометрия эксперимента показана на рис. 1.
Магнитные условия в период эксперимента б
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.