УДК 551.510.5;550.388.2;550.3+551.5/:629.78
АВРОРАЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ, ВЫЗВАННАЯ МОЩНЫМ РАДИОИЗЛУЧЕНИЕМ СТЕНДА "СУРА"
© 2013 г. Ю. Я. Ружин1, В. Д. Кузнецов1, Ю. А. Пластинин2, Г. Ф. Карабаджак2,
В. Л. Фролов3, М. Парро4
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН),
г. Троицк (Московская обл.) 2ФГУП "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИМАШ), г. Королёв (Московская обл.) 3 ФГБНУ Научно-исследовательский радиофизический институт, г. Н. Новгород
4 LPCE/CNRS, Франция е-mail: ruzhin@izmiran.ru Поступила в редакцию 30.05.2012 г.
Серия экспериментов по модификации ионосферы радионагревом в КВ диапазоне, проведенных на базе стенда "СУРА" совместно с оптическими измерениями на борту международной космической станции (МКС), показали эффективность таких воздействий на ионосферу при рабочей частоте стенда выше критической плазменной (для основного слоя F2 ионосферы). Эксперименты сопровождались поддержкой измерений средствами наземных обсерваторий, МКС, спутников Demeter и GPS. В работе приводятся результаты анализа всего комплекса данных. Проведены расчеты лучевого КВ радиотрассирования для эксперимента 02 октября 2007 г. и показано, что за счет рефракции на градиенте критических частот слоя F2 пучком стенда засвечивалась ионосфера (эффекты перераспределения и перефокусировки лучей) к северу от стенда вплоть до широт 60—62° N. В итоге получено, что результаты анализа наземных и спутниковых измерений (как в окрестности нагревного стенда, так и в магнитносопряженной области) свидетельствуют о возможности тригге-рирования суббури в экспериментах с нагревным стендом "СУРА".
DOI: 10.7868/S0016794013010173
1. ВВЕДЕНИЕ
До настоящего времени большой интерес вызывают исследования возможностей модификации процессов в ионосферно-магнитосферой цепи с помощью мощного радиоизлучения нагрев-ных стендов [Гуревич, 2007; Беликович и др., 2007], расположенных на земной поверхности. В частности, в эксперименте, выполненном на стенде ЕКСАТ (Сев. Норвегия, Тромсё) [В1а§оуе8ксИет5кауа й а1., 2000], была продемонстрирована возможность триггерирования суббуревой активности за счет модификации ионосферно-магнитосферного взаимодействия вследствие контролируемой инжек-ции мощных радиоволн в ночную авроральную ионосферу. Отметим, что стенд ЕКСАТ находится в авроральных широтах, где высокий уровень различного рода геомагнитных и плазменных возмущений является обычным явлением, что определяет особенности проведения здесь нагревных экспериментов.
В нашей работе мы представляем результаты измерений, полученные в нагревных экспериментах на базе среднеширотного стенда "СУРА"
[Беликович и др., 2007] при рабочей частоте коротковолнового (КВ) облучения ионосферы вы-
ше критической плазменной (для основного слоя F2 ионосферы), и приводим доказательства возможности модификации ионосферно-магнито-сферной связи при нагреве ионосферы мощным КВ излучением стенда "СУРА" и, как следствие этого, — локальной интенсификации аврораль-ной активности. Эксперименты сопровождались поддержкой измерений средствами наземных обсерваторий, международной космической станции (МКС), спутников ИСЗ Demeter и GPS. Необходимо отметить, что из числа всех проведенных по программе СУРА — МКС экспериментов (в 2007—2010 гг.) с нагревом ионосферы только в двух из них зарегистрированы подобные возмущения в магнитном поле Земли, которые можно интерпретировать как признак суббурь, стимулированных работой стенда.
2. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Эксперименты выполнялись в ночное время. Для радионагрева ионосферы с помощью стенда "СУРА" использовалось КВ радиоизлучение обыкновенной поляризации, как правило, на частоте
64 и
60
св Н
О &56
52
48
38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 Долгота
Рис. 1. Слева — план эксперимента 02.10.2007 г. (в географических координатах); справа — яркое локальное свечение, зарегистрированное средствами МКС в этом же эксперименте. Пунктиром показано поле зрения бортовой видеокамеры.
4.3 МГц. Луч излучающей антенны стенда был ориентирован под углом 12° от вертикали на юг в плоскости геомагнитного меридиана (для стенда восточное магнитное склонение составляет 11°) приблизительно вдоль направления геомагнитного поля Земли. Особенностью этих экспериментов являлось то, что для всех выполненных экспериментов критическая частота foF2 ионосферного слоя F2 была всегда меньше рабочей частоты мощной радиоволны (реализовывались условия нагрева "на просвет"), и мощным излучением стенда засвечивался весь объем ионосферы в пределах диаграммы направленности. Волна накачки (ВН) излучалась в режиме 1 мин — излучение, 1 мин — пауза. Во время экспериментов регистрировались ионограммы ионозондом DPS-4 (Москва, ИЗМИ-РАН) и ионозондом "Базис-М", расположенным на территории самого стенда. Геометрия экспериментов приведена на рис. 1 (левая панель).
Всего во время экспериментов СУРА—МКС в течение 2007—2010 гг. было проведено более 12-ти сеансов измерений. В таблице приведены основные параметры излучения мощной радиоволны и характеристики состояния ионосферы для двух рассматриваемых здесь сеансов измерений, в которых было зарегистрировано появление возмущений геомагнитного поля с суббуревыми признаками.
3. АНАЛИЗ КОМПЛЕКСА ДАННЫХ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
3.1. Оптические и магнитные измерения
В первую очередь приведем результаты оптических наблюдений с борта МКС и последствий воздействия на ночную ионосферную плазму мощного радиоизлучения стенда "СУРА" во время первого эксперимента 2 октября 2007 г. (18:40—
Основные параметры и условия проведения экспериментов
Время нагрева. Режим излучения ВН. Частота, эфф. мощность излучения и поляризация ВН. Диаграмма направленности. Критическая частота foF2 Ионосферные условия
Сеанс 1. 02.10.2007 г. Сеанс 2. 25.10.2010 г. 18:40-19:00 UT, ±1 мин 18:55-19:15 UT, ±1 мин 4300 кГц, 10 МВт (работал один модуль стенда). О-мода. 12°х36° (вытянута в N-8 направлении). 4785 кГц, 100 МВт (работало три модуля стенда когерентно). О-мода. 10°х10°. 3.9 МГц 2.5 МГц /2-8ргеаё, более 4 ч (до эксперимента и после). F2-spread, (в развитии).
32
22
12
2
0 20 40 60
12 6 0 -6 -12 -18 -24
25.10.2010 к
с К \\
б ; м V
а у 1
| 1 (18:15—20:15 иТ) 1 1 1
80
100 120
0
20
40
60
80
100
120
Рис. 2. Вариации магнитного поля Земли во время 2-х суббурь, которые предположительно вызваны работой стенда "СУРА" (по данным ст. ИЗМИРАН в Карпогорах для сеанса 1 — слева и сеанса 2 — справа). Затемненные прямоугольники показывают время сеансов нагрева.
19:00 иТ). С борта МКС ТВ-камерой оптического диапазона получено более тысячи изображений яркого локального свечения (см., например, рис. 1, правая панель), появившегося в поле зрения камеры при пролете в окрестности стенда во время эксперимента. Компактное пятно свечения появилось к северо-востоку от стенда "СУРА" (на расстоянии минимум в 100—200 км, см. рис. 1 слева — серые прямоугольники) и перемещалось на восток в плоскости изображения со скоростью ~5 км/с. Яркость аврорального свечения достигала десятков килорэлей. Предполагалось, что в экспериментах "на просвет" в результате взаимодействия мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой появляются нагретые электроны в гораздо большем поперечном сечении магнитной силовой трубки, опирающейся на область нагрева, чем при классическом нагреве, где этот размер ограничен диаграммой направленности антенны стенда и узким слоем по высоте (в области отражения волны нагрева). Оценки показывают [Карабаджак и др., 2009], что свечение такой яркости не может быть прямым результатом нагрева из-за низкой эффективной мощности нагрева (см. таблицу). Аномальным является и положение его на расстоянии минимум в 100— 200 км к северу от оси КВ пучка, излучаемого стендом "СУРА".
Отметим дальше, что все активные космические эксперименты 2007—2010 гг. проводились на фоне глубокого минимума солнечной активности и при спокойном состоянии магнитосферно-ионосферной системы. Планетарный индекс магнитной активности не превышал 3. В таких условиях в первом эксперименте (таблица, сеанс 1) были зарегистрированы локальные аномалии в вариациях геомагнитного поля (данные сети станций ИЗМИРАН, в частности, обс. Карпого-ры), которые могут быть связаны с нагревом
ионосферы стендом "СУРА" [Кшпе180У е! а1., 2008, Ружин и др., 2009а]. Они характеризуются тем, что сразу после включения стенда наблюдались возмущения в магнитном поле Земли (см. рис. 2, левая панель), которые характерны для суббуревой активности [Ружин и др., 2009]. Судя по амплитуде (в сравнении с данными глобальной сети "INTERMAGNET", включая также станции магнитно-сопряженного региона), возмущения были локализованы в пределах зоны "СУРА"— Карпогоры.
Событие, зарегистрированное во время на-гревного эксперимента 25 октября 2010 г. (таблица, сеанс 2, см. рис. 2, правая панель), по всем признакам также можно классифицировать как микросуббурю длительностью 1—1.5 ч. Обращает на себя внимание (см. рис. 2) такая особенность, как практически подобное повторение для обоих случаев характерных вариаций горизонтальной компоненты геомагнитного поля (см. моменты: а, б и в): сброс после 1-го импульса нагрева, всплеск в районе 5—6-го импульсов волны накачки, затем положительная бухта, максимум которой заканчивается по окончании сеанса нагрева, и затем — основная бухта амплитудой ~30 нТл. Отметим также, что кроме подобия вариаций по форме, наблюдается практически одинаковая длительность обоих событий (немногим больше 60 мин).
Последующий анализ магнитограмм обс. Кар-погоры не обнаружил подобной комбинации геомагнитных вариаций в течение нескольких лет наблюдений. Это является дополнительным аргументом в пользу искусственного происхождения микросуббурь, развитие которых было зарегистрировано в сеансах 1 и 2 во время активных экспериментов на базе стенда "СУРА".
Demeter
ISL Electron density (Ne) 10000 W
О 1000
4433 о- 3450 * 2468 H 1485 502
10000 i 1000 g 100 « 10 Z 1.0 0.1
Date(y/m/d):2007/10/02
65 60 55
50 -
45
<g>
Карпогоры
UT 18:45:30 Lat
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.