научная статья по теме ПОДАВЛЕНИЕ АВРОРАЛЬНОГО КИЛОМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВЧ НАГРЕВНЫМ СТЕНДОМ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ПОДАВЛЕНИЕ АВРОРАЛЬНОГО КИЛОМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВЧ НАГРЕВНЫМ СТЕНДОМ»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 1, с. 71-74

УДК 533.9

ПОДАВЛЕНИЕ АВРОРАЛЬНОГО КИЛОМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВЧ

НАГРЕВНЫМ СТЕНДОМ © 2014 г. М. М. Могилевский, Д. В. Чугунин, И. Л. Моисеенко, Т. В. Романцова

Институт космических исследований РАН, г. Москва mogilevsky@romance.iki.rssi.ru Поступила в редакцию 05.04.2013 г.

Приводятся результаты совместного эксперимента нагревного стенда Тромсе и спутника ИНТЕРБОЛ-2. Показано, что потоки ускоренных ионосферных электронов достигают высоты 11200 км, что приводит к подавлению аврорального километрового излучения. Сделаны оценки характерных времен наблюдаемых явлений и обсуждаются возможные физические механизмы.

DOI: 10.7868/S0023420614010063

1. Экспериментальные и теоретические исследования нелинейных явлений, возникающих при воздействии мощных КВ волн на ионосферную плазму, позволили получить, может быть не полную, но достаточно целостную картину процессов в искусственно нагретой области ионосферы. Основные результаты этих исследований изложены в обзорах [1, 2]. Доминирующая часть исследований базируется на измерениях, сделанных при помощи наземных средств. Это связано с объективными трудностями проведения измерений над нагретой областью на борту космических аппаратов. Область нагрева ионосферы имеет характерный размер 30—50 км и спутнику пересечь эту силовую трубку, сопряженную с возмущенной областью, удается крайне редко. Это привело к тому, что взаимодействие искусственно нагретой ионосферы с магнитосферой изучено весьма ограниченно. Измерения на спутнике DEMETER, проведенные в последние годы, позволили, в значительной степени заполнить этот пробел [3—6]. В частности, измерения над возмущенной ионосферой показали, что из нагретой области плазма "выдавливается" в магнитосферу, и образуются вытянутые вдоль магнитного поля неоднородности, т.н. дакты, которые могут служить волноводами для распространения ОНЧ волн. Однако орбита спутника DEMETER была относительно низкой (660—720 км) и вопрос о том, каково влияние искусственно нагретой ионосферы на процессы в магнитосфере на больших высотах оставался открытым. В нашем эксперименте с нагревным стендом в Тромсе мы использовали результаты измерений электромагнитного излучения и параметров плазмы на спутнике ИНTEРБОЛ-2 [7], которые проводились на больших высотах — 11—12 тыс. км.

2. Спутник ИНТЕРБОЛ-2 был запущен на орбиту с апогеем ~ 20 000 км и наклонением 62.8° [8]. Такая орбита позволяла проводить измерения, как в авроральной области магнитосферы, так и в прилегающих областях, в том числе, и в субавро-ральной области. Спутник имел солнечную ориентацию, которая поддерживалась его вращением вокруг оси, направленной на Солнце. Период вращения составлял 120 с. Используя вращение спутника, датчики частиц последовательно измеряли потоки частиц с различными направлениями прихода, включая восходящие и нисходящие потоки. Мы использовали измерения потоков надтепловых электронов в диапазоне энергий 10 эВ—20 кэВ (32 энергетических уровня) с временным разрешением ~3 с, полученные в эксперименте ИОН [9].

Измерения электрической компоненты поля проводились при помощи прибора ПОЛЬРАД в диапазоне частот от 4 кГц до 1 МГц [10]. Частотное и временное разрешение измерений — 4 кГц и 6 секунд соответственно.

При проведении совместного эксперимента спутник двигался с юга на север и при пересечении силовой трубки магнитного поля, сопряженной с ионосферой над нагревным стендом, находился на высоте ~11 тыс. км. На рис. 1 приведено изменение Ь-оболочки вдоль орбиты спутника. Расчеты сопряжения проводились с использованием модели магнитного поля ЮЯР для спокойных геомагнитных условий. Нагревный стенд Тромсе расположен на Ь = 6.45 (Ь = 1/ео82фт — параметр Мак-Илвайна, фт — геомагнитная широта), а центр области нагрева ионосферы, из-за наклона магнитного поля в этом районе, имеет Ь = 6.7 (сплошная линия). Нагревный стенд начал работу в 21.29.00 иТ на частоте 4.4 МГц — не заштри-

72

МОГИЛЕВСКИЙ и др.

Ь

0 ^

1 §

Я се

600 400

200

(а)

н

В

ЕЧ

Л § «

а о

к м

8

ч ^

21.28 21.30 21.32 21.34 21.36 21.38 Время, ИТ

Рис. 1. Изменение Ь-оболочки орбиты спутника ИНТЕРБОЛ-2 при пролете над нагревным стендом Тромсе.

хованная область на рис. 1. Размер области нагрева на уровне /-слоя ионосферы составлял ~ 50 км (границы области нагрева отмечены пунктирными линиями). Согласно расчетам, спутник пересек границу сопряженной силовой трубки в 21.31.20 ИТ — через ~ 140 с после включения стенда. В течение 70 с он двигался внутри трубки и в ~21.32.30 ИТ вышел из нее.

3. На рис. 2а и 2б приведены результаты измерений аврорального километрового излучения

(АКР), зарегистрированного прибором ПОЛЬ-

РАД на спутнике ИНТЕРБОЛ-2. В интервале

21.28—21.38 ИТ в диапазоне частот 350—500 кГц

наблюдается стационарное АКР средней мощно-

сти, что является типичным для этой области магнитосферы. В 21.31.20 ИТ, при пересечении сопряженной силовой трубки, интегральная интенсивность излучения уменьшается с 2—3 • 10-14 до

2-4 • 10-15 Вт/м2. В 21.36 ИТ интенсивность АКР увеличивается и его уровень достигает прежнего значения — 2-4 • 10-14 Вт/м2. В этом временном интервале, кроме изменения интегральной интенсивности, происходит существенное изменение граничных частот спектра АКР (рис. 3). Нижняя частота обрезания изменяется от ~300 до

~400 кГц, а верхняя — от ~ 550 до ~450 кГц. Изменение нижней границы спектра, по-видимому, связано с изменением расстояния от источника до приемника [11]. Уменьшение частоты верхней границы спектра означает изменение условий генерации АКР на соответствующих высотах. Поскольку АКР генерируется на локальной гироча-стоте электронов, то можно оценить изменение высоты нижней границы области генерации. Из

а &

о °

& м н о й ° е2

ч ^

ч

0

^ Я

1 й

Ъ &

и

С

10—

10—

10—15 10 10

1

0.1

1010

105

150 100

50 -

21.28 21.30 21.32 21.34 21.36 21.38

Время, ИТ

Рис. 2. Результаты измерений электромагнитных полей и надтепловых электронов на спутнике ИНТЕР-БОЛ-2 при пересечении сопряженной силовой трубки. (а) — спектрограмма излучения в диапазоне частот 4—600 кГц (сигнал на низких частотах — свистовое излучение, которые не рассматривается в этой работе), (б) — интегральная мощность АКР, (в) — энергетическая спектрограмма электронов, (г) — поток электронов с энергией 63 эВ, (д) — питч-угол измеряемых электронов. Стрелками отмечено направление движение частиц.

соотношения Б(Н) = /дКР/(2.8 • 10 6 ) получаем, что граница источника поднимается на 700 км — с 2200 км до 2900 км.

Вход спутника в сопряженную силовую трубку подтверждается прямыми измерениями сверхтепловых электронов, полученными прибором ИОН на борту спутника ИНТЕРБОЛ-2 — рис. 2 (панели в, г и д). В 21.31.18 ИТ наблюдается резкое увеличение потоков восходящих электронов в широком диапазоне энергий — от 20 эВ до 7 кэВ (питч-угл ара > 90°). Столь резкое возрастание и величина потоков электронов малых энергий являются не типичными для естественных явлений в этой области. Через 22 с интенсивность потока электронов в нижней части спектра (30—80 эВ) уменьшилась до фонового уровня. Это связано с поворотом направления зоны видимости прибора и невозможностью измерять восходящие частицы (ара > 90°). Поэтому по измерениям электронов

ПОДАВЛЕНИЕ АВРОРАЛЬНОГО КИЛОМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВЧ

73

Вт/м2

10-19 _I_I_I_I_I_I_

0 100 200 300 400 500 600 кГц

Рис. 3. Спектры АКР, измеренные в 21.28.41 ЦТ — до входа спутника в сопряженную силовую трубку (серая кривая) и в 21.31.55 ЦТ — внутри силовой трубки (черная кривая).

момент выхода из сопряженной трубки не виден. На рис. 4 приведены спектры электронов для двух моментов времени — на границе и внутри сопряженной трубки. На первом спектре, построенном по измерениям в 21.31.21 ЦТ при питч-угле ара = = 107°, хорошо выделяются две фракции частиц: первая фракция с энергиями 30—80 эВ и вторая — 1.5—7 кэВ. Небольшой подъем спектра на энергии 20 эВ связан с фотоэлектронами, образующимися при освещении Солнцем поверхности спутника. На втором спектре, в 21.31.39 ЦТ при ара = = 100°, такого разделения по отдельным энергетическим фракциям не наблюдается, спектр носит почти монотонный характер. Из анализа спектров можно сделать вывод, что поскольку пучок электронов с энергиями 30—80 эВ наблюдается при ара > 90°, эти частицы имеют ионосферное происхождение. Из приведенных результатов измерений можно оценить время, за которое электроны достигают высоты спутника: оно составляет не более 140 с. Согласно результатам проведенных нагревных экспериментов [1, 2], разогрев электронов в ионосфере может достигать десятков электронвольт, что является дополнительным аргументом в пользу ионосферного происхождения наблюдаемых на спутнике частиц. Электроны с энергиями 1.5—7 кэВ имеют магнитосферное происхождение и могут быть связаны с изменением функции распределения частиц в результате их резонансного взаимодействия с демодулиро-ванным сигналом накачки. Поскольку область резонансного взаимодействия находится много выше спутника, то часть частиц, по мере движения в усиливающемся магнитном поле, отражается и двигается в обратном нааправлении. Поэто-

Рис. 4. Спектры электронов, измеренные при входе в

сопряженную силовую трубку в 21.31.21 UT (1) и

внутри трубки в 21.31.29 UT (2).

му на рис. 4 видны как восходящие, так и нисходящие потоки электронов с энергиями 1.5—7 кэВ. Но в монотонном спектре, сформированном при установившихся условиях в трубке, уровень потока низкоэнергичных электронов остается доминирующим.

Суммируя результаты измерений на спутнике ИНТЕРБОЛ-2 в области, сопряженной искусственно нагретой ионосфере, можно выделить следующие:

интенсивность АКР внутри силовой трубки, сопряженной нагретой ионосфере, уменьшается на порядок;

ионосферные частицы, ускоренные под действием волны накачки от нагревного стенда, доходят до высоты 11 тыс. км за время не более 140 с.

4. Можно предложить два механизма подавления АКР. Первый из них связан с генерацией излучения. Источником АКР является циклотронная мазерная неустойчивость, развивающаяся в областях с пониженной к

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Космические исследования»