Письма в ЖЭТФ, том 88, вып. 12, с. 908-913
© 2008 г. 25 декабря
Создание дактов плотности при нагреве ионосферы Земли мощным
коротковолновым радиоизлучением
В. Л. Фролов1), В. О. Рапопорт, Г. Я. Комраков, А. С. Полон ' . Г. А. Марков+, М. Парро*, Ж. Л. Pouf,
Е. В. Мишин4
Научно-исследовательский радиофизический институт, 603950 Нижний Новгород, Россия + Нижегородский государственный университет им. H.H. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия * Environment Physics and Chemistry Laboratory (LPCE), Orléans, France v Institute for Scientific Research, Boston College, Chestnut Hill, Massachusetts, USA
Поступила в редакцию 14 августа 2008 г.
После переработки 29 октября 2008 г.
Приводятся результаты измерений характеристик плазменных возмущений на высотах 660 и 840 км, выполненных с помощью бортовой аппаратуры французского искусственного спутника Земли DEMETER и американских спутников серии DMSP при их пролете через магнитную силовую трубку, опирающуюся на область интенсивного воздействия мощным KB радиоизлучением нагревного стенда Сура на ^г-слой ионосферы. Экспериментально обнаружено создание искусственных дактов с повышенной плотностью плазмы во внешней ионосфере, измерены характеристики дактов и определены условия их формирования.
РАСБ: 94.20.^у
Определение возможностей и условий возбуждения на высотах внешней ионосферы и в магнитосфере Земли интенсивных крупномасштабных вытянутых вдоль геомагнитного поля неоднородностей плотности плазмы (дактов), играющих роль волноводов для распространения радиоволн очень низких частот (ОНЧ), является важной задачей современных геофизических исследований, решение которой имеет различные области применения. Одним из способов искусственного их формирования, как это, например, было предложено в [1], может быть нагрев ионосферы мощными радиоволнами коротковолнового (КВ) диапазона, когда плазменные возмущения, возбуждаемые вблизи высоты отражения волны накачки (ВН) 0-поляризации при ее резонансном взаимодействии с плазмой ^-области ионосферы, приводят к генерации искусственной ионосферной турбулентности и, в частности, к образованию магнитоориентирован-ных неоднородностей плотности в широком диапазоне поперечных к геомагнитному полю масштабов от долей метра до десятков километров [2]. Также, резкий рост электронной температуры и давления в области интенсивного нагрева плазмы ведет к формированию бегущей вдоль силовых линий геомагнитного поля "тепловой волны", после прохождения которой остается вытянутая вдоль поля неоднород-
e-mail: frolov.418enirfi.sci-nnov.ru
ность - искусственный дакт. Такой дакт, согласно современным теоретическим моделям [3,4], должен иметь пониженную плотность. Очевидно, что экспериментальные исследования явлений подобного рода удобнее проводить в спокойных геомагнитных условиях в среднеширотной ионосфере, чем в высокоширотной ионосфере с обычно достаточно высоким и быстро изменяющимся уровнем ее возмущеннос-ти. При этом наиболее адекватным методом измерения характеристик таких дактов является использование бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли (ИСЗ), летающих на высотах внешней ионосферы.
Спутниковые измерения характеристик плазменных возмущений, индуцируемых во внешней ионосфере при нагреве ее ^-области мощным KB радиоизлучением среднеширотного стенда Сура (ФГНУ НИРФИ, Н.Новгород, Россия), проводились неоднократно, но они носили эпизодический характер и, в большей степени, касались изучения характеристик электромагнитных полей [5, 6]. С 2005 г. с запуском французского микроспутника DEMETER (Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions), несущего на борту различного рода датчики для измерения характеристик плазмы и электромагнитных полей, эксперименты по изучению характеристик плазменных возмущений, возбуждаемых нагревным стендом Сура, приобрели
Ne (cm-3)
(a) 30000г
10000'-
Ex (цУ/m)
5000
-5000 km 41
s
3 15000 No+(cm ) 5000
3 500 nh+ (cm ) 0
268 554 852
(b)
30000 10000 20000
10000 1000
0
5000
-5000 60
175 385 597
(c)
40000 0
30000
10000 2000 0
5000
-5000 41
203 413 626
Рис.1. Динамические зависимости для сеансов 30.04.2005 (а), 01.05.2006 (Ь) и 17.05.2006 (с) плотности электронов Д., плотности ионов атомарного кислорода и водорода На нижней панели представлены осциллограммы
компоненты электрического поля Ех, ортогональной к направлению геомагнитного поля и вектору скорости ИСЗ. По горизонтальной оси отложено расстояние между орбитой ИСЗ и осью возмущенной силовой трубки
регулярный характер и проводились ежегодно в марте - мае и августе - сентябре. Их предварительные результаты опубликованы в работе [7]. Кроме того, в рамках совместных с AFRL (США) экспериментов в августе и октябре 2007г. такого рода измерения выполнялись с использованием американских спутников серии DMSP (Defense Meteorological Satellite Program), позволяющих измерять параметры плазмы и потоки высыпающихся электронов и ионов с энергиями 0.03-30 кэВ. Подробное описание характеристик размещенной на спутниках аппаратуры приведено в [8, 9].
При проведении измерений стенд Сура излучал мощную радиоволну в режиме "несущая" в течение 15 мин и включался приблизительно за 10 мин до пролета ИСЗ через центр возмущенной магнитной силовой трубки, опирающейся на область с интенсивной искусственной ионосферной турбулентностью, возбуждаемой мощной радиоволной 0-поляризации вблизи высоты ее отражения в ^-области ионосферы. В большинстве сеансов нагрева ионосферы использовался наклон диаграммы направленности антенны на 12° на юг, что усиливало генерацию искусственной ионосферной турбулентности за счет эффекта "магнитного зенита" [10, 11], поскольку в этом случае ВН в области ее резонансного взаимодействия с плазмой распространяется вдоль силовых линий геомагнитного поля и вытянутых вдоль него не-однородностей плотности плазмы.
Ниже представлены результаты спутниковых измерений характеристик плазменных возмущений, возбуждаемых во внешней ионосфере мощным радиоизлучением стенда Сура и регистрируемых бортовой аппаратурой спутников DEMETER и DMSP. Обсуждение полученных результатов, выводы и заключи-
тельные замечания составляют содержание последней части работы.
Результаты измерений с помощью бортовой аппаратуры ИСЗ DEMETER. Имея солн-цесинхронную орбиту с высотой 710 км до декабря 2005 г. и 660 км позднее, ИСЗ DEMETER пролетает над стендом Сура (59.1° N, 46.1° Е) днем около 8:00 UT и в поздние вечерние часы около 18:30 UT. За три года экспериментов было проведено несколько десятков сеансов нагрева, когда его орбита проходила ближе, чем 200 км, от центра возмущенной силовой трубки. Следует отметить, что измерения, выполненные в дневных условиях, к настоящему времени не дали значимых результатов. В вечерние часы наблюдений искусственные плазменные возмущения были обнаружены в тех сеансах, когда нагрев ионосферы проводился с эффективной мощностью излучения Peg > 40 МВт на частоте ВН ниже критической частоты ^г-слоя ионосферы (/о < /0F2) и при условии, что минимальное расстояние между орбитой ИСЗ и осью возмущенной трубки было меньше 100 км. За три года измерений было всего 10 сеансов, удовлетворяющих таким требованиям. Основываясь на данных этих измерений, можно сделать следующие выводы.
1. В трех сеансах было обнаружено присутствие сильных крупномасштабных возмущений с повышенной на 25-35% плотностью плазмы и с размерами вдоль траектории ИСЗ ~ 80 км. Подобные структуры не регистрировались в контрольных сеансах, когда спутник пролетал над неработающим стендом, или когда нагрев ионосферы осуществлялся в условиях низких критических частот, /о > /0F2 (нагрев на просвет). Примеры регистрации этих плазменных возмущений приведены на рис.1 на трех панелях для
Рис.2. Динамическая спектрограмма компоненты Ех электрического поля для сеанса 01.05.2006. По вертикальной оси отложена частота в килогерцах, по горизонтальной - время. Мощность сигнала кодирована интенсивностью черного цвета (отсутствие сигнала - белый цвет)
Место для тонового рисунка
сеансов 30.04.2005 (Б = 27км; Т = 18 : 25 : 3611Т), 01.05.2006 (Б = 42 км; Т = 18 : 28 : 3911Т) и 17.05.2006 (Б = 39 км; Т = 18 : 28 : 3411Т). В скобках после соответствующих дат указаны наименьшее расстояние Б между орбитой ИСЗ и осью возмущенной силовой трубки и время Т наибольшего сближения. Отметим, что в сеансах 30.04.2005 и 17.05.2006, помимо среднего увеличения плотности плазмы, наблюдаются и сильные флуктуации ее значений с масштабами порядка 25-35 км, а также флуктуации температуры электронов, которые отсутствуют в сеансе 01.05.2006.
2. Во всех случаях, когда имело место формирование возмущений с сильным увеличением плотности плазмы, на ионограммах вертикального зондирования наблюдалось развитие интенсивного ^ргеасЬ подавление О-моды и появление Z-мoды, что свидетельствует о высокой эффективности взаимодействия мощной радиоволны с плазмой и генерации вблизи уровня отражения ВН интенсивных неоднороднос-тей с размерами поперек геомагнитного поля от ~ 1 м до ~ 10 км.
3. Отличительной чертой возмущений с сильным увеличением плотности плазмы является присутствие в них высокого уровня флуктуаций электромагнитных полей в диапазоне частот от нескольких Гц до десятков кГц, а также наблюдающееся в ряде случаев значительное (на десятки дБ) увеличение интенсивности сигналов от ОНЧ передатчиков и
уширение их частотного спектра. Рис.2 демонстрирует пример спектрограммы, полученной для сеанса 01.05.2006, на которой отчетливо видны отмеченные эффекты: появление интенсивных флуктуаций электрического поля в диапазоне от ~ 10 Гц до ~ 1кГц, шумов в диапазоне 5-16 кГц, значительное усиление интенсивности сигнала ОНЧ станции на частоте 18.1 кГц и уширение его спектра до ±500Гц, тогда как вне крупномасштабной неоднородности плотности плазмы этот сигнал имеет узкий спектр и достаточно слабо различим. Имеются веские основания полагать, что локализация полей внутри такой неоднородности, а также значительное усиление в ней сигнала ОНЧ станции и уширение его спектра связаны с каналированием из
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.