ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 4, с. 466-472
УДК 550.388.2
УДАЛЕННАЯ РЕГИСТРАЦИЯ КНЧ/ОНЧ ИЗЛУЧЕНИЯ, ВЫЗВАННОГО ЭКСПЕРИМЕНТАМИ ПО ИСКУССТВЕННОЙ МОДИФИКАЦИИ ИОНОСФЕРЫ
© 2015 г. Б. Г. Гаврилов, Ю. И. Зецер, И. А. Ряховский, Ю. В. Поклад, В. М. Ермак
Институт динамики геосфер РАН, г. Москва e-mails:gavrilov@idg.chph.ras.ru; 79167709599@ya.ru Поступила в редакцию 09.10.2014 г.
В 2012 г. при проведении экспериментов по искусственной модификации ионосферы мощной КВ волной на нагревном стенде EISCAT-Heating (Тромсе, Норвегия) были проведены дистанционные измерения электромагнитных сигналов КНЧ/ОНЧ диапазона в различных точках России. Использование новой высокочувствительной магнитометрической аппаратуры позволило зарегистрировать сигналы амплитудой в единицы фемтотесла на расстояниях до 2000 км от источника. Анализ результатов измерений выявил значительные различия амплитудно-фазовых характеристик сигналов, обусловленные изменением гелиогеофизических условий в районе нагрева и на трассе распространения сигнала, и особенности распространения сигналов, связанные с их модовым волновод-ным распространением, направленностью источника, углами приема.
DOI: 10.7868/S0016794015040045
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследованию эффективности генерации сигналов КНЧ/ОНЧ диапазона в нагревных экспериментах посвящено значительное количество работ [Getmantsev et al., 1974; Stubbe and Kopka, 1977; Barr et al., 1985; Зецер и др., 2008], выполненных на основе экспериментов на различных стендах и с применением регистрирующей аппаратуры, размещавшейся на различных расстояниях от источников излучения. Сама проблема естественным образом распадается на две части: эффективность преобразования мощного модулированного высокочастотного излучения в низкочастотное излучение и распространение детектированного ионосферой низкочастотного сигнала на значительные расстояния.
Настоящая статья посвящена результатам экспериментов по удаленной регистрации малых по амплитуде сигналов ОНЧ/КНЧ диапазона, генерируемых в экспериментах на стенде EISCAT, и исследованию влияния геофизических факторов в районе источника излучения и на трассах распространения излучения на амплитудно-фазовые характеристики принятых сигналов.
К настоящему времени имеется мало данных об успешной регистрации ОНЧ/КНЧ излучения от нагревных стендов на расстояниях, превышающих 200—500 км, и измерению их параметров с использованием калиброванной магнитометрической аппаратуры. Это связано с низким уровнем принимаемого сигнала (как правило, его ам-
плитуда близка к уровню электромагнитных шумов естественного и техногенного происхождения в диапазоне частот от десятков Гц до десятков кГц), нестабильностью сигналов и влиянием на их параметры значительного количества факторов, часть которых фактически не известна. По-видимому, последний успешный эксперимент по регистрации такого излучения с использованием калиброванной аппаратуры был проведен почти четверть века назад [Barr et al., 1991]. Измерения проводились в Линдау, Германия на расстоянии 2050 км на юг от стенда EISCAT в мае 1990 г. Приемная аппаратура включала ортогональные рамочные антенны, обеспечивающие прием сигналов в диапазоне частот 0.4—10 кГц, и широкополосные усилители. Стенд работал с излучением на модуляционных частотах 2.1, 4.2, 3.01, 6.02, 6.3 и 10.5 кГц. Авторам удалось зарегистрировать сигналы на частотах 3.01 кГц (максимальная амплитуда 1.5 фТл) и 6.02 кГц (максимальная амплитуда 8 фТл) и показать качественное совпадение изменения поляризации принятых сигналов с частотой с результатами модельных расчетов модового распространения КНЧ сигналов в приземном волноводе.
При постановке наших экспериментов мы опирались на результаты и модельные представления, описанные в публикации [Barr et al., 1991]. Для регистрации сигналов с ожидаемой амплитудой в единицы фТл была разработана специальная методика и аппаратура, параметры которой обеспечили прием сигналов в диапазоне частот
Рис. 1. Схема расположения стенда ЕКСАТ и измерительных пунктов во время экспериментов 2012 г.
0.5—6 кГц на расстоянии ~2000 км от источника излучения.
2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперимент проходил в период с 16 по 27 февраля 2012 г. на нагревном комплексе ЕКСАТ-Неа!-т§, расположенном в 15 км южнее г. Тромсе, Норвегия в точке с координатами 69.68° N 19.21° Е. Целью эксперимента являлось исследование явлений в /-области ионосферы, вызванных излучением мощных ВЧ радиоволн с Х модой поляризации при значении частоты выше критической для /2 слоя при различной направленности излучения [В1а§оуе8ксИеп8кауа е! а1., 2011]. По предложению ИДГ РАН в программу эксперимента были введены задачи, связанные с исследованием генерации и распространения сигналов ОНЧ/КНЧ диапазона, вызванных воздействием на ионосферу мощного ВЧ излучения с модуляцией на часто-
тах 0.5, 2.01, 3.01 и 6.02 кГц при направлении излучения в магнитный зенит.
На рисунке 1 показана схема расположения измерительных пунктов во время экспериментов. Однотипная приемная аппаратура была установлена в геофизических обсерваториях (ГФО) "Михнево" ИДГ РАН, "Горьковская" ААНИИ и "Верхнетуломская" ПГИ КНЦ РАН.
Для измерений использовались разработанные в ИДГ РАН магнитометрические комплексы "Плутон" и "Вистлер", включающие активные рамочные антенны, обладающие чувствительностью 0.4-0.5 фТл^Гц в диапазоне частот от 0.5 до 30 кГц. Сигнал с антенн оцифровывался с помощью де-сятиканального двадцатичетырехразрядного регистратора ADU-07 (Metronix). Точность временных привязок обеспечивалась GPS приемниками и составляла 30 нс. Во всех измерительных пунктах оси антенн ориентировались в направлении магнитный север (канал Hx), магнитный восток (канал Hy).
x1Q-
20.02.2012 г. MFS-07 F = 2017 кГц, полоса 128 с
■ Канал Hx Канал Hy • Время нагрева
0
16:10 16:20 16:30 16:40 16:50 17:00 17:10 17:20 17:30 17:40 17:50 18:00 18:10 18:20 18:30
ит
Рис. 2. Амплитуды сигналов на частоте 2017 Гц, зарегистрированных по каналу Нх — толстая кривая и каналу Ну — тонкая кривая в период с 16:00 до 19:00 ЦТ 20 февраля 2012 г.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИИ
На рисунке 2 показаны результаты регистрации сигнала по каналам Hx и Hy на частоте 2017 Гц в ГФО "Михнево" 20 февраля 2012 г. Стенд EISCAT работал в режиме 5 мин нагрев, 5 мин пауза (на рисунке периоды нагрева показаны штрихами). Амплитуды сигналов, записанных по каналу Hx, составляли от 1 до 4 фТл и в среднем в 2—3 раза превышали амплитуды сигналов, записанных по каналу Hy. Амплитуды сигналов менялись во времени, почти исчезая в период с 17:00 до 17:20 UT. 25 и 27 февраля (рис. 3) были зарегистрированы сигналы на всех модуляционных частотах: 517, 1017, 2017, 3017, 4017 и 6017 Гц. Амплитуды сигналов были порядка единиц фТл.
Регистрация всех модуляционных частот в ходе февральского эксперимента, позволила построить зависимость поляризации принятых сигналов (отношение радиальной компоненты поля к тангенциальной) от их частоты [Gavrilov et al., 2014] (рис. 4). На графике кривой 1 показана расчетная зависимость поляризации сигнала, распространяющегося в волноводе Земля-ионосфера, от частоты из работы [Barr and Stubbe, 1984], а кривой 2 — экспериментальные данные, полученные в ГФО "Михнево" в феврале 2012 г. На всех
кривых наблюдается изменение поляризации сигнала в районе 1.8 кГц. Преобладание тангенциальной компоненты поля над радиальной ниже этой частоты обусловлено распространением сигнала в ТЕМ моде. Выше частоты среза поляризация сигналов меняется. Наблюдается преобладание азимутальной компоненты над тангенциальной, что соответствует распространению сигнала в волноводе в ТЕ моде. Вид экспериментальной кривой качественно совпадает с предсказанным теоретической моделью.
Задача исследования влияния условий на трассах распространения сигналов на их амплитудно-фазовые характеристики решалась в ходе октябрьской кампании 2012 г. При этом проводилась синхронная регистрация электромагнитных сигналов КНЧ/ОНЧ диапазона в трех измерительных пунктах, расположенных на различных азимутах и расстояниях от источника (см. рис. 1).
Стенд работал в режиме модуляции 2017 Гц 10 мин нагрев, 5 мин пауза. В период с 16:15 до 16:45 ЦТ удалось зарегистрировать сигнал на частоте 2017 Гц одновременно в " Горьковской" и "Верхнетуломской" обсерваториях (рис. 5). Амплитуды сигналов, принятых в ГФО "Горьков-ская" в период с 16:16 до 16:26, сравнимы, а в пе-
.00 15.02 15.04 15.06 15.08 15.01 15.03 15.05 15.07 15.09 UT
25.02.2012 г. MFS-07 Их, полоса 128 с
1016.5 17.49
3018.0 3017.8
Я
^ 3017.6
св
g 3017.4
о
F 3017.2 3017.0 3016.8 18
фТл
8 6017.3
7 6017.2
6 6017.1
5 я 6017.0
Г
of 6016.9
4 н п
3 н о 6016.8
со
Ч 6016.7
2 6016.6
1 6016.5
— 0 6016.4
17.51 17.53 17.55 17.57 17.50 17.52 17.54 17.56 17. UT
г
25.02.2012 г. MFS-07 Их, полоса 128 с
фТл 5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
00 18.02 18.04 18.06 18.08 18.01 18.03 18.05 18.07 18.09
UT
18.24 18.26 18.28 18.30 18.32 18.25 18.27 18.29 18.31 18.33
UT
Рис. 3. Спектрограммы сигналов, зарегистрированных в ГФО "Михнево" на частотах а — 517 Гц; б — 1017 Гц; в — 3017 Гц (наблюдается расщепление спектра сигнала, обусловленное особенностью режима модуляции передатчика); г — 6017 Гц (наблюдается в условиях повышенного уровня шумов).
риод 16:31 до 16:41 больше амплитуды сигналов, зарегистрированных ГФО "Верхнетуломская", несмотря на то, что расстояние до "Верхнетулом-ской" в два раза меньше, чем до "Горьковской". Такой эффект может возникать только в случае изменения условий на трассах во время приема сигнала. Анализ геомагнитной обстановки в этот период времени (рис. 6) показывает, что регистрация происходила в период высокой магнитной активности и резкого изменения геомагнитного поля, что должно было привести к возникновению ионосферных неоднородностей в полярных и субполярных широтах.
Изучение влияния гелиогеофизических условий в районе нагревного стенда на генерацию КНЧ/ОНЧ сигналов проводилось путем сравнения изменения амплитуды КНЧ/ОНЧ излучения
с IU-индексом. IU-индекс вычисляется по огиб
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.