ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2013, том 53, № 1, с. 35-45
УДК 550.388.2
ЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ ДИАПАЗОНА
Рс4 ОТ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ КВ НАГРЕВНОГО СТЕНДА EISCAT/Heating © 2013 г. Т. Д. Борисова1, Н. Ф. Благовещенская1, И. М. Иванова1, М. Т. Риетвельд2
Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, г. Санкт-Петербург 2EISCAT, Тромсе дивизион, г. Тромсе, Норвегия e-mail: borisova@aari.nw.ru Поступила в редакцию 21.03.2011 г. После доработки 10.01.2012 г.
Работа посвящена исследованиям процессов взаимодействия ионосферы и магнитосферы Земли, при возбуждении искусственных возмущений в /-области авроральной ионосферы нагревным стендом EISCAT/Heating. Эксперимент проводился в дневное время при ступенчатом изменении эффективной мощности излучения стенда. Одновременными измерениями методом ракурсного рассеяния радиоволн и наземными магнетометрами зарегистрированы волновые возмущения с периодами (130—140) с, соответствующими пульсациям Рс4. Вариации сдвига доплеровской частоты были коррелированны с изменениями мощности стенда. При анализе использованы результаты измерений радаром некогерентного рассеяния радиоволн на частоте 930 МГц (г. Тромсе) и численных расчетов. Показано, что ионосферная скорость дрейфа мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностей была модулирована магнитосферными волнами Альвена. Рассмотрена возможность воздействия мощного КВ радиоизлучения на амплитуду альфвеновской волны за счет модификации коэффициента отражения ионосферных торцов магнитосферного резонатора и генерации исходящей альфвеновской волны над областью локального усиления ионосферной проводимости.
DOI: 10.7868/S0016794013010045
1. ВВЕДЕНИЕ
Начиная с первых экспериментов по модификации мощным КВ радиоизлучением ионосферы Земли, было установлено, что вблизи высоты отражения волны накачки (ВН) о-моды поляризации при ее резонансном взаимодействии с плазмой /-слоя ионосферы происходит возбуждение искусственной ионосферной турбулентности (ИИТ) различной природы. Одним из наиболее значимых проявлений ИИТ является генерация вытянутых вдоль геомагнитного поля искусственных неоднородностей плотности плазмы в широком диапазоне поперечных к полю масштабов /± от долей метра до десятков километров [Ютло и Коэн, 1973; 8ШЪЪе, 1996; Благовещенская 2001; Гуревич, 2007; и литература цитируемая в них].
Геомагнитные пульсации представляют собой короткопериодные колебания геомагнитного поля, характеризуются квазипериодической структурой. Пульсации с периодами 0.2—600 с относятся к диапазону УНЧ (ультранизкочастотных волн в диапазоне 1—500 мГц). Исследования магнитных пульсаций на ионосферных высотах при использовании КВ нагревных комплексов выполняются или когерентными КВ радарами, или/и методом ракурсного (или обратного) рассеяния
диагностических КВ сигналов на мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородно-стях (МИИН) с l± е (1—30) м как в среднеширот-ной [Blagoveshchenskaya et al., 1998a; Урядов и др., 2004], так и в высокоширотной ионосфере [ Yeoman et al., 1997; Blagoveshchenskaya et al., 1998b; Борисова и др., 2011].
Важную роль во взаимодействии ионосфера — магнитосфера играют альвеновские волны, которые эквивалентны изменяющимся во времени продольным токам геомагнитного поля. Альвеновские волны УНЧ диапазона, вызванные магнитосферными процессами, могут быть зарегистрированы в нижней ионосфере. Квази-периодиче-ские колебания сдвига доплеровской частоты, измеренные когерентными КВ радарами или/и методом ракурсного рассеяния коррелируют с геомагнитными пульсациями, которые являются отличительным признаком проявления магнито-сферных альфвеновских волн на высотах ионосферы. Изучение ионосферно-магнитосферных связей при исследовании геомагнитных пульсаций, и возможностей воздействия на них с помощью мощных КВ радиоволн представлено в ряде работ [Robinson et al., 2000; Blagoveshchenskaya etal., 2005; Leyser and Wong, 2009].
2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЙ
Модификация ионосферы производилась в дневные часы 3 ноября 2009 г. с помощью КВ на-гревного комплекса EISCAT/Heating, [Rietveld et al., 1993], расположенного в Норвегии недалеко от г. Тромсе. Мощная КВ радиоволна обыкновенной (о-моды) поляризации излучалась на частоте /Н = 4912.8 кГц 10 мин нагрев/5 мин пауза со ступенчатым изменением мощности стенда в цикле нагрева по схеме: 10, 25, 100, 25, 10% от максимальной эффективной мощности излучения Рэфф макс = 190—210 МВт. Диаграмма направленности антенны КВ нагревного комплекса была наклонена в направлении магнитного поля Земли.
Прием диагностических сигналов, рассеянных на МИИН, осуществлялся методом ракурсного рассеяния на обсерватории Арктического и антарктического научно-исследовательского института "Горьковская", расположенной в вблизи г. С.-Петербург. Для регистрации КВ сигналов использовался многоканальный КВ доплеровский комплекс [Благовещенская, 2001]. Измерения выполнялись на диагностической трассе Прага—Тромсе—С.-Пе-тербург, частота „/диагн = 17545 кГц. Одновременно проводился прием сигналов на частоте излучения комплекса EISCAT/Heating — fH = 4912.8 кГц. Диаграмма направленности приемной антенны ориентирована на Тромсе. Карта эксперимента приведена на рис. 1.
Состояние окружающей среды в период эксперимента контролировалось следующими средствами: активным (приемо-передающий) радаром некогерентного рассеяния (НР) радиоволн на частоте 930 МГц г. Тромсе; магнитометрами IMAGE сети Скандинавии http://www.space.fmi.fi/image/, станцией вертикального зондирования (ВЗ) ионосферы г. Тромсе. При анализе и интерпретации результатов наблюдений использовались измерения параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля на спутнике ACE.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
В данной работе рассматривается нагревной цикл излучения комплекса EISCAT/Heating 3 ноября 2009 г. с 12:15 до 12:25 UT (время мировое), когда одновременными ионосферными и наземными наблюдениями были зарегистрированы пульсации диапазона Рс4 с периодами около 2 минут (130-140) с.
Измерения выполнялись в эпоху минимума солнечной активности. Относительное число солнечных пятен W имело нулевое значение. Магнитные условия были спокойными. Трехчасовой индекс магнитной возмущенности KP = 0+, сумма KP за сутки ZKP = 1-.
Станция вертикального зондирования ВЗ ионосферы (ионозонд) в г. Тромсе обеспечивала получение ионограмм ВЗ 1 раз в 4 минуты. По данным ВЗ непосредственно в месте расположения КВ нагревного комплекса Е18САТ/НеаИп§ с 12:00 до 12:30 иТ наблюдался ионосферный слой Р2 с критическими частотами /0П ~ 5.0—5.5 МГц. Критические частоты слоя Е в рассматриваемый период не превышали 1.7 МГц.
На рисунке 2 показаны динамические допле-ровские спектры (сонограммы) КВ радиосигналов, принятых на НИС "Горьковская" 03.11.2009 г. в период 12:11—12:29 иТ методом ракурсного рассеяния. Нулевое значение сдвига доплеровской частоты/ = 0 (рис. 2) соответствует распространению сигналов от передатчика к приемнику по дуге большого круга ("прямой" сигнал). В период нагрев-ного цикла был использован режим ступенчатого изменения эффективной мощности стенда Рэфф по схеме: 10, 25, 100, 25, 10% (2 минуты при каждом уровне мощности) от максимального значения мощности Рэфф макс = 190—210 МВт. Время излучения стенда с 12:15 до 12:25 иТ отмечено скобкой на оси времени рис. 2б, которая качественно демонстрирует изменение уровня Рэфф.
На рисунке 2а приведена сонограмма КВ нагревного сигнала комплекса Е18САТ/НеаИп§ на частоте /н = 4912.8 кГц. С 12:15 до 12:25 иТ на со-нограмме кроме прямого нагревного сигнала регистрировалась широкополосная спектральная компонента в полосе частот А/8йор1, вызванная рассеянием на мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностях, МИИН. Из рис. 2а можно видеть коррелированные вариации А/$аор1 каждые 2 минуты цикла нагрева, связанные с переключением уровня Рэфф. Средние за 2 минуты значения частотной полосы А/ваор1 нагревного сигнала составили (12, 15, 29, 20, 13) Гц при изменении мощности Рэфф = (10, 25, 100, 25, 10)% от Рэфф макс. В результате дополнительной обработки определили средние значения (на уровне 0.5 от максимума) спектральных амплитуд на-
гревного сигнала. Средние на двухминутных интервалах значения ^8аор1, также менялись с переключением мощности стенда Рэфф и составили (20, 33, 100, 33 и 10)% от величины максимальной спектральной амплитуды ^8йор1 тах, наблюдаемой при Рэфф = Рэфф макс
На рисунке 2б представлена сонограмма радиосигнала диагностической частоты/диагн = 17545 кГц на трассе Прага—Тромсе—С.-Петербург. В цикле излучения с 12:15 до 12:25 иТ наблюдались интенсивные ракурсно-рассеянные на МИИН сигналы. Сдвиг доплеровской частоты/й рассеянных сигналов относительно прямого сигнала имел как положительные, так и отрицательные значения. Как видно из рис. 2б, рассеянные сигналы на частоте
10 20 30
Долгота, Е град
Рис. 1. Карта — схема геометрии эксперимента 3 ноября 2009 г. Наблюдения выполнены методом ракурсного рассеяния на трассе Прага—Тромсе—С.-Петербург и непосредственные наблюдения нагревного сигнала на трассе Тромсе— С.-Петербург. 1 — трасса прямого распространения КВ сигнала, 2 — трасса ракурсного рассеяния, 3 — наземные магнитометры.
f-mra = 17545 кГц появились сразу после начала нагревного цикла, т.е. при 10% уровне мощности стенда EISCAT Значения доплеровских частот fd рассеянных сигналов на сонограмме (рис. 2б) формируют трек, характеризующийся волновыми вариациями относительно fd = 0. С ростом Рэфф наблюдалось увеличение амплитуды вариаций (/dmax — fdmin) сдвига доплеровской частоты и при снижении Рэфф - уменьшение fdmax - fdmin).
В таблице сведены характеристики волновых вариаций f ракурсно-рассеянного КВ радиосигнала частоты/диагн передатчика из Праги, в зависимости от уровня мощности Рэфф комплекса EISCAT/ Heating. Приведены значения, усредненных на 2-х минутных интервалах, следующих параметров:
период Т, амплитуда (/¿тах — Уатт), частотный диапазон спектральной компоненты А/^р и относительная интенсивность спектральной амплитуды
Из таблицы можно видеть, что амплитуда ио
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.