Геомагнетизм и аэрономия, 2022, T. 62, № 2, стр. 257-266

1. ВВЕДЕНИЕ

Изучение ионосферно-магнитосферных связей и возможностей воздействия на них с помощью существующих радиотехнических средств является важной задачей современной радиофизики [Благовещенская, 2001; Гуревич, 2007; Robinson, 1989]. Высокоширотная ионосфера наиболее тесным образом связана с магнитосферой, отражая протекающие в ней процессы. Поэтому исследования явлений, связанных с потоками энергичных частиц, существованием интенсивных электрических полей и токов магнитосферного происхождения, магнитными бурями и полярными сияниями, вызывают повышенный научный и практический интерес [Мизун, 1980]. Особое место здесь занимает возможность активного волнового воздействия на указанные процессы. В качестве такого способа воздействия может рассматриваться инжекция во внешнюю ионосферу и магнитосферу Земли искусственно генерируемых низкочастотных радиоволн, которые способны взаимодействовать с высокоэнергичными частицами радиационных поясов, стимулируя их высыпания [Беспалов и Трахтенгерц, 1986; Ковражкин и др., 1983; Inan et al., 2003].

Традиционная схема генерации низкочастотных волн реализуется при нагреве D- и E-областей ионосферы (высоты 90‒110 км) с помощью промодулированного по амплитуде низкой частотой ${{F}_{{{\text{mod}}}}}~$ высокочастотного (ВЧ) излучения нагревного стенда. Воздействие мощного радиоизлучения на нижнюю ионосферу вызывает колебания температуры электронов $\Delta {{T}_{e}},~$ которые модулируют частоту столкновений электронов, а следовательно и проводимость ионосферной плазмы ${{\sigma }_{e}}~{\text{.}}$ Как следствие этого, появляется нелинейный переменный ток, который является искусственным ионосферным источником радиоизлучения на частоте модуляции. Данное явление нелинейного детектирования в ионосфере известно как “эффект Гетманцева” [Гетманцев и др., 1974]. Зависимость интенсивности генерируемых по данной схеме низкочастотных сигналов, принимаемых наземными средствами регистрации, от геофизических условий исследовалась во многих работах (см., например, [Капустин и др., 1977; Jin et al., 2009; Rietveld et al., 1987]). В них было установлено, что в полярных широтах интенсивность излучения на частотах модуляции зависит от силы ионосферного тока и расстояния между электроструей и центром области воздействия. Высокие значения амплитуды генерируемых низкочастотных сигналов, в основном, наблюдаются при усилении тока электроструи во время геомагнитных возмущений. При этом эффективность излучения (отношение эффективной мощности излучения ВЧ-волны накачки к уровню излучаемой мощности низкочастотного сигнала) остается сравнительно низкой и составляет ~0.001% [Moore et al., 2007].

Другая схема, позволяющая значительно (на 10‒20 дБ) увеличить уровень возбуждаемых низкочастотных сигналов [Cohen et al., 2012], основана на одновременном излучении разнесенными в пространстве источниками двух немодулированных волн накачки, имеющих расстройку по частоте. Взаимодействие высокочастотных радиоволн за счет тепловой [Гуревич и Шварцбург, 1973] нелинейности создает движущуюся, поляризованную электростатическим полем, неоднородность проводимости нижней ионосферы, вызывающую возмущения ионосферного тока $\delta {{J}_{e}}.$ При этом двигаться она (“качающийся луч”) будет со скоростью $\upsilon ~{\text{,}}$ определяющейся расстройкой частот $F~$ и отношением расстояния между фазовыми центрами источников $d$ и высоты h. Возмущения тока $\delta {{J}_{e}}$ будут двигаться со сверхсветовой скоростью, а сам ток являться виртуальным источником излучения на разностной частоте $F$ в случае выполнения условия

В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований характеристик излучений сверхнизкочастотного (СНЧ) диапазона, индуцируемых на высотах внешней ионосферы при воздействии высокоширотного нагревного стенда EISCAT-heating (69.58° N, 19.22° E) [Rietveld et al., 1993] в режиме качающегося луча. Исследования выполнялись в рамках нагревных кампаний, проводимых на стенде EISCAT-heating с участием Арктического и антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) в марте и ноябре 2010 г.

В этих исследованиях характеристики электромагнитных и плазменных возмущений измерялись на высоте ∼660 км с помощью бортовой аппаратуры микроспутника DEMETER (Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions) [Cussac et al., 2006].

2. СХЕМА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Впервые эксперименты по исследованию пространственных и амплитудных характеристик низкочастотных излучений, возбуждаемых двумя немодулированными волнами накачки, имеющих расстройку по частоте, были проведены на среднеширотном нагревном стенде “Сура” [Котик и др., 1986; Мироненко и др., 1998]. Кроме этого, аналогичные экспериментальные работы выполнялись на стендах Arecibo [Werner and Ferraro, 1987], EISCAT-heating [Barr et al., 1987; Barr and Stubbe, 1997], HIPAS [Villaseñor et al., 1996] и HAARP [Kuo et al., 2012; Moore et al., 2012]. В проведенных исследованиях пространственные и амплитудные параметры низкочастотных излучений регистрировались с использованием наземных средств.

Достоверность результатов наземных измерений характеристик низкочастотных излучений при наличии крайне интенсивных ВЧ-сигналов, содержащих эти же частоты, может вызвать сомнения. In situ измерения СНЧ-полей в экспериментах, в которых мощные ВЧ-радиоволны отражаются от ионосферы и не проходят до спутниковых высот, являются более корректными.

Для традиционной схемы генерации низкочастотных волн при нагреве нижней ионосферы ВЧ-излучением нагревного стенда одними из первых in situ измерения были выполнены с помощью спутников ISIS 1 [James et al., 1984] и AUREOL-3 [Lefeuvre et al., 1985]. Полномасштабные спутниковые измерения были выполнены в серии экспериментов “HAARP-DEMETER” [Piddyachiy, 2012]. При этом, характеристики НЧ-сигналов, возбуждаемых двумя немодулированными волнами накачки, имеющих расстройку по частоте, на высотах внешней ионосферы Земли остаются неизученными.

В представленных исследованиях воздействие осуществлялось с помощью нагревного стенда EISCAT-heating. На рис. 1 представлена схема проведения экспериментальных исследований. При проведении экспериментов антенная решетка стенда разделялась на две подрешетки (панель а рис. 1). Одна из антенных подрешеток запитывалась от шести передатчиков на одной несущей частоте $~{{f}_{{{\text{pump}}}}},$ другая – от шести других коротковолновых радиопередатчиков на частоте ${{f}_{{{\text{pump}}}}} + F.$ Каждая из подрешеток состояла из 3 рядов по 6 скрещенных диполей. Подрешетка, излучающая на частоте ${{f}_{{{\text{pump}}}}},$ пространственно была смещена в северном направлении относительно второй подрешетки. Расстояние между фазовыми центрами излучающих подрешеток $d$ = 135 м. Значения расстройки частот $F~$ в выполненных экспериментах составляло 1000 и 1178 Гц.

Рис. 1.

Схема проведения экспериментальных исследований характеристик низкочастотных излучений при воздействии высокоширотного нагревного стенда EISCAT-heating в режиме качающегося луча.

Интерференционная картина высокочастотных радиоволн двух подрешеток формировала возмущения ионосферного тока $\delta {{J}_{e}},$ которые являлись источником низкочастотного излучения на разностной частоте $F$ (панель б рис. 1).

К сожалению, представленная комбинация параметров воздействия является неоптимальной (условие (1) не выполнено) для постановки экспериментов со сверхсветовым источником. В то же время, скорость перемещения максимумов интерференционного поля $\upsilon ~$ (скорость сканирования ВЧ-луча) близка к скорости света, когда период допустимой расстройки $F$ сравним со временем установления возмущений температуры электронов на высотах генерации НЧ-излучений ${{\left( {\delta {{v}_{e}}} \right)}^{{ - 1}}},$ что реализуется в проводимых экспериментах и обеспечивает близкий к максимальному коэффициент взаимодействия волн.

In situ измерения характеристик генерируемых низкочастотных излучений на высоте ~660 км проводились с помощью бортовой аппаратуры микроспутника DEMETER, позволявшей регистрировать значения напряженности электрического поля в диапазоне частот от 0 до 3.5 МГц, а магнитного поля – от 10 Гц до 20 кГц. В измерениях использовался режим регистрации “burst mode”, во время которого функционировали все приборы микроспутника, и приемная аппаратура работала с максимальной скоростью оцифровки данных.

Следует отметить, что по договоренности с центром управления микроспутником DEMETER его измерительная аппаратура специально включалась на короткое время, когда спутник пролетал над нагревным стендом EISCAT-heating, хотя в стандартном режиме функционирования она была выключена на широтах выше 60° N.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ IN SITU ИЗМЕРЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК НИЗКОЧАСТОТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Из всего объема экспериментов по программе “EISCAT-heating – DEMETER” схема воздействия на ионосферу Земли с использованием двух немодулированных волн накачки с расстройкой по частоте в СНЧ-диапазоне, излучаемых пространственно разделенными антенными подрешетками высокоширотного стенда, была реализована только в 4 сеансах нагрева.

В таблице 1 представлены экспериментальные данные по проведенным сеансам нагрева. В первом столбце приведен порядковый номер сеанса. Дата проведения эксперимента, время T_min (UT), соответствующее минимальному значению расстояния D_min от траектории движения микроспутника DEMETER до центра области нагрева, представлены во втором столбце таблицы. В третьем столбце приведены параметры мощного КВ-радиоизлучения: значение несущей частоты $~{{f}_{{{\text{pump}}}}},$ расстройка частот $F~$, поляризация и направление излучения волн накачки. Данные о геофизических условиях указаны в столбце 4, где представлены значения индексов геомагнитной возмущенности ${{K}_{p}}$ и $AE,$ а также значения критической частоты для E-области ионосферы (${{f}_{{X\_E}}}$ или ${{f}_{{O\_E}}}$). В пятом столбце приведены основные характеристики наблюдаемых на высоте ∼660 км низкочастотных излучений, а именно: максимальное значение напряженности электрического поля ${{E}_{{{\text{max}}}}}$ на частоте $F$ и пространственные характеристики области регистрации в виде интервала времени, когда интенсивность СНЧ-излучения была выше шумового уровня и положения зоны с уровнем сигнала, соответствующим ${{E}_{{{\text{max}}}}}.$

В проведенных экспериментах для дневных сеансов использовалась O-поляризация излучения волн накачки, для вечернего сеанса 08.11.2010 г. – X-поляризация. Это было обусловлено программой работ “EISCAT-heating – DEMETER”, где дневные сеансы были нацелены на изучение свойств искусственной ионосферной турбулентности, возбуждаемой за счет развития параметрических неустойчивостей вблизи уровня отражения мощного высокочастотного радиоизлучения, а вечерние – на изучение свойств генерации низкочастотных сигналов.

На рисунках 2 и 3 представлены результаты наблюдения генерации искусственных СНЧ-излучений на частоте расстройки двух немодулированных волн накачки $F$ = 1000 Гц для дневного сеанса № 1, проведенного 13.03.2010 г.

Рис. 2.

Динамическая спектрограмма сигнала ${{E}_{x}}$ с электрической антенны микроспутника DEMETER, ортогональной к направлению геомагнитного поля, для дневного сеанса нагрева № 1, проведенного 13.03.2010 г.

Рис. 3.

Вариации величины напряженности электрического поля, выделенной в полосе $\Delta {\kern 1pt} f$ = 4.9 Гц на частоте расстройки двух немодулированных волн накачки $F$ = 1000 Гц (а), и параметры траектории пролета микроспутника DEMETER (б и в) для сеанса № 1.

На рисунке 2а приведена в диапазоне частот до 1500 Гц для сеанса № 1 спектральная плотность сигнала ${{E}_{x}}$ с электрической антенны прибора ICE микроспутника DEMETER, ортогональной к направлению геомагнитного поля. Фрагмент спектрограммы в диапазоне частот 980–1020 Гц представлен на рис. 2б.

Вариации величины напряженности электрического поля, выделенной в полосе $\Delta {\kern 1pt} f$ = 4.9 Гц на частоте расстройки F, приведены на рис. 3а. Кроме того, на рис. 3в построена траектория движения микроспутника DEMETER для h = 100 км, полученная путем параллельного переноса вдоль геомагнитного поля с высоты орбиты 660 км (звездочкой на рисунке отмечено положение центра области нагрева). Зависимость от времени его расстояния $D$ до центра области нагрева показана на рис. 3б.

В данном сеансе нагрева микроспутник DEMETER пересекал возмущенную область ионосферы двигаясь с северо-западного направления на юго-восток.

На представленной на рис. 2 динамической спектрограмме четко видна генерация искусственного СНЧ-излучения на частоте расстройки $F$ = 1000 Гц.

Амплитуда напряженности электрического поля низкочастотного сигнала по данным, представленным на рис. 3а, составила ~3 мкВ/м. СНЧ-излучение регистрировалось в течение ~30 с на расстояниях от центра области нагрева до 170 км в северном направлении и до 70 км в направлении на юг.

Область регистрации стимулированного низкочастотного излучения имеет существенно неоднородную пространственную структуру. В ней можно выделить две характерные области:

– зона с наибольшей интенсивностью излучения (“зона 1”) с поперечным масштабом 30 км, смещенная относительно центра области нагрева на север на расстояние порядка 85 км;

– зона с интенсивностью сигнала до 2 мкВ/м (“зона 2”), имеющая протяженность вдоль траектории движения микроспутника DEMETER 80 км и зарегистрированная пространственно симметрично относительно центра области нагрева.

Представленные в табл. 1 данные показывают, что для двух других дневных сеансов нагрева (сеансы № 2 и 4) генерация СНЧ-излучений на комбинационных частотах не обнаружена. Для сеанса № 2 это обусловлено в первую очередь тем, что траектория пролета микроспутника DEMETER проходила на значительном удалении от центра области нагрева (${{D}_{{{\text{min}}}}}$ = 181 км, что превышает размер области регистрации СНЧ-излучений для сеанса № 1). Для сеанса же № 4, в котором расстояние ${{D}_{{{\text{min}}}}}$ было оптимальным для обнаружения низкочастотных излучений и геомагнитная активность высокой, отсутствие регистрации, вероятно, обусловлено положением аврорального электроджета во время проведения измерений. Для иллюстрации этого, на рис. 4 и 5 представлена динамическая спектрограмма ${{E}_{x}}$ для дневного сеанса 12.11.2010 г.(см. рис. 4а), а также динамика и положение эквивалентного ионосферного тока по данным сети MIRACLE (рис. 5).

Рис. 4.

Динамическая спектрограмма сигнала ${{E}_{x}}$ (а) с электрической антенны микроспутника DEMETER, ортогональной к направлению геомагнитного поля, а также зависимость от времени расстояния от траектории движения микроспутника до центра области нагрева (б) для сеанса № 4.

Рис. 5.

Эквивалентный ионосферный ток по данным сети MIRACLE, соответствующий сеансу 12.11.2010 г.: (а) – диаграмма широта/время, представляющая динамику электроджета для значения долготы 22.061° E; (б) – положение электроджета для времени пролета микроспутника DEMETER (отмечено на (а) ‒ вертикальной линией).

На рисунке 4 виден высокий уровень естественных шумовых излучений в диапазоне частот ниже 1200 Гц, что свидетельствует о высоком уровне геомагнитной активности. В то же время, рис. 5 показывает, что в течение времени, соответствующего сеансу воздействия, электроджет был смещен в область полярных широт, что снижало эффективность генерации СНЧ-излучений.

Для вечернего сеанса № 3, проведенного 08.11.2010 г., на рис. 6 приведена в диапазоне частот до 2500 Гц динамическая спектрограмма сигнала ${{E}_{x}}$ с электрической антенны, ортогональной к направлению геомагнитного поля. Фрагменты спектрограммы в диапазонах частот 1160‒1200 Гц и 2340‒2380 Гц представлены на панелях б и в рис. 6 соответственно.

Рис. 6.

Динамическая спектрограмма сигнала ${{E}_{x}}$ для вечернего сеанса нагрева № 3, проведенного 08.11.2010 г.

На рисунке 6 выделены области регистрации искусственного СНЧ-излучения на частоте расстройки двух немодулированных волн накачки $F$ = 1178 Гц и ее второй гармоники на $2F$ = = 2356 Гц. Кроме этого, на рис. 6 в диапазоне частот 1300‒1600 Гц четко выделяются естественные электростатические сигналы на гармониках ионно-циклотронной частоты.

Вариации величины напряженности электрического поля, выделенной в полосе $\Delta {\kern 1pt} f$ = 4.9 Гц на частоте F, приведены на рис. 7а. Кроме того, на рис. 7 (панели б и в) приведены данные для сеанса № 3 о траектории пролета микроспутника DEMETER аналогично рис. 3. В данном сеансе нагрева микроспутник DEMETER пересекал возмущенную область ионосферы, двигаясь с юго-восточного направления на северо-запад.

Рис. 7.

Вариации величины напряженности электрического поля, выделенной в полосе $\Delta {\kern 1pt} f$ = 4.9 Гц на частоте $F$ = = 1178 Гц (а), а также параметры траектории пролета микроспутника DEMETER (б и в) для сеанса № 3.

Амплитуда напряженности электрического поля ${{E}_{x}}$ на частоте $F$ составила ~50 мкВ/м. Данный уровень ${{E}_{x}}$ находится в пределах динамического диапазона детектора электрического поля ICE микроспутника DEMETER, поэтому зарегистрированное излучение на $2F$ с амплитудой до 5 мкВ/м не является результатом обработки или фантомным сигналом.

СНЧ-излучение на основной гармонике регистрировалось в течение 80 с на расстояниях от центра области нагрева до 200 км в южном направлении и до 400 км в направлении на север. Зона с наибольшей интенсивностью излучения (“зона 1”) с поперечным размером ~60 км смещена в северном направлении на 110 км относительно центра области нагрева. Кроме того, аналогично сеансу № 1, наблюдается зона (“зона 2”) с интенсивностью в два раза меньше, чем в максимуме, имеющая протяженность вдоль траектории движения микроспутника DEMETER ~85 км и регистрируемая пространственно симметрично относительно центра области нагрева.

Сигнал на второй гармонике низкочастотного излучения регистрируется в области, фактически совпадающей с зоной максимальной интенсивности СНЧ-излучения на частоте 1178 Гц.

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Представленные в работе эксперименты по генерации низкочастотных излучений с помощью двух немодулированных волн накачки, имеющих расстройку по частоте и излучаемых пространственно разделенными антенными подрешетками высокоширотного нагревного стенда EISCAT-heating, проводились для условий дневной и ночной ионосферы при достаточно спокойной геомагнитной обстановке. Полученные результаты in situ измерений характеристик искусственных СНЧ-излучений позволяют сформулировать следующие выводы.

– Размер области регистрации СНЧ-излучений вдоль траектории движения микроспутника DEMETER составляет от 240 км (день) до 600 км (ночь).

– Область регистрации стимулированного низкочастотного излучения имеет существенно неоднородную пространственную структуру. В ней можно выделить зону с наибольшей интенсивностью излучения, смещенную относительно центра области нагрева в северном направлении на расстояние ~100 км, и более протяженную область с характерным уровнем напряженности электрического поля в два раза меньше, чем в максимуме, регистрируемую пространственно симметрично относительно центра области нагрева.

– Амплитуда напряженности электрического поля ${{E}_{x}}$ на частоте расстройки двух немодулированных волн накачки составляет ~3 мкВ/м для дневного сеанса и ~50 мкВ/м в ночных условиях.

Результаты моделирования пространственной структуры возбуждаемых в режиме качания луча нагревного стенда HAARP СНЧ-излучений представлены в работе [Cohen et al., 2012]. Полученные в настоящей работе пространственные характеристики области регистрации в целом соответствуют результатам этого численного моделирования (см. рис. 3 для частоты $F$ = 1000 Гц в работе [Cohen et al., 2012]). А именно, пространственное распределение возбуждаемых СНЧ-излучений имеет неоднородную структуру, более вытянутую в северном направлении, с зоной с наибольшей интенсивностью сигнала, смещенной также на север на расстояние 50–100 км от центра области нагрева. Данная структура реализуется при условии, что подрешетка, излучающая на частоте ${{f}_{{{\text{pump}}}}},$ пространственно смещена на север относительно второй подрешетки, работающей на частоте ${{f}_{{{\text{pump}}}}} + F,$ что и было осуществлено в серии натурных экспериментов “EISCAT-heating – DEMETER”.

Амплитуда возбуждаемых в режиме качания луча СНЧ-излучений на частотах 1‒2 кГц при имеющихся параметрах нагревных стендов согласно работам [Мироненко и др., 1998; Cohen et al., 2012] меньше значений, соответствующих традиционной схеме генерации низкочастотных волн с помощью промодулированного по амплитуде излучения нагревного стенда. Усредненные уровни напряженности электрического поля низкочастотных излучений с ${{F}_{{{\text{mod}}}}}$ = 2 кГц, зарегистрированных на высоте ∼660 км с помощью бортовой аппаратуры микроспутника DEMETER по результатам более чем 100 сеансов нагрева высокоширотного стенда HAARP, составляют для дневных условий 13‒14 мкВ/м и ~100 мкВ/м ночью [Piddyachiy, 2012], что превышает полученные в настоящей работе значения, составляющие 3 мкВ/м для дневного сеанса и 50 мкВ/м в ночных условиях. Наблюдаемое различие между значениями может быть обусловлено как самим механизмом генерации низкочастотных волн, так и значительно меньшей эффективной мощностью излучения стенда EISCAT-heating по сравнению с HAARP. Бóльшая разница для дневных сеансов вызвана тем, что в данной работе для этих условий использовалась O-поляризация излучения волн накачки, которая менее эффективна для генерации СНЧ-излучений [Капустин и др., 1977; Stubbe et al., 1982]. Следует отметить, что для получения полной достоверной картины генерации и распространения этих низкочастотных сигналов требуется проведение дополнительных экспериментальных исследований и набор статических данных.

Таким образом, представленные впервые данные in situ измерений характеристик СНЧ-излучений, возбуждаемых при воздействии на ионосферу качающимся ВЧ-лучом, в целом соответствуют результатам численного моделирования и ранее выполненных наземных измерений. В экспериментах мощные ВЧ-радиоволны отражались от ионосферы и не доходили до спутниковых высот, что делает их результаты более достоверными. Зарегистрированные значения напряженности электрического поля СНЧ-излучений сопоставимы с величинами по традиционной схеме генерации даже в условиях далеко неоптимальной комбинации параметров воздействия, что открывает потенциальные возможности для значительного увеличения эффективности излучения низкочастотных волн и использования их в целях диагностики и управления состоянием магнитосферной плазмы, а также сверхдальней радиосвязи.