Свойства искусственных возмущений верхней ионосферы Земли, возбуждаемых при нагреве F2-слоя мощными КВ радиоволнами (по результатам спутниковых исследований)

Во введении обосновывается актуальность работы, изложено современное
состояние подобных исследований в мире, формулируются цели и задачи,
обосновывается научная новизна, обсуждается теоретическая и практическая
значимость, приводятся методы исследования и основные положения, выносимые на
защиту, указывается степень достоверности и апробация полученных результатов.
В первой главе приведено подробное описание условий и методов проведения
экспериментов.
В разделе 1.1 рассказывается о наземном стенде «Сура».
Нагревный стенд «Сура» расположен в 120 км к востоку от г. Н. Новгород; его
координаты: 56.15° с. ш., 46.1 в. д. [12]. Эксперименты на стенде «Сура» были
начаты в 1982 г. Стенд имеет трехмодульную структуру. Каждый модуль состоит из
радиопередатчика ПКВ-250 типа «Вьюга», генерирующего ВЧ сигнал мощностью до
250 кВт, который нагружен на свою антенную решетку, состоящую из 124
широкополосных скрещенных диполей и вытянутую в восточно-западном
направлении. Стенд может излучать волны О- или Х-поляризации в диапазоне частот
от 4.3 до 9.5 МГц. Модули стенда могут работать независимо или объединяться в
режиме когерентного излучения любыми двумя или всеми тремя модулями вместе. В
последнем случае решетка состоит из 144 диполей, занимающих площадь
300 м  300 м. Максимальная эффективная мощность излучения стенда при этом
составляет Рэфф ≈ 80 МВт на частотах ВН ≈ 4300 кГц и  280 МВт на частотах
ВН ≈ 9300 кГц, увеличиваясь с ростом ВН. Диаграмма направленности антенны
стенда в плоскости магнитного меридиана может отклоняться от вертикали в
пределах  40. Для увеличения эффективности взаимодействия мощной радиоволны
с плазмой за счет эффекта «магнитного зенита» [22] часто используется
модификация ионосферы не вертикальным пучком мощных радиоволн, а
наклоненным на 12 от вертикали на юг. В этом случае для стенда «Сура»
наблюдается наиболее сильная турбулизация плазмы и усиление генерации ИИН
всех масштабов. При таком наклоне координаты центра пятна засвеченной мощными
радиоволнами ионосферы составляют на высоте 250 км  = 55.7 с. ш. и  = 46° в. д.;
само пятно при ВН ≈ 4300 кГц имеет здесь диаметр ~ 60 км по уровню 0.5 Pmax [12].
Расположение стенда «Сура» в средних широтах выгодно отличает его от
наземных стендов, расположенных в авроральных широтах, в которых сильные
естественные возмущения в ионосфере и магнитосфере Земли могут значительно
затруднять проведение экспериментов и усложнять интерпретацию наблюдаемых
явлений.
В выполняемых на стенде «Сура» экспериментах по программам
«Сура»-SWARM и «Сура»-DEMETER излучение волны накачки начиналось, как
правило, за 15 мин до пролёта спутника через возмущённую магнитную силовую
трубку. Как показали выполненные ранее эксперименты и модельные расчёты, этого
времени достаточно для практически полного развития искусственной ионосферной
турбулентности в ионосфере в вечерние и ночные часы и заполнения магнитной
силовой трубки искусственными плазменными возмущениями, по крайней мере, до
высот порядка 700 км.
В разделе 1.2 подробно описывается группировка ИСЗ SWARM, состоящая из
трех спутников.
Группировка европейских спутников серии SWARM, состоящая из трёх
идентичных аппаратов, была выведена на орбиту 22 ноября 2013 года. Спутники
имеют низкие круговые орбиты, лежащие в меридиональной плоскости. При этом
два спутника (А и С) летают на высоте около 450 км параллельно друг другу на
расстоянии до 200 км, наклонение орбиты 87,4°. Третий спутник (В) летает в другой
меридиональной плоскости на высоте ~ 500 км, наклонение орбиты 88°. Постепенно
смещаясь по долготе, орбиты этих спутников за 7-10 месяцев полёта покрывают все
долготные секторы Земного шара. Скорость спутников V0 = 7.6 км/с.
Кроме того, в разделе рассказывается о бортовой аппаратуре спутников.
В разделе 1.3 рассказывается о ИСЗ DEMETER.
Спутник DEMETER был запущен в июне 2004 г. на круговую
солнце-синхронную полярную орбиту с наклонением 98.3° и высотой ~ 710 км; в
декабре 2005 г. высота его орбиты была понижена до ~ 660 км. Скорость спутника
составляла 7.6 км/с.
Также, в разделе рассказывается о бортовой аппаратуре спутника.
Вторая глава диссертации посвящена изучению характеристик плазменных
возмущений, возбуждаемых на высотах 450 – 500 км при работе стенда «Сура».
В разделе 2.1 проведено описание экспериментов, выполненных по программе
«Сура»-SWARM.
В разделе 2.2 приводятся результаты экспериментов по стимуляции вариаций
характеристик плазменных возмущений на высотах 450 – 500 км, выполненных по
программе «Сура»-SWARM. Установлено, что генерация искусственных плазменных
возмущений регистрируемого уровня наблюдалась только при работе стенда в
вечерние и ночные часы в условиях, когда частота мощной радиоволны не
превышала 5.5 МГц, была ниже критической частоты f0F2, высота отражения ВН была
больше 200 км, а орбита ИСЗ проходила на расстоянии меньше 50 км от центра
возмущённой магнитной силовой трубки. Также определено, что в большинстве
случаев генерация искусственных плазменных возмущений наблюдалась, когда
эффективная мощность излучения ВН была не меньше 50 МВт. В разделе проведен
детальный анализ свойств наблюдаемых возмущений плотности и температуры
плазмы и большой изменчивости их характеристик для четырех сеансов.
В разделе 2.3 анализируется связь между потенциалом искусственного
спутника Земли и температурой электронов в верхней ионосфере.
В разделе 2.3.1 приводятся теоретическое представление о связи между
температурой электронов и потенциалом спутника. Отмечается, что ряд эффектов
(фотоэффект, термоэлектронная эмиссия, выбивание электронов и ионов с
поверхности под влиянием корпускулярного излучения) сильно затрудняют
определение связи между температурой электронов и потенциалом спутника
посредством теоретических выкладок и предопределяет необходимость проведения и
интерпретации реальных экспериментов.
В разделе 2.3.2 представлено экспериментальное исследование связи между
температурой электронов и потенциалом спутника. Для этого проводится анализ
нескольких десятков сеансов пролета ИСЗ по программам «Сура»-DEMETER и
«Сура»-SWARM через возмущенную нагревом стенда «Сура» магнитную силовую
трубку. В результате было определено, что корреляция между температурой
электронов и потенциалом спутника наиболее заметна в случаях возбуждения ИИН
(средний коэффициент корреляции = 0.63), что превосходит случаи, когда не
удалось добиться возбуждения ИИН, несмотря на работающий стенд «Сура»
( = 0.37), и случаи, когда стенд не работал ( = 0.16). Для более глубокого
понимания полученных результатов несколько сеансов разобрано детально.
В разделе 2.4 приведены результаты анализа экспериментальных данных при
измерении плазменных возмущений и электрических токов, которые индуцируются
на ионосферных высотах при модификации F2-области среднеширотной ионосферы
мощными КВ радиоволнами, излучаемыми нагревным стендом СУРА. Измерения
проводились с помощью бортовой аппаратуры спутников серии SWARM.
Определены условия генерации электрических токов и зависимость их характеристик
от ионосферных условий. Полученные результаты позволили определить, что внутри
возмущённой силовой трубки регистрируется возбуждение направленных вниз
продольных токов, отвечающих выносу электронов из области разогрева вдоль
геомагнитного поля во внешнюю ионосферу. В то же время на границах
возмущённой области наблюдались токи противоположного направления,
отвечающие обратному движению электронов вдоль силовых линий геомагнитного
поля. Результаты спутниковых измерений сравниваются с результатами
экспериментов, выполненных в лабораторной плазме. Установлено, что развитие
искусственных плазменных возмущений в верхней ионосфере Земли определяются
термодиффузионными процессами с униполярными коэффициентами диффузии,
сопровождающимися возбуждением вихревых электрических токов короткого
замыкания по фоновой плазме. В проведённых экспериментах величина плотности
продольных электрических токов составляла до 0.02 μA/м2.
В разделе 2.5 представлено заключение по второй главе и сформулированы
основные её результаты.
Третья глава диссертации посвящена исследованию высыпаний энергичных
электронов из радиационного пояса Земли, стимулированных модификацией
среднеширотной ионосферы мощными КВ радиоволнами.
В этой главе представлены результаты исследований по стимуляции
высыпаний энергичных электронов из радиационного пояса Земли при модификации
среднеширотной ионосферы мощными КВ радиоволнами О-поляризации,
излучаемыми стендом «Сура» [А25-А31], и влияния этих электронов на нижние слои
ионосферы. Кроме того, проанализированы свойства высыпаний энергичных
электронов из радиационных поясов Земли в магнитосопряженную относительно
стенда «Сура» область ионосферы (МСО) [А32-А37]. Эти исследования основаны на
выполненных в 2005 – 2010 гг. экспериментах по программе «Сура»-DEMETER.
В разделе 3.1 проведено описание экспериментов, выполненных по программе
«Сура»-DEMETER.
Специфика экспериментов, результаты которых приводятся в данной главе,
заключается в особенности нагрева верхней ионосферы. В случае, когда целью было
возмущение области над стендом «Сура», стенд обычно включался на ~ 15 мин за 13
мин до пролёта ИСЗ над стендом через возмущённую магнитную силовую трубку,
опирающуюся на область с сильно развитой турбулентностью вблизи высоты
отражения ВН. Такая длительность нагрева является достаточной для развития
плазменных возмущений до практически стационарного уровня не только в области
отражения ВН, но и на высотах внешней ионосферы. В случае, когда целью было
изучение свойств плазменных возмущений в МСО, стенд обычно включался на 40-45
мин за 38-40 мин до пролета ИСЗ через МСО.
В рамках проводимых экспериментов детектирование энергичных электронов
осуществлялось с помощью спектрометра IDP, который проводил измерения энергии
и потока энергичных электронов в диапазоне их энергий от 70 кэВ до 2.5 МэВ.
В разделе 3.2 приводятся результаты исследований высыпаний из
радиационного пояса Земли в естественных условиях (при неработающем стенде
«Сура») и в искусственных (когда стенд работал) и проведено сравнение полученных
результатов.
В разделе 3.2.1 приводятся результаты исследований высыпаний в
естественных условиях (при неработающем стенде «Сура»).
Для анализа свойств высыпаний, наблюдающихся в естественных условиях,
было проанализировано более 100 сеансов, на основании которых получены
следующие выводы:
1) Во время авроральной активности невысокого уровня (с Кр  2 в течение
нескольких предшествующих измерениям дней; при этом, в день измерений индекс
АЕ не превышал значений 100 – 200 нТл) южная граница интенсивных высыпаний на
долготе стенда «Сура» для времени Т ≈ 18:00 UT не опускается ниже географической
широты 62 – 65° с. ш. Южнее этой области высыпания либо вообще отсутствовали,
либо они имели низкую интенсивность с энергией электронов в них Е  100 кэВ при
величине их потока F  10 эл/(с∙см2∙стер∙кэВ) (далее будем записывать величину
потока сокращённо как F  10, опуская её размерность). Таким образом, широта
границы с сильными естественными высыпаниями при невысоком уровне
авроральной активности находится почти на 10 севернее широты центра
возмущённой нагревом ионосферы магнитной силовой трубки на высоте орбиты ИСЗ
(660 км), равной *тр = 54.6° с. ш. для используемого в большинстве измерений
наклона диаграммы направленности антенны стенда на угол 12 на юг и высоты
отражения ВН h  230 – 250 км.
2) С ростом значений индекса АЕ южная граница области с сильными
естественными высыпаниями опускается на более южные широты, и при
АЕ ≈ 300 – 800 нТл она уже может достигать широты *тр  54.6° с. ш., опускаясь до
широт 46 – 52° с. ш. для АЕ = 800 – 1200 нТл.
3) Индекс АЕ имеет максимальные значения на стадии затухания геомагнитных
возмущений, через 1 – 2 дня после регистрации максимальных значений индекса Кр,
относящихся к фазе их развития. Этот вывод соответствует результатам других
исследований.
4) Результаты измерений показали, что слабые высыпания электронов южнее
границы зоны сильной авроральной активности (обозначим её как область
«низкоширотной» компоненты естественных высыпаний), если они здесь
регистрируются, занимают обычно для АЕ  500 нТл полосу широт  = 50 – 62° с. ш.
вне зависимости от величины АЕ. Эта компонента высыпаний для энергий
электронов Е ≈ 100 – 150 кэВ характеризуется величиной потоков F  10, причем
величина F для неё, как правило, лишь слабо зависит от широты. В отдельных
случаях такие высыпания наблюдались как локальные структуры, имеющие
протяжённость 3 – 5° в полосе широт 46 – 54° с. ш.. Из сказанного выше ясно, что
«низкоширотная» компонента слабых высыпаний может обнаруживаться на широте
стенда «Сура» даже при низком уровне геомагнитной активности. Однако если в
течение предыдущих 10 – 15 дней и больше геомагнитных возмущений не было, то
высыпания энергичных электронов здесь, как правило, не регистрировались.
Представленные данные демонстрируют, как происходит заполнение энергичными
электронами зазора между внутренним и внешним радиационными поясами Земли и
последующее его опустошение.
В разделе 3.2.2 приводятся результаты исследований высыпаний в
искусственных (когда стенд работал) условиях.
Результаты выполненных измерений позволяют сформулировать признаки
искусственного характера высыпаний энергичных электронов из радиационного
пояса Земли, наблюдавшихся в экспериментах «Сура»–DEMETER при модификации
ионосферы мощными КВ радиоволнами в поздние вечерние и предполуночные часы
[А26-А31]. Это:
1) как правило, максимум интенсивности высыпаний наблюдается внутри
возмущённой магнитной силовой трубки (особенно при формировании в ней дакта с
увеличенной плотностью плазмы);
2) в плоскости геомагнитного меридиана интенсивность высыпаний плавно
уменьшается в направлении к северу от центра возмущённой магнитной силовой
трубки, простираясь до области авроральных широт, и значительно более резко к югу
от него;
3) энергия высыпающихся электронов с максимальными их потоками до
F  100 составляет ~ 100 кэВ по измерениям в области Е ≥ 70 кэВ;
4) высыпания наблюдаются, когда транспортируемая в верхнюю ионосферу
эффективная мощность излучения ВН превышает 40 МВт и при этом имеет место
эффективное взаимодействие мощной радиоволны с плазмой F2-слоя, которое
проявляется на ионограммах вертикального зондирования как генерация сильного
F-рассеяния (или Fspread) и появления аномального ослабления радиоволн
О-поляризации на частотах около и выше частоты ВН.
В разделе 3.2.3 приведены выводы по стимуляции высыпаний над стендом
«Сура».
Суммируя все полученные экспериментальные данные, можно заключить, что
область высыпаний вытянута вдоль геомагнитного меридиана, имея продольные
размеры до 1160 км и поперечные — не меньше 400 км. Следует также отметить, что
в условиях отсутствия длительное время геомагнитных возмущений перед
измерениями максимум интенсивности высыпаний может быть смещён к северу от
*тр на 200 – 300 км при отсутствии высыпаний вблизи широты *тр (вблизи стенда
«Сура»).
В разделе 3.3 приводятся результаты исследований высыпаний из
радиационного пояса Земли в магнитосопряженной относительно стенда «Сура»
области ионосферы.
В разделе 3.3.1 приводятся результаты исследований высыпаний в МСО в
естественных условиях (при неработающем стенде «Сура»).
Выполненные исследования позволили сделать следующие выводы:
1) Во время авроральной активности невысокого уровня (Кр  2 в течение
нескольких предшествующих измерениям дней, при этом, в день измерений индекс
АЕ не превышал значений 150 – 200 нТл) северная граница интенсивных высыпаний
на долготе центра МСО для времени Т ≈ 18:00 UT, когда проводились измерения с
ИСЗ DEMETER, не опускается ниже географической широты 39 – 40° ю. ш. Севернее
этой области высыпания либо вообще отсутствовали, либо имели низкую
интенсивность с энергией электронов Е  100 кэВ при величине их потока F  10.
Таким образом, широта границы с сильными высыпаниями при невысоком уровне
авроральной активности находится заметно южнее широты центра МСО.
2) С ростом значений индекса АЕ южная граница области с сильными
естественными высыпаниями опускается на более южные широты, и при
АЕ ≥ 200 нТл она уже может достигать широты 36 – 37° ю. ш. При этом положение
южной границы зоны высыпаний в большей степени контролируется
среднесуточным значением индекса АЕ, а не текущим его значением прямо во время
измерений.
3) Уменьшение в значениях энергии между авроральной областью и центром
предполагаемой МСО (то есть в области от 46° ю. ш. до 53° ю. ш.) незначительно
(падение не превышает 10-20 кэВ).
4) Наблюдаемые значения энергий и потоков высыпающихся электронов более
определяются индексом АЕ, чем Кр.
В разделе 3.3.2 приводятся результаты исследований высыпаний в
искусственных (когда стенд работал) условиях.
По итогам проведённых сеансов были сформулированы условия появления
искусственных высыпаний в магнитосопряженной области. Необходимо, чтобы:
а) частота волны накачки (ВН) fВН не превышала критическую частоту
F2-области f0F2;
б) мощность ВН Рэфф ≥ 50 МВт;
в) отсутствовал спорадический Еs-слой, экранирующий F2-область ионосферы;
г) прошло менее 15 дней с последней суббури (в противном случае низкая
степень наполненности радиационного пояса энергичными электронами будет
препятствовать генерации интенсивных высыпаний). Однако стоит отметить, что
непосредственно во время суббури достоверная регистрация искусственных
высыпаний сильно осложнена высоким уровнем естественных высыпаний.
На основании проведённых экспериментов искусственные высыпания
высокоэнергичных электронов в МСО из радиационного пояса Земли, вызванного
стимуляцией ионосферы мощными КВ радиоволнами, имели следующие
характеристики:
а) максимальная энергия высыпающихся электронов составляет Е ~ 150 кэВ
при величине потока F ≥ 10, даже в случаях относительно спокойных геомагнитных
условий;
б) максимум интенсивности высыпаний наблюдается в центре МСО;
в) к югу от МСО наблюдается резкое уменьшение энергии высыпающихся
частиц между авроральной областью и центром МСО (~ от 46° до 53° ю. ш.).
г) зона стимулированных модификацией ионосферы высыпаний энергичных
электронов в магнитосопряженной области может иметь пространственные размеры
до 2200 км вдоль геомагнитного меридиана и до 550 км поперёк его.
Стоит отметить, что, при сравнении экспериментов по стимуляции высыпаний
в области над стендом «Сура» [А25] с экспериментами, по измерению высыпаний в
МСО, во втором случае наблюдается значительно больший разброс, как в значениях
энергий, так и в значениях потоков: больше доля и сеансов с очень заметными
эффектами (Е ≥ 150 кэВ, F ≥ 100), и неудачных, когда высыпания не отличаются от
естественного уровня. Причины, почему сеансы оказываются более эффективными в
южном полушарии, вероятно, связаны с ролью Южно-атлантической магнитной
аномалии (ЮАМА). В области ЮАМА магнитное поле Земли заметно слабее, чем в
прилежащих областях, что приводит к более слабому запиранию энергичных частиц,
в результате чего эти частицы проникают глубже в верхние слои атмосферы, чем это
было бы в случае отсутствия аномалии.
В разделе 3.3.3 приведены выводы по стимуляции высыпаний в МСО.
Результаты выполненных исследований позволяют заключить, что в тех
случаях, когда не выполнялись условия генерации интенсивных плазменных
возмущений вблизи высоты отражения ВН, не наблюдалась стимуляция высыпаний
энергичных электронов, которые имели бы явно искусственный характер. Все эти
условия соответствуют требованиям генерации ИИН, хотя выполнение этих условий
не является достаточным для стимуляции искусственных высыпаний (например,
низкая степень наполненности радиационного пояса энергичными электронами будет
являться причиной отсутствия высыпаний).
Важно отметить, что значения энергий и потоков высыпающихся электронов,
полученных в рамках настоящей работы, оказались сопоставимы со значениями этих
величин в случае исследования аналогичных явлений в возмущённой магнитной
силовой трубке над стендом «Сура» (Е ~ 100 кэВ, F ≥ 10).
Область высыпаний в МСО в представленных экспериментах имеет размеры до
~ 2200 км вдоль геомагнитного меридиана и до ~ 550 км поперек него. Этот
результат превосходит результаты сеансов генерации искусственных высыпаний над
стендом «Сура».
В разделе 3.4 представлено заключение по третьей главе и сформулированы
основные её результаты.
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе диссертационного исследования были получены следующие
результаты:
1) Впервые проведен детальный анализ характеристик возмущений плотности
и температуры плазмы, индуцируемых на высотах 450 – 500 км при работе стенда
«Сура». Измерения выполнялись с помощью бортовой аппаратуры спутников
SWARM. Определено, что на высотах 450 – 500 км вариации плотности и
температуры плазмы обнаруживаются на расстояниях до 200 км вдоль орбиты ИСЗ,
что в 1.5 – 3 раза превышает горизонтальные размеры центральной части ВО
ионосферы на уровне отражения ВН, где наблюдается развитие наиболее
интенсивной искусственной ионосферной турбулентности и наиболее сильный
разогрев плазмы. Плазменные возмущения характеризуются изменениями и
вариациями (до 7 %) концентрации электронов, а также изменениями и вариациями
(до 8 %) температуры электронов. С точностью до 1 % не было обнаружено
характерного для дактов увеличения плотности плазмы с размерами  100 км
поперёк линий геомагнитного поля, которые регистрировались на высотах  660 км в
экспериментах с ИСЗ DEMETER.
2) Обнаружено возбуждение направленных вниз продольных электрических
токов, отвечающих выносу электронов из области разогрева вдоль линий
геомагнитного поля; за границей этой области зарегистрированы токи
противоположного направления, отвечающие движению электронов вниз вдоль
силовых линий. Данная картина соответствует униполярному характеру
термодиффузионного развития плазменных возмущений с генерацией вихревых
токов, продольные компоненты которых определяются движением электронов вдоль
магнитного поля, а поперечные — движением ионов поперёк него. Локализованные
пики плотности наблюдаемых электрических продольных токов достигают
0.02 μA/м2.
3) Проведен анализ результатов измерений высыпаний энергичных электронов
(с энергиями E  200 кэВ) из радиационного пояса Земли при модификации
F2-области ионосферы мощными короткими радиоволнами с O-поляризацией в
режиме их непрерывного излучения, как над стендом «Сура», так и в
магнитосопряженной области. В результате, были определены условия возбуждения
высыпаний (fВН ˂ f0F2, Рэфф ≥ 50 МВт в условиях наполненности радиационного пояса
энергичными электронами) и признаки искусственного характера наблюдаемых
высыпаний (максимум плотности потока высыпаний имеет место вблизи центра
возмущенной магнитной силовой линии с F  10 – 100 эл/(см2сстеркэВ) при
энергии электронов E ≈ 100 – 150 кэВ). Область высыпаний была вытянута вдоль
геомагнитного меридиана на расстояние до 1160 км (размеры области в поперечном
направлении составляли ~ 400 км) в северном полушарии и до ~ 2200 км (размеры
области в поперечном направлении составляли ~ 550 км) в южном полушарии.
Механизм стимуляции высыпаний электронов из радиационного пояса Земли
объясняется взаимодействием энергичных электронов с ОНЧ излучениями.
Генерация ОНЧ волн при нагреве ионосферы в режиме несущей происходит за счёт
возбуждения нижнегибридных волн при развитии тепловой (резонансной)
параметрической неустойчивости с последующей их трансформацией в ОНЧ волны,
которые покидают область резонансного взаимодействия ВН с плазмой и уходят
вдоль силовых линий геомагнитного поля в магнитосферу.
В научном плане результаты дают основу для более глубокого понимания
особенностей взаимодействия мощных радиоволн с ионосферной плазмой, условий и
механизмов формирования на высотах внешней ионосферы плазменных возмущений.
Полученные в работе результаты рекомендованы для сотрудников следующих
научно-исследовательских учреждений: ИКИ РАН, ИСЗФ СО РАН, ИЗМИРАН,
ПГИ КНЦ РАН, ИПФ РАН, ИРЭ РАН, КФУ и др. Результаты обладают перспективой
быть востребованными и развитыми в физике околоземного космического
пространства, распространении радиоволн в плазмоподобных средах, астрофизике и
др.