Введение........................................................................4
1. Вводная глава. Постановка проблемы..........................................17
1.1. Искусственная турбулентность F—области ионосферы..........................17
1.1.1. Общие свойства..........................................................17
1.1.2. Начальная стадия воздействия - стрнкционная параметрическая неустойчивость.................................................................18
1.1.3. Промежуточная стадия воздействия........................................20
1.1.4.Генерация верхнегибридиой турбулентности и мелкомасштабных неоднородностей................................................................20
1.2. Искусственное радиоизлучение ионосферы....................................22
1.3. Ускорение электронов, оптическое свечение.................................24
1.3.1.Физические представления.................................................24
1.4. Постановка проблемы.......................................................28
1.5. Приемно-передающая система стенда «Сура» '................................29
2. Исследования условий возбуждении и характеристик ионосферной плазменной турбулентности на стадии развития сгрикционной параметрической неустойчивости.
..........................................................................33
2.1. Основы теории стрнкциоиной параметрической неустойчивости.................33
2.2. Проведение эксперимента и обрабо тка данных...............................35
2.3. Экспериментальные результаты..............................................40
2.4. Обсуждение результатов....................................................46
2.5. Заключение................................................................50
3. Свойства стационарных спектров ИРИ при различных частотах воздействия,. 53
3.1. Свойства основных спектральных компонент ИРИ..............................53
3.2. Морфология стационарных сцсктров ИРИ в широком диапазоне частот волны накачки........................................................................55
3.2.1. Главный спектральный максимум и его сателнты (“downshifted maximum”,
DM)............................................................................59
3.2.2. Положительный максимум (upshifted maximum, UM)..........................60
3.2.3. Широкополосная компонента (broad continuum, ВС).........................61
3.2.4. Узкополосная компонента (narrow continuum, NQ...........................62
3.2.5. Широкий положительный максимум (broad upshifted maximum, BUM)...........63
2 •
3.2.6. Широкая положительная структура (broad upshifted structure, BUS).........64
3.2.7. Выводы...................................................................64
3.3. Исследование спектров искусственного радиоизлучения ионосферы в экспериментах по свипированию частоты мощной радиоволны в области гармоник электронного циклотронного резонанса............................................66
3.3.1. Постановка эксперимента .............................................. 68
3.3.2. Результаты экспериментов при вертикальном воздействии....................69
3.3.3. Результаты экспериментов при наклонном воздействии.......................77
3.4. Обсуждение результатов.....................................................79
3.4.2. Поведение NC„ DM, 2DM и UM при проходе гирогармоники.....................83
3.4.3. Поведение компоненты BUM.................................................91
3.4.4. Поведение ПРИ при наклонном воздействии..................................93
3.5. Выводы.....................................................................96
4. Восстановление СПИ после длительного нагрева ионосферы мощным КВ радиоизлучением.................................................................98
4.1. Методика и условия эксперимента.......................................... 99
4.2. Результаты эксперимента...................................................103
4.3. Обсуждение результатов....................................................106
4.4. Заключение................................................................107
Заключение.....................................................................109
Введение.
Околоземная плазма, в частности ионосфера, представляет собой удобный объект для изучения турбулентности магнитоактивной плазмы, как в естественных условиях, так и при различных искусственных воздействиях (излучение радиоволн с Земли и космических аппаратов, инжекция пучков заряженных частиц и различных химических реагентов). Систематические исследования процессов нелинейного взаимодействия мощного коротковолнового радиоизлучения с ионосферной плазмой начали проводиться с 70-х гг. в СССР и США. В настоящее время экспериментальные исследования искусственной турбулентности ионосферы, возникающей в ноле мощных КВ радиоволн, проводятся на нагревных стендах (радиокомплексах) «Сура» (ФГ11У НИРФИ, Россия), EISCAT (Тромсе, Норвегия), HAARP и HIP AS (Аляска, США), SPEAR на о. Шпицберген. Диагностика возмущенной области ионосферы осуществляется различными радиофизическими методами: с помощью ее зондирования и просвечивания радиоволнами КВ, УКВ и СВЧ диапазонов (пробные волны, ракурсное рассеяние, резонансное рассеяние, радары когерентного и нскогереитного рассеяния), а также при измерениях излучения из возмущенной области в оптическом и радио диапазонах; ряд исследований был проведен при запусках геофизических ракет через возмущенную область. В экспериментах изучаются различные искусственные возмущения F-области ионосферы: структура пространственного и частотного спекгра квазипотенциальных волн; пространственные спектры и динамика искусственных неоднородностей электронной концентрации различных масштабов; дополнительная ионизация и оптическое свечение, вызываемые электронами, ускоренными плазменными волнами; искусственное радиоизлучение ионосферы; проникновение искусственной турбулентности плазмы во внешнюю ионосферу и др. Теоретический анализ полученных данных позволяет развивать современные представления о физике плазмы, находящейся в высокочастотном электрическом поле, инициировал развитие теории тепловых параметрических явлений в столкиовительной магнитоактивной плазме. Активно исследуются возможности и эффективность захвата верхнегибридных волн в мелкомасштабные неоднородности, вытянутые вдоль геомагнитного ноля, различные режимы ускорения электронов ленгмюровскими и верхнегибридными волнами и т. д. Актуальность проблемы исследований определяется необходимостью более глубокого понимания природы естественных и антропогенных возмущений параметров околоземной среды, их влияния на
работу телекоммуникационных систем наземного и космического базирования, а также поисками возможностей контроля системы «ионосфера-магнитосфера».
Необходимость изучения закономерностей поведения плазменной турбулентности в реальных средах ставит серьезные задачи получения из эксперимента как можно более полной информации о процессах, протекающих в магнитоактивной неоднородной плазме. В последнее время с быстрым развитием цифровой техники значительно выросли возможности получения информации об окружающей среде с помощью радиофизических методов. В диссертации с помощью комбинации традиционных (вертикальное зондирование ионосферы, измерение стационарных спектров принимаемого излучения с помощью последовательного приема в исследуемой полосе частот) и современных (регистрация сигналов в широкой полосе частот с высоким временным разрешением с помощью быстродействующих АЦП с высоким динамическим диапазоном и их последующим спектральным анализом) методов удалось получить существенно новую информацию о поведении ионосферной плазмы в ноле мощных радиоволи и заметно продвинуться в понимании физической картины происходящих явлений. Это и определило актуальность темы диссертационной работы.
Целью диссертационной работы являлось экспериментальное исследование характеристик искусственной ионосферной турбулентности (ИИТ) при различных условиях се возбуждения с помощью анализа самовоздействия мощной радиоволны (волны накачки, ВН) и свойств искусственного радиоизлучения ионосферы (ПРИ).
Это, во-первых, исследования свойств ИИТ на начальной стадии ее развития (стадии сгрикционной параметрической неустойчивости, СПИ) в зависимости от частоты ВН ГО, ее мощности РО и времени суток. Во-вторых, анализ свойств ИРИ на стационарной стадии воздействия (стадии тепловой параметрической неустойчивости, ТПИ) во всём диапазоне рабочих частот стенда «Сура» 4.3 < /о < 9.5 МГц. В-третьих, это детальное исследование поведения спектров ИРИ в зависимости от частоты воздействия /о вблизи электронных гирогармоник, /0 ~ п/сс. В соответствии с геофизическими условиями эти исследования проводились при л=4,5. В четвертых, это анализ конкуренции лснг.мюровской турбулентности, возникающей в результате развития СПН, и верхнегибридной турбулентности, возникающей в результате развитая ТИН, при переходе от непрерывного режима напева ионосферы мощным КВ радиоизлучением к импульсному режиму с малой скважностью.
Исследования искусственной турбулентности ионосферной плазмы проводились в ФГНУ НИРФИ на специализированном стенде «Сура», расположенном в 140 км к востоку
от Нижнего Новгорода в р/п Васильсурск (географические координаты 56.1° с.ш. и 46.1° п.д.). Приемо-передающий комплекс стенда оснащен тремя независимыми передающими секциями с общей эффективной мощностью излучения 150 - 300 МВт и
автоматизированной системой управления. Диапазон рабочих стенда «Сура» составляет 4.3 - 9.5МГц, мощность передатчиков Р=250 кВт*3 = 750 кВт, коэффициент усиления антенной системы стенда соегавляст О = 200 380. Стенд «Сура» оснащен цифровым
ионозондом «Базис», регистраторами искусственного радиоизлучения ионосферы. Для регистрации ИРИ и отраженного от ионосферы сигнала волны накачки использовались программируемый спектри ал изатор ІІР3585А, несколько профессиональных КВ приемников «Катран», многофункциональные платы АЦП АТ-МІ016-Е2 и Ь1450-32, персональные компьютеры тина «Репбит» и оригинальное программное обеспечение, созданное на основе языка графического программирования «ЕаЬУ1Е\У»; многофункциональное трехканальное КВ радиоприемное устройство (РПУ) с диапазоном частот 1-30 МГц и динамическим диапазоном 90 дБ, сопряженное с системой цифровой обработки сигнала промежуточной частоты 2500 кГц в полосе до 500 кГц, позволяющее проводить регистрацию, фильтрацию и спектральную обработку радиосигналов в реальном времени.
На основе экспериментальных исследований эффекта ССВ и теоретических представлений об СПН определены пороговые поля и инкременты СПН в ионосфере зависящие от частоты ВИ и высоты се отражения, а также времени суток.
Детально изучены морфологические характеристики (форма спектра, интенсивность) ИРИ во всем диапазоне частот стенда «Сура» при стационарном (длительном) воздействии на ионосферу.
По оригинально разработанной методике детально исследованы основные характеристики различных спектральных компонент ИРИ в узких областях частот ВЫ вблизи 4-й и 5-й электронных гирогармоник; сделаны выводы о физических механизмах генерации различных компонент ИРИ, уточнен метод определения электронной циклотронной частоты и плотности плазмы в области взаимодействия мощной радиоволны с ионосферой.
Исследован процесс конкуренции различных механизмов возбуждения турбулентности на стадии релаксации искусственных мелкомасштабных неоднородностей.
б
Результаты работы являются основой для развития новых методов дистанционной диагностики искусственных и естественных ионосферных возмущений, построения наиболее полной физической картины явлений, происходящих при взаимодействии мощных высокочастотных электромагнитных волн в магнитоактивной плазмой, в частности, КВ радиоволн с ионосферой Земли. Методика проведения экспериментов планируется к использованию при проведении исследований на стенде НАДИР. Полученные результаты представляют несомненный интерес для сообщества исследователей, ведущих работы на нагрсвиых стендах «Сура», Е1БСАТ, НААЛР, Агесйэо. а также для следующих организаций и учреждений РФ: ФИАН им. П.П. Лебедева, ФГНУ ИИРФИ, НПФ РАН, ИКИ РАН, ИЗМИРАН, КПФУ, МарГТУ, ДАНИИ, СибИЗМИР.
Результаты работы неоднократно докладывались на российских и международных конференциях и симпозиумах. Были сделаны доклады на:
• (Седьмой) Научной конференции по радиофизике, посвященной 90-летию со дня рождения В.(’.Троицкого, Нижний Новгород, 7 мая 2003 г.; (Восьмой) научной конференции по радиофизике, посвященной 80-летию со дня рождения Б.Ы.Гсршмана, Нижний Новгород, 7 мая 2004 г. и (Девятой) Научной конференции по радиофизике «Факультет - ровесник Победы»,Нижний Новгород, 7 мая 2005 г.
• У1-ой и УН-ой Международных Суздальских симпозиумах 1ЖБ1. Москва, 2004, 2007 г.
• 35-ой научной ассамблее СОБРАЛ, Париж, Франция 2004 и 36-ой научной ассамблее СОБРАЛ Пекин, Китай 2006,
• XXI Всероссийской научной конференции по распространению радиоволн, Йошкар-Ола, 2005,
• 8-ой и 9-ой Нижегородской сессии молодых учёных, 2003,2004 г.
По результатам исследований, составивших основу диссертации, опубликовано 31 научная работа, включая 6 статей в реферируемых журналах.
Работы, результаты которых вошли в диссертацию, были поддержаны проектами РФФИ и ЮТАБ.
Диссертант принимал непосредственное участие в обсуждении постановки задачи, экспериментальных работах на стенде «Сура», обработке и анализе полученных данных, обсуждении и физической интерпретации результатов. В процессе анализа полученных
7
данных им, в частности, были обнаружены эффект асимметрии в поведении спектров ИРИ при /о<п/сс и /о>п/сс для наклонного воздействия и восстановление «ленгмюровских» компонент ИРИ при переводе режима излучения волны накачки от непрерывного к импульсному; установлено значение частот вблизи электронных гирогармоник, при которых имеет место максимальное подавление ИРИ.
Диссертация состоит из введения четырех глав и заключения. Общий объём работы -113 страниц, включая 108 страниц основного текста, 30 рисунков и списка литературы из 106 наименований
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРИАЦИИ
Во Введении обосновывается актуальность темы диссертационной работ«,I, формулируются сс цели, научная новизна и практическая значимость, представлены основные положения, выносимые па защиту, кратко изложено содержание диссертации.
В первой вводной главе дан краткий обзор существующих к настоящему времени представлений о процессах, протекающих в ионосфере под действием мощных радиоволн и приводящих к возбуждению ИИТ, а также современного состояния исследований, проводится постановка проблемы, решаемой в диссертации. Приводятся сведения о начальной стадии воздействия, на которой основную роль играет стрикциопная параметрическая неустойчивость (СПН); описание промежуточной стадии воздействия -генерация «пичков» в спектре отраженного сигнала 13Н, - а также генерации верхнегибридной турбулентности и мелкомасштабных неоднородностей, вытянутых вдоль геомагнитного ноля, в результате развития тепловой параметрической неустойчивости (ТПН) при длительном (стационарном) воздействии. Приводятся основные сведения об искусственном радиоизлучении ионосферы (ИРИ), ускорении электронов плазменными волнами, оптическом свечении ионосферы. Приводится также описание приемнопередающей системы стенда «Сура».
Вторая глава посвящена результатам исследования характеристик развития нелинейных эффектов на начальной стадии взаимодействия мощного КВ радиоизлучения с плазмой И-области ионосферы. Экспериментальные измерения были выполнены на иагревном стенде «Сура» в широком диапазоне частот волны накачки (4.5 - 9.0 МГц) в различное время суток при различной длительности (0.3 - 100 мс) и мощности воздействующего излучения (1-30 МВт). Проведенные измерения позволили исследовать
зависимость порогов возбуждения и амплитудно-временных характеристик эффекта стрикционного самовоздсйствия волны накачки, а также характеристик релаксации искусственного радиоизлучения ионосферы от параметров воздействия и ионосферных условий. Проведено сопоставление результатов измерений и характеристик развития стрикционной параметрической неустойчивости в ионосферной плазме.
В разделе 2.1 приведены основы теории стрикционной параметрической неустойчивости. Стрикционная параметрическая неустойчивость (СПИ) является наиболее быстрым процессом, возникающим вблизи точки отражения мощного радиоизлучения обыкновенной поляризации в первые несколько миллисекунд после его включения. Она развивается вследствие стрикционного выдавливания плазмы из областей с повышенной интенсивностью электрического поля под действием стрикционной силы (силы Миллера).
В ионосфере в результате развития СПН вблизи уровня отражения волны накачки, где у5>с2 = /о2 возбуждаются плазменные волны с частотами ниже ВН, волновыми векторами к] || Но , и длиной волны порядка нескольких десятков сантиметров, а также низкочастотные возмущения типа ионно-звуковых колебаний с частотой порядка нескольких килогерц. Поскольку в изотермической плазме (где Тс ~ 7ь 7'с,\ - температура электронов и ионов, соответственно) ионный звук сильно затухает, то в ионосфере имеет место не столько раснадный процесс электромагнитной волны I в плазменную / и ионио-звуковую 5* (7—> / + х), сколько индуцированное рассеяние волны накачки в
ленгмюровские волны на тепловых ионах.
В неоднородной ионосфере существенным становится разбухание поля вблизи точки отражения ВН, и при увеличении мощности ВН порог СПН достигается сначала в первых максимумах функции Эйри вблизи точки отражения. На эксперименте СПН проявляется, в первую очередь, в виде эффекта стрикционного самовоздсйствия ВН (ССВ ВН) - как быстрое (за несколько миллисекунд) уменьшение амплитуды отраженного от ионосферы сигнала ВН, - и сопровождается значительным увеличение,м интенсивности плазменных шумов вблизи уровня отражения мощного радиоизлучения.
Раздел 2.2 описывает методику проведения эксперимента и обработки данных. В мае 2001 г. на нагревном стенде «Сура» были проведены детальные экспериментальные исследования характеристик эффекта ССВ ВН в широком диапазоне частот«4.5-9 МГц в дневное и вечернее время суток (14 ч - 21 ч мск.), когда мощное радиоизлучение отражалось на высотах Р - слоя ионосферы (И = 180 - 320 км). Высотные профили плотности ионосферной плазмы определялось с помощью монограмм, которые снимались в автоматическом 15 минутном режиме с помощью импульсной ионосферной станции
- Киев+380960830922