CC BY
49
УДК 550.388:621.396
В.П. Сивоконь, И.М. Ворошилов, А.Е Машарова, Э.В. Матанская
ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ФАКТОР ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА ИОНОСФЕРУ
Для обеспечения передачи информации на суда в высоких широтах широко используются декамет-ровые каналы связи. Для увеличения их эффективности может быть использован механизм волноводного ионосферного распространения. Реализация этого механизма возможна, в том числе, путем создания искусственных неоднородностей ионосферы при активном воздействии на нее мощным коротковолновым излучением. В силу малой по сравнению с естественными процессами энергетики воздействия необходимо учитывать гелиогеофизические условия, которые отличаются динамичностью. На основе анализа экспериментов, проводившихся в октябре - ноябре 2017 г. на нагревном стенде Тромсе, предпринята попытка оценки возможности использования нагревных технологий для формирования условий волноводного распространения декаметровых волн в ионосфере. При этом впервые используются возможности, заложенные в программно-определяемые радиосистемы.
Ключевые слова: ионосфера, магнитоориентированные неоднородности, распространение радиоволн.
V.P. Sivokon, I.M. Voroshilov, A.E. Masharova, E.V. Matanskaya GEOPHYSICAL FACTOR OF EFFECTIVENESS ON IONOSPHERE
For data transfer to vessels in high latitudes decametric communication channels are widely used. For increasing their efficiency the mechanism of waveguide ionospheric propagation can be used. Realisation of this mechanism is possible through the creation of artificial ionosphere irregularities under active influence of powerful short-wave radiation on it. Owing to small, in comparison with natural processes, energy effects, it is necessary to consider heliogeophysical conditions which are dynamic. Based on the analysis of experiments conducted in October-November of 2017 on high-power heating facility in Tromso, the attempt is made to estimate the possibility of using high-power heating technologies for forming the conditions of waveguide propagation of deca-metric waves in the ionosphere. With that for the first time potentialities of software defined radio are used.
Key words: ionosphere, field-aligned irregularities, propagation of radio-waves.
DOI: 10.17217/2079-0333-2018-43-30-36
В статье [1] рассматривался вопрос возможности возбуждения ионосферного волновода с использованием искусственных магнитоориентированных неоднородностей. Показано, что при определенных условиях такая задача выполнима, что подтверждено приемом нагревного излучения на Камчатке. Дальнейшее развитие этого направления исследований ограничивается тем обстоятельством, что проведение нагревных экспериментов в стране не осуществляется: собственный нагревной стенд «Сура» морально устарел и технически изношен [2]. Работы, выполнявшиеся ранее нашими исследователями на EISCAT [3, 4], прекращены на неопределенное время. Сложилась ситуация, которую президент РАН охарактеризовал следующим образом: «...в ряде областей науки мы не можем конкурировать с зарубежными коллегами, но должны хотя бы понимать, что происходит во всей науке и не пропустить новые направления» [5]. Отсюда можно сделать вывод, что в выбранном нами направлении исследований необходимо ориентироваться на анализ экспериментов на зарубежных нагревных стендах, таких как ЕКСАТ, благо, пока доступ к данным [6] открыт. Для понимания отрабатываемых технологий целесообразно сопоставление их особенностей с геофизическими условиями, в которых они проводятся.
Осенью 2017 г. в Тромсе проводились следующие работы.
Октябрь:
B. Gustavsson (программа N0(42)):
- исследования роли стратификации электронной концентрации на распространение Z-моды через Z-слой ионосферы;
- исследование роли нагревной волны на распространение Z-моды через Z-слой ионосферы и увеличения обратного рассеяния ионно-акустических волн верхней ионосферой;
- изучение влияния горизонтальных вариаций электронной концентрации на эффективность нагревных экспериментов.
Hiroatsu Sato (программа PP(20)):
- наблюдение плазменных неоднородностей, созданных нагревом EISCAT, с использованием системы GNSS+SAR (Global Navigation Satellite System + Search And Rescue).
Ноябрь:
Xu Tong (программа CN(4)):
- исследования гиромагнитных эффектов при излучении необыкновенной волны и резонансного поглощения при генерации обыкновенной волны.
Hiroatsu Sato (программа PP(20)):
- наблюдения плазменных неоднородностей, созданных нагревом EISCAT.
Xu Tong (программа CN(8)):
- нагревные эксперименты с целью генерации экстремально низких и сверхнизких частот с использованием амплитудной модуляции и технологии «Beat-wave».
B. Gustavsson (программы NO (42), SE (30)):
- изучение эффекта магнитного зенита для обыкновенной волны в условиях невозмущенной ионосферы;
- исследование распространения Z-моды в условиях возможной самофокусировки нагревной волны.
Воздействие на ионосферу мощным коротковолновым излучением в любом случае приводит к изменению свойств ионосферной плазмы, но конечный результат определяется высотой и технологией воздействия. Для увеличения эффективности воздействия используют эффекты гиромагнитного резонанса и магнитного зенита. При воздействии электромагнитной волны на плазму ионосферы электроны совершают движение вокруг силовой линии магнитного поля Земли с частотой
_ eH H 2imc'
где e и m - заряд и масса электрона; c - скорость света, Н - напряженность магнитного поля Земли. В том случае, когда наблюдается равенство нагревной и гиромагнитной частот, имеет место гиромагнитный резонанс. Величина fH определяется Н, которая в свою очередь зависит от широты и высоты и составляет 1,32-1,45 МГц. На таких низких частотах трудно получить высокие значения коэффициента усиления передающих антенн, поэтому используют гармоники гиромагнитной частоты до шестой включительно [4].
Эффект магнитного зенита связан с селективным поляризационным возбуждением характеристических волн в ионосфере. Если использовать нагревную волну линейной поляризации, то у основания ионосферы происходит расщепление исходной волны на обыкновенную и необыкновенную магнитоионные компоненты. Эти компоненты имеют различные поляризационные характеристики и степень воздействия на плазму ионосферы. Поэтому на высокоширотных стендах применяют селективное возбуждение одной из компонент. Однако в случае вертикального излучения с учетом магнитного наклонения излучаемая волна должна обладать эллиптической поляризацией с возможностью управления коэффициентом поляризации и положением большей оси эллипса, что трудно решить технически. В случае излучения вдоль силовой линии магнитного поля Земли имеет место продольное распространение, для которого характеристические волны обладают круговой поляризацией. В этом случае управление селективным возбуждением сводится к изменению направления вращения вектора напряженности излучаемой волны. Использование эффекта магнитного зенита позволяет значительно увеличить эффективность воздействия, однако, как показали наши исследования [7], степень селективного возбуждения одной из магнитоионных компонент зависит от состояния магнитного поля Земли.
Еще одним способом повышения эффективности воздействия является создание дактов плотности - интенсивных вытянутых вдоль геомагнитного поля неоднородностей плотности плазмы. Размеры создаваемых дактов зависят от решаемых задач. Так, например, для закачки ОНЧ излучения наземного передатчика в магнитосферу используются крупномасштабные неоднородности [8]. Вместе с тем в [9] показано, что, в зависимости от используемых частот и поляризаций нагревной волны, размеры неоднородностей электронной концентрации могут быть от мелкомасштабных с поперечными размерами, меньшими десятков метров до крупномасштабных в несколько десятков километров. Используя дакты плотности, можно сформировать своеобразные линзы для декаметровых волн [10].
При проведении нагревных экспериментов была установлена возможность трансформации обыкновенной волны в Z-моду, от left-handed polarisation [11]. Такая волна отличается траекторией [12] и может быть использована для возбуждения межслоевого волновода [13]. Из вышеприведенного анализа следует, что эксперименты, проводившиеся по программам N0(42), SE(30), соответствуют интересующему нас направлению.
Поскольку нами планировалось сопоставление реальной геофизической обстановки с той, в которой технологии наиболее эффективны, мы провели это сравнение для программ CN(4) и CN(8), выполнявшихся китайскими коллегами. Если программа CN(4) близка по направлению к ранее описанным, то программа CN(8) отличается как уровнем воздействия (слой Е, а не F), так и способом воздействия: амплитудно-модулированное коротковолновое излучение в отличие от гармонического колебания на гармонике гиромагнитной частоты. Генерация ионосферными токами электромагнитного излучения на частоте модуляции нагревной волны была получена впервые в нашей стране [14]. В этой же работе указывалось, что эффективность воздействия будет выше, когда сила тока в электроструе будет большей, что соответствует возмущенному магнитному полю Земли. Технология «Beat-wave» [15] апробировалась в рамках программы HAARP, заключалась в использовании двух близких по величине частот, что приводит к биениям и генерации излучения в диапазоне крайне низких частот. Метод направлен на увеличение эффективности генерации крайне низких частот и уменьшение ее зависимости от тока в электроджете.
Одним из условий эффективности нагревных экспериментов является использование на-гревной частоты, не превышающей критической частоты слоя, на который оказывается воздействие. Используя данные ионозонда DPS-4, проведем такое сравнение (рис. 1).
Рис. 1. Сопоставление нагревной и критической частоты слоя F
Из рис. 1 видно, что вторая половина экспериментов проходила в неоптимальных условиях, а в отдельных случаях на ионограммах наблюдалось ^-рассеяние.
При проведении экспериментов по формированию искусственных неоднородностей ионосферы желателен минимум естественных возмущений электронной концентрации, что соответствует спокойному магнитному полю Земли. В то же время в экспериментах по генерации электромагнитного излучения путем модуляции электроджета ток в нем по возможности должен быть максимальным, что соответствует возмущенному полю. Для оценки используем вариации Dst [16] университета Киото (рис. 2).
Рис. 2. Вариации Dst во время проведения экспериментов
Из сопоставления ионосферных и магнитных данных в рамках проведенных экспериментов следует, что относительно благоприятные условия были у B. Gustavsson (программа N0(42)). Если учесть, что программа проведения исследований была составлена как минимум за месяц, а такой долгосрочный прогноз в настоящее время невозможен, следует признать, что планирование проведения экспериментов должно быть краткосрочным.
В работе [1] нами показана возможность наблюдения нагревного излучения на Камчатке, но при этом приходится использовать сложную аппаратуру. В Европе увеличивается количество программно-определяемых радиосистем SDR (Software-defined radio)-радиоприемник, который использует технологию, позволяющую с помощью программного обеспечения устанавливать рабочую частоту, тип модуляции, полосу частот и записывать сигнал [17]. Приемники не отличаются стабильностью частоты, что не позволяет использовать их для оценки эффекта Доплера. Нет упорядоченности в типах применяемых антенн. Однако они имеют широкую географию, и при большой выборке наблюдений можно судить о направленных свойствах рассеиваемой на искусственных неоднородностях ионосферы нагревной волны. Более того, часть приемников находится в пределах прямой видимости зоны воздействия. Используя ионосферные данные, можно определить, какие станции будут находиться в пределах прямой видимости (рис. 3).
В отличие от SDR приемника университета Twente, который имеет полосу частот до 29,16 МГц, в других пунктах наблюдения выделены узкие полосы частот, которые не всегда совпадают с нагревной частотой. Тем не менее 6 ноября в 13:15-13:45 UT нагревное излучение наблюдалось в Ulvila, Shleswig, Twente, Bedford и Череповце на частоте 5423 кГц. При этом азимуты на эти пункты распределились следующим образом:
1. Bedford - 217 градусов.
2. Twente - 203 градуса.
3. Shleswig - 200 градусов.
4. Ulvila - 167 градусов.
5. Череповец - 131,6 градуса.
i^'V г*"' to- V V to- to- to- -v л- ss> чс 4v Nv 4to- ^ г\-Рис. 3. Распределение наблюдений нагревного излучения в разных пунктах
Кроме того, из рис. 3 видно, что Череповец и Ulvila находятся в пределах прямой видимости, что позволяет определить угол наблюдения относительно горизонта: 8 и 14 градусов соответственно. Магнитное склонение в Тромсе составляет 8,74°. Тогда отклонение от направления в магнитный зенит излучения в горизонтальной плоскости для Bedford составит +28,64 градуса, а для Череповца - 57,14 градуса. Такое большое отклонение вряд ли может быть объяснено ракурсным рассеянием, а рассеянием на магнитоориентированных неоднородностях, показанным нами ранее [1, 18], вполне объясняет.
Отметим, что в указанное время проводились эксперименты по программе С N4: исследования гиромагнитных эффектов при излучении необыкновенной волны и резонансного поглощения при генерации обыкновенной волны, в ходе которых генерация искусственных магнитоори-ентированных неоднородностей весьма вероятна.
Выводы
1. Показана возможность использования программно-определяемых радиосистем для определения результатов активного воздействия на ионосферу.
2. Установлена нецелесообразность долгосрочного планирования экспериментов по модификации ионосферы: большую эффективность можно получить при оценке в реальном масштабе времени сведений о состоянии космической погоды.
3. Выявлено, что при проведении активных экспериментов возможно рассеяние нагревной волны в значительном телесном угле, а не только в конусе рассеяния.
Литература
1. Сивоконь В.П., Ворошилов И.М., Ханеня Б.Е. Наблюдения нагревного излучения на Камчатке // Вестник Камчатского государственного технического университета [Bulletin of the Kamchatka State Technical University]. - 2017. - Вып. 40. - С. 30-36.
2. URL: http://www.nirfi.unn.ru/images/myimg/departments/sura/results.html
3. Excitation of Artificial Ionospheric Turbulence in the High-Latitude Ionospheric F Region as a Function of the EISCAT / T.D. Borisova, N.F. Blagoveshchenskaya, T.K. Yeoman, I. Haggstrom // Heating Effective Radiated Power, Radiophysics and Quantum Electronics. - 2017. - Vol. 60, iss. 4. DOI 10.1007/s11141-017-9798-7.
4. Modification of the High-Latitude Ionospheric F Region By High-Power HF Radio Waves at Frequencies Near the fifth and Sixth Electron Gyroharmonics / T.D. Borisova, N.F. Blagoveshchenskaya, A.S. Kalishin, M.T. Rietveld, T.K. Yeoman, I. Haggstrom // Radiophysics and Quantum Electronics. - 2016. -Vol. 58, № 8 (Russian Original Vol. 58, № 8, August, 2015). DOI 10.1007/s11141-016-9629-2.
5. URL: http://allpravda.info/novyy-prezident-ran-aleksandr-sergeev-48751.html
6. URL: https://www.eiscat.se/scientist/data/
7. Сивоконь В.П., Дружин Г.И. Геомагнитный фактор Dst-вариаций в селективном возбуждении ионосферных характеристических волн // Геомагнетизм и аэрономия. - 2006. - № 4. -С.521-524.
8. Создание дактов плотности при нагреве ионосферы Земли мощным коротковолновым радиоизлучением / В.Л. Фролов, В.О. Рапопорт, Г.Я. Комраков, А.С. Полон, Г.А. Марков, М. Парро, Ж.Л. Pouf, Е.В. Мишин // Письма в ЖЭТФ. - Т. 88, вып. 12. - С. 908-913.
9. Фролов В.Л. Пространственная структура возмущений плотности плазмы, индуцируемых в ионосфере при ее модификации мощными КВ-радиоволнами: обзор результатов экспериментальных исследований // Солнечно-земная физика. - 2015. - Т. 1, № 2. - С. 22-48.
10. Focusing of HF radio-waves by ionospheric ducts / G.M. Milikha, A. Vartanyana, K. Papado-poulos, M. Parrot // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics (2011). D0I:10.1016/j.jastp.2011.02.022.
11. Leyser T.B., Nordblad E. Self-focused radio frequency L wave pumping of localized upper hybrid oscillations in high-latitude ionospheric plasma // Geophysical Research Letters. - Vol. 36. -L24105. D0I:10.1029/2009GL041438, 2009.
12. Nordblad E., Leyser T.B. Ray tracing analysis of L mode pumping of the ionosphere, with implications for the magnetic zenith effect. Ann. Geophys. - 2010. - 28. - Р. 1749-1759. - URL: www.ann-geophys.net/28/1749/2010/ doi:10.5194 / angeo-28-1749-2010.
13. Possible Evidence of L-mode Electromagnetic Wave Pumping of Ionospheric Plasma in Geomagnetic Zenith. 32nd URSI General Assembly and Scientific Symposium / T.B. Leyser, H.G. James, B. Gustavsson, M.T. Rietveld. - Montreal, 19-26 August 2017.
14. Обнаружение комбинационных частот при взаимодействии мощного коротковолнового излучения с ионосферной плазмой / Г.Г. Гетманцев, Н.А. Зуйков, Д.С. Котик, Л.Ф. Мироненко, Н.А. Митяков, В.О. Рапопорт, Ю.А. Сазонов, В.Ю. Трахтенгерц, В.Я. Эйдман // Письма в ЖЭТФ. - Т. 20, вып. 14. - С. 229-232.
15. On the altitude of the ELF/VLF source region generated during"beat-wave" HF heating experiments / R.C. Moore, S. Fujimaru, M. Cohen, M. Golkowski, M.J. McCarrick // Geophysical Research Letters. - 2012. - № 39. - L18101. - D0I:10.1029 /2012GL053210.
16. URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_realtime/201710/index.html
17. URL: http://www.websdr.org
18. Сивоконь В.П. Обратное рассеяние декаметровых волн на магнитоориентированных не-однородностях ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. - 2017. - Т. 57, № 3. - С. 343 -352.
Информация об авторах Information about the authors
Сивоконь Владимир Павлович - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН; доктор технических наук, профессор кафедры электро- и радиооборудования; [email protected]
Sivokon Vladimir Pavlovich - Kamchatka State Technical University; 683003, Russia, Petropavlovsk-Kamchatskу; Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation FEB RAS; Doctor of Technical Sciences, Professor of Electrical and Radio Equipment of Ships Chair; [email protected]
Ворошилов Иван Михайлович - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; студент
Voroshilov Ivan Mikhailovich - Kamchatka State Technical University; 683003, Russia, Petropavlovsk-Kamchatskу; Student
Машарова Анастасия Евгеньевна - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; студент
Masharova Anastasia Evgenievna - Kamchatka State Technical University; 683003, Russia, Petropavlovsk-Kamchatskу; Student
Матанская Эльвира Викторовна - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; студент
Matanskaya Elvira Viktorovna - Kamchatka State Technical University; 683003, Russia, Petropavlovsk-Kamchatskу; Student
