Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного радиоизлучения

Актуальность работы обусловлена необходимостью изучения крупномасштабных ( ~ 560 км) возмущений в нижней ионосфере, которые могут быть результатом взаимодействия подсистем в системе Земля – атмосфера – ионосфера – магнитосфера. До настоящего времени исследовались в основном эффекты, возникающие в пр...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2013
Main Author:	Черногор, Л.Ф.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Радіоастрономічний інститут НАН України 2013
Series:	Радиофизика и радиоастрономия
Subjects:	Радиофизика геокосмоса
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100090
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного радиоизлучения / Л.Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. — 2013. — Т. 18, № 1. — С. 49-64. — Бібліогр.: 28 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100090
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1000902025-02-23T18:57:25Z Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного радиоизлучения Великомасштабні збурення в нижній іоносфері, викликані дією потужного нестаціонарного радіовипромінювання Lower Ionosphere Large-Scale Disturbances Caused by Powerful Non-Stationary Radiation Черногор, Л.Ф. Радиофизика геокосмоса Актуальность работы обусловлена необходимостью изучения крупномасштабных ( ~ 560 км) возмущений в нижней ионосфере, которые могут быть результатом взаимодействия подсистем в системе Земля – атмосфера – ионосфера – магнитосфера. До настоящего времени исследовались в основном эффекты, возникающие в пределах диаграммы направленности антенны. Для возмущения ионосферной плазмы использовался нагревной стенд “Сура” (г. Нижний Новгород), для диагностики возникающих возмущений – ионозонд (г. Москва). Установлено, что включение/выключение стенда приводило к увеличению минимальной наблюдаемой частоты на ионограммах на 1.2 и 1.6 МГц в ночное и дневное время соответственно. Увеличение этой частоты обусловлено ростом поглощения зондирующей радиоволны в результате роста концентрации электронов в нижней ионосфере. Последнее, скорее всего, является результатом высыпания высокоэнергичных (~ 100 кэВ) электронов из магнитосферы в нижнюю ионосферу. Оцененная плотность потока электронов оказалась порядка 10⁷÷ 10⁸м⁻²∙с⁻¹. Подтверждено существование эффектов накопления, переключения и ударного возмущения. Актуальність роботи обумовлена необхідністю вивчення великомасштабних (~ 560 км) збурень у нижній іоносфері, які можуть бути результатом взаємодії підсистем у системі Земля – атмосфера – іоносфера – магнітосфера. До тепер досліджувались в основному ефекти, що виникають у межах діаграми спрямованості антени. Для збурення іоносферної плазми використовувався нагрівний стенд “Сура” (м. Нижній Новгород), для діагностики виникаючих збурень – іонозонд (м. Москва). Встановлено, що вмикання/вимикання стенду призводило до зростання мінімальної спостережуваної частоти на іонограмах на 1.2 і 1.6 МГц у нічний та денний час відповідно. Зростання цієї частоти зумовлено зростанням поглинання зондуючої радіохвилі внаслідок росту концентрації електронів у нижній іоносфері. Останнє, найімовірніше, є наслідком висипання високоенергійних (~ 100 кеВ) електронів із магнітосфери в нижню іоносферу. Оцінена густина потоку електронів склала щось близько 10⁷÷ 10⁸м⁻²∙с⁻¹. Підтверджено існування ефектів накопичення, перемикання й ударного збурення. The relevance of this study is due to the need of studying largescale (~ 560 km) disturbances in the lower ionosphere, which can be due to coupling among the subsystems in the Earthatmosphere-ionosphere-magnetosphere system. Until recently, the effects arising within the antenna beam have mainly been studied. The Sura heater near Nizhny Novgorod was used to stimulate disturbances in the ionospheric plasma, and the ionosonde near Moscow city was used as a diagnostic facility. The heater turn on/off resulted in an increase of 1.2 to 1.6 MHz in the minimum observable frequency in the ionograms during the night and day times, respectively. This frequency increase is caused by an increase in absorption of sounding radio waves due to an increase in the lower ionosphere electron density. The latter is probably due to energetic (~ 100 keV) electron precipitation from the magnetosphere into the lower ionosphere. Electron flux estimates are of the order of 10⁷÷ 10⁸m⁻²∙s⁻¹. The accumulation, switching off/on, and impact effects have been proved to exist. Автор благодарен В. Л. Фролову и Г. П. Комракову за обеспечение работы нагревного стенда, сотрудникам ИЗМИ РАН за непрерывное функционирование ионозонда и рецензенту за ряд полезных советов. 2013 Article Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного радиоизлучения / Л.Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. — 2013. — Т. 18, № 1. — С. 49-64. — Бібліогр.: 28 назв. — рос. 1027-9636 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100090 550.388 ru Радиофизика и радиоастрономия application/pdf Радіоастрономічний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Радиофизика геокосмоса Радиофизика геокосмоса
spellingShingle	Радиофизика геокосмоса Радиофизика геокосмоса Черногор, Л.Ф. Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного радиоизлучения Радиофизика и радиоастрономия
description	Актуальность работы обусловлена необходимостью изучения крупномасштабных ( ~ 560 км) возмущений в нижней ионосфере, которые могут быть результатом взаимодействия подсистем в системе Земля – атмосфера – ионосфера – магнитосфера. До настоящего времени исследовались в основном эффекты, возникающие в пределах диаграммы направленности антенны. Для возмущения ионосферной плазмы использовался нагревной стенд “Сура” (г. Нижний Новгород), для диагностики возникающих возмущений – ионозонд (г. Москва). Установлено, что включение/выключение стенда приводило к увеличению минимальной наблюдаемой частоты на ионограммах на 1.2 и 1.6 МГц в ночное и дневное время соответственно. Увеличение этой частоты обусловлено ростом поглощения зондирующей радиоволны в результате роста концентрации электронов в нижней ионосфере. Последнее, скорее всего, является результатом высыпания высокоэнергичных (~ 100 кэВ) электронов из магнитосферы в нижнюю ионосферу. Оцененная плотность потока электронов оказалась порядка 10⁷÷ 10⁸м⁻²∙с⁻¹. Подтверждено существование эффектов накопления, переключения и ударного возмущения.
format	Article
author	Черногор, Л.Ф.
author_facet	Черногор, Л.Ф.
author_sort	Черногор, Л.Ф.
title	Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного радиоизлучения
title_short	Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного радиоизлучения
title_full	Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного радиоизлучения
title_fullStr	Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного радиоизлучения
title_full_unstemmed	Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного радиоизлучения
title_sort	крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного радиоизлучения
publisher	Радіоастрономічний інститут НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Радиофизика геокосмоса
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100090
citation_txt	Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного радиоизлучения / Л.Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. — 2013. — Т. 18, № 1. — С. 49-64. — Бібліогр.: 28 назв. — рос.
series	Радиофизика и радиоастрономия
work_keys_str_mv	AT černogorlf krupnomasštabnyevozmuŝeniâvnižnejionosferevyzvannyevozdejstviemmoŝnogonestacionarnogoradioizlučeniâ AT černogorlf velikomasštabnízburennâvnižníjíonosferíviklikanídíêûpotužnogonestacíonarnogoradíovipromínûvannâ AT černogorlf lowerionospherelargescaledisturbancescausedbypowerfulnonstationaryradiation
first_indexed	2025-11-24T11:54:10Z
last_indexed	2025-11-24T11:54:10Z
_version_	1849672598148874240
fulltext	ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 1, 2013 49 Радиофизика и радиоастрономия. 2013, Т. 18, № 1, c. 49–64 © Л. Ф. Черногор, 2013 Л. Ф. ЧЕРНОГОР Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, пл. Свободы, 4, г. Харьков, 61022, Украина E-mail: Leonid.F.Chernogor@univer.kharkov.ua ÊÐÓÏÍÎÌÀÑØÒÀÁÍÛÅ ÂÎÇÌÓÙÅÍÈß Â ÍÈÆÍÅÉ ÈÎÍÎÑÔÅÐÅ, ÂÛÇÂÀÍÍÛÅ ÂÎÇÄÅÉÑÒÂÈÅÌ ÌÎÙÍÎÃÎ ÍÅÑÒÀÖÈÎÍÀÐÍÎÃÎ ÐÀÄÈÎÈÇËÓ×ÅÍÈß Актуальность работы обусловлена необходимостью изучения крупномасштабных ~( 560 км) возмущений в ниж- ней ионосфере, которые могут быть результатом взаимодействия подсистем в системе Земля – атмосфера – ионо- сфера – магнитосфера. До настоящего времени исследовались в основном эффекты, возникающие в пределах диаграм- мы направленности антенны. Для возмущения ионосферной плазмы использовался нагревной стенд “Сура” (г. Нижний Новгород), для диагностики возникающих возмущений – ионозонд (г. Москва). Установлено, что включение/выключение стенда приводило к увеличению минимальной наблюдаемой частоты на ионограммах на 1.2 и 1.6 МГц в ночное и дневное время соответственно. Увеличение этой частоты обусловлено ростом поглощения зондирующей радиоволны в результате роста концентрации электронов в нижней ионосфере. Последнее, скорее всего, является результатом высыпания высокоэнергичных ( 100∼ кэВ) электронов из магнитосферы в нижнюю ионосферу. Оцененная плотность потока электронов оказалась порядка .7 8 2 110 10 м с− −⋅÷ Подтверждено существование эффектов накопления, пере- ключения и ударного возмущения. Ключевые слова: мощное радиоизлучение, крупномасштабные возмущения, нижняя ионосфера, высыпание электронов, система ЗАИМ, взаимодействие подсистем УДК 550.388 1. Ââåäåíèå 1.1. Àêòóàëüíîñòü ðàáîòû Качественно новое изучение физических процес- сов в геокосмосе началось после того, как были сформулированы основные положения системной парадигмы [1–6]. В соответствии с этой парадиг- мой при изучении влияния потоков энергии “снизу” целесообразно планету и геокосмос рассматривать как систему Земля (внутренние оболочки) – ат- мосфера – ионосфера – магнитосфера (ЗАИМ), а при изучении влияния потоков энергии “сверху” – как систему Солнце – межпланетная среда – маг- нитосфера – ионосфера – атмосфера – Земля (СМСМИАЗ). В этих системах имеют место прямые и об- ратные связи между подсистемами. Для иссле- дования взаимодействия подсистем удобными и эффективными оказываются активные экс- перименты, когда место и время воздействия, а также параметры источника энергии заведомо известны. Среди активных экспериментов в гео- космосе особая роль отводится воздействию на ионосферную плазму мощного радиоизлуче- ния, которому последние сорок лет уделяется зна- чительное внимание, – опубликованы сотни статей, несколько монографий, сборников статей и темати- ческих выпусков журналов (см., например, [7–13]). Подавляющее число работ посвящено изучению эффектов в пределах диаграммы направленнос- ти нагревного стенда (локализованным возмуще- ниям) и преимущественно в F-области ионосфе- ры. В отличие от упомянутых трудов в настоящей работе обсуждаются крупномасш- табные (~ 560 км) возмущения и только в ниж- ней ионосфере. 1.2. Ïîñòàíîâêà çàäà÷è Еще в 1972 г. нами были обнаружены эффекты, свидетельствующие об увеличении концентрации электронов N в нижней ионосфере с временем за- паздывания по отношению к началу нагрева ионо- сферы мощным радиоизлучением 5 15tΔ ≈ ÷ мин [14–25]. Оказалось, что увеличение N на де- сятки–сотни процентов имело место не только вблизи нагревного стенда, но и на расстоянии 1000R ≈ км от него. В ходе таких экспериментов нам удалось выявить основные закономерности возникающих возмущений, которые были наз- ваны крупномасштабными. Возмущения в ниж- ней ионосфере были апериодическими, их появ- ление и время развития существенно зависели от состояния космической погоды и режима 50 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 1, 2013 Л. Ф. Черногор нагрева. Удалось выделить следующие три основ- ные эффекта. 1. Эффект накопления. При воздействии на ионосферу сравнительно короткими импульсами (длительность импульса ~ 1 5τ ÷ мин) реакция наблюдалась не при первом включении, а посте- пенно “накапливалась”. Время становления воз- мущений при этом составляло 5 15÷ мин. 2. Эффект переключения (эффект ударно- го воздействия). В ряде случаев всплески воз- мущений наблюдались при переключении мощ- ности или выключении нагревного стенда. 3. Эффект исчерпания (эффект ударного возмущения). Он заключался в том, что при длительном воздействии (в течение времени ~ 1 5TΔ ÷ ч) возмущения могли заканчиваться до выключения нагревного стенда. Все эти закономерности можно объяснить ак- тивизацией взаимодействий подсистем в систе- ме ЗАИМ при ударном воздействии на одну из подсистем. Схема взаимодействия подсистем будет описана ниже. Для подтверждения обнаруженных ранее зако- номерностей (см., например, [21, 22]) требуется постановка новых экспериментов. В настоящей работе для обнаружения крупномасштабных воз- мущений с масштабами около 560 км использо- вался ионозонд. Цель работы – исследование эффективности генерации апериодических крупномасштабных возмущений в нижней ионосфере при различных режимах работы нагревного стенда и различных состояниях космической погоды. 2. Ñðåäñòâà è ìåòîäû 2.1. Íàãðåâíûé ñòåíä “Ñóðà” Возмущение ионосферной плазмы стендом “Сура” осуществлялось с 27 августа по 4 сен- тября 2012 г. Режимы работы стенда и его пара- метры приведены в табл. 1. Несущая частота стенда в разных экспериментах изменялась от 4785 до 7815 кГц, поляризация радиоволн была обыкновенная либо необыкновенная. Длитель- ность импульсов воздействия варьировалась от 1 до 30 мин, в ряде случаев использовался непрерывный режим излучения. Эффективная мощность стенда приближалась к 150 МВт. Для достижения эффекта магнитного зенита во всех случаях диаграмма направленности ан- тенны была наклонена к югу на 12 .° Стенд расположен вблизи г. Нижний Новгород (Россия). Его географические координаты сле- дующие: 56.15° с. ш., 46.1° в. д. 2.2. Èîíîçîíä Для наблюдения за возмущениями в ионосфере, вызванными воздействием мощного радиоизлуче- ния, использовался цифровой ионозонд DPS-4, рас- положенный вблизи г. Москва (Россия). Его гео- графические координаты следующие: 55.5° с. ш., 37.3° в. д. Частота съема ионограмм – 1 ионограмма каждые 15 мин (ионограммы представлены на сайте <http://ulcar.uml.edu/DIDBase>). Расстояние R от стенда “Сура” до ионозонда составляет около 560 км. Погрешность отсчета частоты зондирующей радиоволны – не хуже 50 кГц. 3. Ñîñòîÿíèå êîñìè÷åñêîé ïîãîäû Состояние космической погоды контролировалось при помощи параметров солнечного ветра (кон- центрации частиц ,swn скорости ,swV температу- ры swT и давления ),swp компонент yB и zB меж- планетного магнитного поля, энергетической функции Акaсофу ,Aε а также индексов геомаг- нитной активности pK и .stD 26 августа 2012 г. геокосмическая среда была слабо возмущена, наблюдалось незначительное возмущение межпланетного поля (до (5 6)− ÷ нТл) и геомагнитного поля max( 4).pK < С 27 августа по 31 августа 2012 г. состояние космической погоды характеризовалось как спо- койное (см. рис. 1). Параметры солнечного вет- ра, межпланетного магнитного поля и геомаг- нитного поля слабо флуктуировали вокруг своих невозмущенных значений. 1 сентября 2012 г. значения swn увеличились до 6 3(1 2) 10 м−÷ ⋅ (рис. 2). Такие значения наблю- дались в течение первой половины суток 1 сен- тября, а также всех суток 2 сентября. В течение второй половины суток 3 сентября концентрация swn выросла до 7 32 10 м .−⋅ 4 и 5 сентября значе- ния swn также достигали 7 3~ 10 м .− Увеличение swn сопровождалось увеличением ,swV swT и .swp С 1 по 3 сентября 2012 г. компонента zB стала отрицательной, значения функции Aε увеличились ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 1, 2013 51 Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного... от 1 2÷ до 8 ГДж/с. Индекс pK увеличился от 1≈ до 4 6,÷ а stD -индекс уменьшился до (50 60)− ÷ нТл. Наступила сильная max( 6)pK = геомагнитная буря. Она продолжалась до 8 сентября 2012 г. 27.08.2012 г. 17:00–18:30 [+5; –5 мин] 4785 75 Три РПУ* синхронно 28.08.2012 г. 06:15–09:45 [+30; –30 мин] 4785 75 То же 12:00–12:30 – – – Настройка РПУ 13:00–13:30 Непрерывно 5828 110 Три РПУ синхронно 13:45–16:00 [+10; –10 мин] 5828 110 То же 16:00–16:30 – – – Настройка РПУ 16:40–18:30 [+10; –10 мин] 4785 80 Три РПУ синхронно 18:30–20:30 [+15; –15 мин] 4785 80 То же 29.08.2012 г. 06:00–09:30 [+30; –30 мин] 4785 80 То же 10:45–13:00 [+15; –15 мин] 6720 150 То же 13:15–13:45 Непрерывно 6720 150 То же 14:15–15:45 [+30; –30 мин] 5828 130 То же 16:05–18:30 [+10; –10 мин] 5828 130 То же 18:30–20:30 [+15; –15 мин] 5828 130 То же 30.08.2012 г. 07:00–09:30 [+30; –30 мин] 4785 70 То же 10:00–11:15 [+5; –5 мин] 6720 65 Только 1-й и 3-й РПУ 13:25–14:02 Непрерывно 6500 65 То же 14:20–14:40 То же 6500 65 То же 15:20–16:40 [+20; –10 мин] 5828 45 То же 17:00–18:25 [+5; –5 мин] 5828 45 То же 31.08.2012 г. 09:58–10:59 [+1; –1 мин] 4785 65 Три РПУ синхронно 16:00–19:45 [+15; –15 мин] 6720 65 То же 1.09.2012 г. 07:21–07:26 Непрерывно 7815 130 То же 07:30–07:33 То же 7815 130 То же 07:33–07:39 То же 7815 60 Только 1-й и 3-й РПУ 07:41–07:50 То же 7815 60 То же 09:51–09:56 То же 7815 110 Три РПУ синхронно 10:00–10:10 То же 7815 110 То же 10:13–10:25 То же 7815 110 То же 10:30–11:00 [+1; –1 мин] 7815 110 То же 11:00–12:30 [+10; –10 мин] 7815 110(60) С 11:05 1-й и 3-й РПУ 13:25–14:01 [+6; –4 мин] 7815 110 Три РПУ синхронно 14:19–16:03 [+3; –3 мин] 6720 6780÷ 120 То же 16:03–17:10 [+3; –3 мин] 6780 6660÷ 60 Только 1-й и 3-й РПУ 17:13–18:04 [+3 ± 10 с; –3 мин] 6660 75 То же 2.09.2012 г. 06:00–10:30 [+30; –30 мин] 4785 80 Три РПУ синхронно 13:30–14:00 Непрерывно 4785 80 То же 15:00–18:30 [+30; –30 мин] 4785 80 То же 3.09.2012 г. 16:00–16:15 Непрерывно 5828 115 То же 16:39–16:47 – – – Настройка РПУ 17:00–17:15 Непрерывно 6720 140 Три РПУ синхронно 17:35–17:45 То же 5455 120 То же 18:00–18:45 [+15; –15; +15 мин] 5455 120 То же 4.09.2012 г. 10:55–11:15 Непрерывно 5828 115 То же 11:40–12:03 То же 5828 100 То же 13:30–13:50 То же 5828 120 То же 16:50–18:20 [+10; –10; +10 мин] 5455 120 То же Таблица 1. Основные сведения о параметрах и режимах работы нагревного стенда “Сура” *РПУ – радиопередающее устройство. Эффективная мощность, МВт Дата Время (UT) Режим Частота, кГц Примечание 52 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 1, 2013 Л. Ф. Черногор 4. Ðåçóëüòàòû íàáëþäåíèé Состояние возмущенности нижней ионосферы конт- ролировалось при помощи минимальной наблюдае- мой частоты (МНЧ) minf на ионограммах верти- кального зондирования. Временные вариации minf для 27–31 августа и 1–6 сентября 2012 г. приведены на рис. 3 и рис. 4 (здесь и далее приводится всемир- ное время UT, если не оговорен другой вариант). 26 сентября стенд “Сура” не излучал, поэтому эти сутки использовались как контрольные. Вариации МНЧ были следующими. В дневное время (с 03:00 до 14:00) значения МНЧ были близки к 1.5 МГц. Среднее квадратическое откло- нение 0.1fσ ≈ МГц. После 15:00 minf увеличилась от 1.25 до 1.5 МГц и оставалась на таком уровне до 24:00. В течение всего времени наблюдались незначительные (на 0.1 0.2÷ МГц) всплески. День 27 августа 2012 г. также можно рассмат- ривать как контрольный (до 17:00). Значения МНЧ флуктуировали вблизи невозмущенного значения Рис. 1. Временные вариации параметров солнечного ветра (радиальной скорости ,swV температуры swT и концентрации ,swn рассчитанных значений динамического давления )swp yB - (точки) и zB -компоненты (сплошная линия) межпланетного магнитного поля, рассчитанных значений энергии ,Aε передаваемой солнечным ветром магнитосфере Земли в единицу времени, pK -индекса, stD -индекса с 26 по 31 августа 2012 г. ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 1, 2013 53 Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного... min0 1.3f ≈ МГц, fσ составило около 0.1 МГц. Стенд “Сура” излучал лишь в интервале времени 17:00–18:30. За час до включения стенда min0 1.6f = МГц. С 17:16 до 17:31 min 1.8f ≈ МГц. Следующее заметное увеличение minf имело место в 19:46. В последующие сутки, с 28 по 31 августа 2012 г., стенд с определенными паузами излучал как в дневное, так и в ночное время. 28 августа 2012 г. значительное увеличение МНЧ наблюдалось в интервале времени с 08:01 до 08:31, а также в 09:16 и 09:46. Незначительное (на 0.3 0.4÷ МГц) увеличение МНЧ имело место с 14:01 до 14:46. 29 августа 2012 г. всплески МНЧ наблюдались в 07:01, 08:01, 09:16, 09:31, 09:46, 10:16, 10:31, а также в 13:01. Значения minf при этом достига- ли 2.8 3.2÷ МГц. 30 августа 2012 г. увеличение значений МНЧ отмечалось в 07:01, 07:31, 08:01, 09:01, 09:16, 09:31, 09:46, 10:01, 13:01 и 13:16. При этом minf дости- гала 2.2 3.0÷ МГц. Рис. 2. Временные вариации параметров солнечного ветра (радиальной скорости ,swV температуры swT и концентрации ,swn рассчитанных значений динамического давления )swp yB - (точки) и zB -компоненты (сплошная линия) межпланетного магнитного поля, рассчитанных значений энергии ,Aε передаваемой солнечным ветром магнитосфере Земли в единицу времени, pK -индекса, stD -индекса с 1 сентября по 7 сентября 2012 г. 54 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 1, 2013 Л. Ф. Черногор Рис. 3. Временные вариации МНЧ в период с 26 по 31 августа 2012 г. Темными прямоугольниками на времен- ной оси показаны интервалы работы нагревного стенда “Сура”, светлыми прямоугольниками – интервалы настройки РПУ, а их комбинация обозначает уменьшение мощности. Вертикальная линия обозначает момент захода Солнца на высо- те 100 км ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 1, 2013 55 Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного... 31 августа 2012 г. всплеск МНЧ наблюдался в интервале времени 10:16–10:31. Значение minf достигало 2.4 МГц. 1 сентября 2012 г. значения МНЧ в утреннее, дневное и вечернее время изменялись примерно от 1.25 до 2.0 2.2÷ МГц. Как и в другие дни, имело место увеличение МНЧ в дневное время (примерно с 11:00 до 17:00 местного времени), за- тем ее уменьшение в предзаходное время (с 17:00 до 19:30 местного времени) и, наконец, увеличе- ние МНЧ в интервале с 20:00 до 04:00 местного времени следующих суток. Всплески minf наблюдались в 07:46, 08:16, 08:46, 10:01, 10:16, 10:46, 11:16, 11:31, 13:46, 14:16 и 14:46. 2 сентября 2012 г. всплески МНЧ имели место в 06:16, 07:16, 08:01, 08:31, 08:46, 09:16, 09:31, 10:31, 10:46 и 15:46. 3 сентября 2012 г. значительные всплески minf отмечались в 16:16, 17:16, 17:31, 18:01 и 18:46. Рис. 4. Временные вариации МНЧ в период с 1 по 6 сентября 2012 г. Темными прямоугольниками на временной оси показаны интервалы работы нагревного стенда “Сура”, светлыми прямоугольниками – интервалы настройки РПУ, а их комбинация обозначает уменьшение мощности. Вертикальная линия обозначает момент захода Солнца на высоте 100 км 56 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 1, 2013 Л. Ф. Черногор 4 сентября 2012 г. существенные всплески МНЧ наблюдались в 11:01, 11:31, 11:46, 13:46, 15:46, 18:31 и 19:16. 5 и 6 сентября 2012 г. стенд “Сура” не работал, эти сутки могут рассматриваться как контрольные, точнее, как сутки с естественными возмущения- ми, сопровождавшими магнитную бурю. 5. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ 5.1. Îöåíêà âîçìóùåíèÿ êîíöåíòðàöèè ýëåêòðîíîâ Увеличение minf на ионограммах свидетельст- вует об увеличении концентрации электронов N в нижней ионосфере. Получим соотношение, свя- зывающее minf с N. Считаем, что отсутствуют сильные местные помехи, а также что амплитуд- но-частотная характеристика приемного тракта ионозонда в диапазоне частот 1 3÷ МГц являет- ся линейной. Будем исходить из основного уравнения дис- танционного радиозондирования [26]: 4 2 2 , (4 ) Ks n n P PGSq e P z P −σ= = π (1) где sP и nP – мощности сигнала и помехи, P – мощность радиопередающего устройства, G – коэффициент усиления передающей антенны, S – эффективная площадь приемной антенны, σ – эф- фективная площадь рассеяния цели, rz – высота цели (высота отражения радиоволны), K – интег- ральный коэффициент поглощения зондирующей радиоволны. В (1) пренебрегается малыми поте- рями в антенно-фидерном тракте. В случае вертикального зондирования ионо- сферы имеем [26]: 2 24 ,zσ = π ρ (2) где ρ – коэффициент отражения радиоволны (по напряженности поля). Кроме того, коэффициент усиления передаю- щей антенны связан с ее эффективной площадью 1S следующим образом: 21 1 2 2 4 4 .S SG f c π π= η = η λ (3) Здесь η – к. п. д. антенны, λ – длина радиовол- ны, f – ее частота, с – скорость света в вакууме. Метод вертикального зондирования основан на зеркальном отражении от плазменного слоя, при этом 1ρ ≈ [26]. Подставляя (2) и (3) в (1), получим 2 41 2 2 .K n r PSSq f e P z c −= η (4) В уравнении (4) ,η P, S и 1S от частоты f практически не зависят. От нее зависят ,nP rz и K. Величина nP в пригороде (месте располо- жения ионозонда) от f зависит степенным обра- зом [26]: min0 min 0 min ( ) ,n n fP f P f β ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (5) где minf и min 0f – значения частоты minf в воз- мущенных и невозмущенных условиях, 0nP = min0( ),nP f 2.5.β ≈ В дневное и вечернее время в ходе измерительной кампании min0 1.6f ≈ МГц, а значения minf достигали примерно 3 МГц. При этом радиоволны с частотами 1.6 и 3.0 МГц в дневное время отражались на высотах около 90 и 100 км соответственно. В ночное время радио- волна с частотой min ,f которая близка к min0 ,f отражалась на высотах 240 270÷ км. Основной вклад в поглощение радиоволны с частотой min 0f дает диапазон высот от 70 км до .rz Для этого диапазона высот 0 2 min 2 min 1( ) d 2 ( ) rz p B z K f f z c f f ≈ ν = + ∫ 0 2 2 2 0 min d , 8 ( ) rz B z e N z c m f f = ν π ε + ∫ (6) где 1.4Bf ≈ МГц – гирочастота электронов, pf – плазменная частота электронов, e и m – заряд и мас- са электрона, 0ε – электрическая постоянная, ν – частота соударений электронов, 0z – высота ниж- ней границы ионосферы. Из (6) следует, что 2 min0 min min0 0 min ( ) ( ) ,B B f fNK f K f N f f ⎛ ⎞+≈ ⎜ ⎟+⎝ ⎠ (7) где 0N N – среднее по высотному диапазону от 70 до 90 км (далее – просто среднее) значение 0 ,N N 0N – невозмущенное значение концент- рации электронов. ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 1, 2013 57 Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного... Из (4) при min0f f= получаем [ ] 0 2 1 min0 min0 min02 2 0 ( ) exp 4 ( ) , n r PSS fq f K f P z c = η − (8) где 0 min0( ).r rz z f= С учетом (5) и (7) из (4) получаем, что при minf f= 2 1 min min min 2 2 min00 min ( ) ( )n r PSS f fq f fP z f c β ⎛ ⎞ = η ×⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 2 min0 min0 0 min exp 4 ( ) .B B f fNK f N f f ⎡ ⎤⎛ ⎞+⎢ ⎥× − ⎜ ⎟+⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦ (9) Полагая, что min 0 min( ) ( ),q f q f= из (8) и (9) находим 0 2 1 min 0 min0 exp 2 1 ,r r z f nK B z f n β + ∞ ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = − ≡⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎣ ⎦ (10) 2 min 0 0 min0 min0 где , , ( ).B B f fn N N n K K f f f∞ ⎛ ⎞+= = =⎜ ⎟+⎝ ⎠ Из (10) следует оценка для относительного возмущения концентрации электронов: 0 ln1 . 2 Bn n K∞ ⎛ ⎞ = +⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (11) Результаты оценки n для дневного времени приведены в табл. 2. При расчете 0K использо- вались профили 0N из табл. 3 и профили ,ν при- веденные в [7, 8]. Принималось, что 0 0.75.K = При 02 lnK B из (11) следует более простое выражение для n, ,n n∞≈ справедливое при очень сильном поглощении зон- дирующей волны. Отличие n∞ от n не превышает ошибки 50 %Δ ≈ (см. табл. 2). При min min0 1 1ff f − = δ из (11) находим 0 1 21 , 1 4 f f n K ⎛ ⎞+β≈ + + δ⎜ ⎟⎜ ⎟+ γ⎝ ⎠ (12) где min0 .f Bf fγ = Результаты расчета n для различных значений 0K при 2.5,β = 0.1fδ = МГц, min0 1f = МГц приведены в табл. 4. Из таблицы следует, что в ночное время (при 0 0.05 0.10)K ≈ ÷ возмуще- ния N по измерениям minf могут быть обнаруже- ны лишь при min 3 2.n ≈ ÷ В переходное время суток 0(K составляет десятые доли единицы) воз- можно обнаружение увеличения N, если оно пре- вышает десятки процентов. В дневное время при 0 1K из (12) получаем 1 . 1 f f n δ ≈ + + γ При min0 1.6f = МГц, 0.1fδ = МГц имеем min 1.05.n ≈ Из табл. 2 видно, что в течение активного эксперимента концентрация электронов в нижней ионосфере могла увеличиваться в среднем в 2.7 раза. Горизонтальный размер (радиус R) был не меньше 560 км, т. е. не меньше рассто- яния между нагревным стендом и ионозондам. К увеличению N в разы могло приводить высы- пание электронов из магнитосферы [27]. Далее оценим параметры этого процесса. 5.2. Îöåíêà ïàðàìåòðîâ âûñûïàþùèõñÿ ýëåêòðîíîâ Методика оценки параметров потока высоко- энергичных электронов приведена в [24, 25, 27]. Поступая аналогично, для изменения скорости ионизации q имеем 2 2 0 0 0 ,q q q N NΔ = − = α −α min , МГцf n n∞ , %Δ 1.7 1.10 1.07 2.7 1.8 1.20 1.14 5.0 2.0 1.41 1.28 9.2 2.2 1.64 1.44 12.2 2.4 1.88 1.60 14.9 2.6 2.15 1.78 17.2 2.8 2.44 1.96 19.8 3.0 2.77 2.15 21.5 Таблица 2. Результаты расчета относительной концентрации электронов 0n N N==== в дневное время 58 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 1, 2013 Л. Ф. Черногор где α – коэффициент рекомбинации электронов (индексом “0” обозначены параметры невозму- щенной среды). Далее считаем, что 0.α ≈ α При этом плотность потока энергии высыпающихся частиц [24] 2 2 0 02 2 ( 1),i iz q z N nΠ = ε Δ Δ ≈ ε Δ α − (13) где iε – энергия, затрачиваемая на один акт иони- зации нейтральной молекулы, zΔ – толщина слоя с дополнительной ионизацией. Как следует из (13), плотность потока высы- пающихся электронов 2 2 0 02 ( 1),i p z N nεΠΠ = = Δ α − ε ε где ε – энергия электронов. Мощность и энергия высыпающихся на пло- щади pS частиц за время TΔ даются следую- щими соотношениями: ,p f pP S= η Π .p pE P T= Δ Здесь fη – коэффициент, учитывающий неодно- родность потока частиц по горизонтали, ее “пят- нистость”, точнее, фрактальность [25]. Результаты оценок основных параметров вы- сыпающихся из магнитосферы электронов при- ведены в табл. 3. Считалось, что 35iε = эВ, 100ε = кэВ, 10zΔ = км, 2 11 29.8 10 мpS R≈ π ≈ ⋅ ( 560R ≈ км), 0.5,fη = 1000TΔ = с. Из табл. 3 следует, что 7 8 2 1~10 10 м с .p − −Π ÷ ⋅ Интересно сравнить значения pP с суммарной мощностью радиопередающих устройств .rP Для этого вычислим коэффициент триггерности [6, 25] .p tr r P K P = Результаты расчета trK при 55 10rP = ⋅ Вт также приведены в табл. 3. Видно, что для z ≈ 85 90÷ км 1.25 4.3.trK ≈ ÷ Это означает, что мощ- ность стимулированного радиоизлучением процес- са больше мощности источника, вызвавшего этот процесс. Естественно, что при 1000R ≈ км имеем 5 17.trK ≈ ÷ Значения ,trK приведенные в работе [25], достигали нескольких десятков и даже сотен единиц. 6. Îáñóæäåíèå 6.1. Âàðèàöèè ÌÍ× â êîíòðîëüíûå äíè В дневное и ночное время в невозмущенных условиях МНЧ была близка к 1.5 1.6÷ МГц. Близость значений в разное время суток связана с тем, что интегральный коэффициент поглоще- ния радиоволн с minf уменьшается примерно от 0.75 0.08± в дневное время до 0.015 0.0015± в ночное время. Одновременно с этим в ночное время увеличивается примерно на порядок (в ре- зультате уменьшения поглощения) уровень помех. Из-за этих факторов значения min( )q f близки в дневное и ночное время. Вблизи моментов времени прохождения солнеч- ного утреннего и вечернего терминаторов, когда концентрация электронов в D-области ионосферы уже существенно изменяется, а высота отражения радиоволны с minf f= близка к 100 км, значения МНЧ уменьшаются примерно до 1.2 1.3÷ МГц. Это продолжается около 2.0 2.5÷ ч. 0K 0.05 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 2.0 3.0 n 3.29 2.17 1.60 1.32 1.22 1.18 1.15 1.11 1.09 Таблица 4. Минимально обнаружимая относительная концентрация электронов в зависимости от интегрального коэффициента поглощения z, км 3 0 , мN − 3 1 0 , м с−α ⋅ 2 1, м сp − −Π ⋅ 2, Вт м−Π ⋅ , ВтpP , ДжpE trK 70 82 10⋅ 1110− 68.4 10⋅ 71.3 10−⋅ 46.3 10⋅ 76.3 10⋅ 0.13 75 84 10⋅ 123 10−⋅ 710 71.6 10−⋅ 48.1 10⋅ 78.1 10⋅ 0.16 80 88 10⋅ 1210− 71.3 10⋅ 72.1 10−⋅ 51.1 10⋅ 81.1 10⋅ 0.21 85 92.8 10⋅ 135 10−⋅ 78.2 10⋅ 61.3 10−⋅ 56.3 10⋅ 86.3 10⋅ 1.25 90 98 10⋅ 132 10−⋅ 82.7 10⋅ 64.3 10−⋅ 62.1 10⋅ 92.1 10⋅ 4.3 Таблица 3. Параметры потоков высыпающихся электронов ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 1, 2013 59 Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного... 6.2. Âàðèàöèè ÌÍ× â âîçìóùåííûå äíè 27 августа 2012 г. Примерно через время 16tΔ ≈ мин после включения стенда “Сура” minf начала увеличиваться от 1.6 до 1.8 МГц. Этот рост продолжался не менее 15 мин. Увеличение minf могло быть вызвано увеличением N в 2 2.5÷ раза. 28 августа 2012 г. С 06:15 до 09:45 стенд “Сура” работал в режиме [+30 мин; –30 мин], т. е. в течение 30 мин он излучал немодулирован- ную радиоволну, затем в течение 30 мин имела место пауза. Первые всплески minf наблюдались в 06:16 и 07:01, т. е. через 1 и 16 мин после пер- вого включения и первого выключения стенда. Следующие значительно большие значения всплесков МНЧ отмечались с 08:01 до 08:31, а также в 09:16 и 09:46. Им соответствовали вре- мена запаздывания 16, 16, 1 и 1 мин после вклю- чения/выключения мощного радиоизлучения. Продолжительность всплесков TΔ изменялась от 15 до 30 мин. При min0 1.6f = МГц и min 2.8f = МГц всплескам МНЧ соответствовало увеличение N примерно в 3.5 раза. С 12:00 по 12:30 происходила настройка радио- передающих устройств. Наблюдалось некоторое уменьшение min ,f связанное с переходом ионо- сферы от дневных к ночным условиям. В интервале времени 13:00–13:30 стенд излу- чал немодулированную волну. Имело место уве- личение МНЧ от 1.5 до 1.8 МГц с 31tΔ ≈ мин и 15TΔ ≈ мин. Это увеличение МНЧ было выз- вано увеличением N на 30 40 %.÷ Следующий заметный рост МНЧ от 1.6 до 2.0 МГц имел место в интервале времени 14:01– 14:46. При этом значение N увеличилось пример- но в 1.5 раза. Последующие включения стенда в интервале времени 16:40–20:30 не привели к заметным из- менениям МНЧ. 29 августа 2012 г. Наиболее существенные всплески МНЧ наблюдались в 07:01, 08:01, 09:16, 09:31, 09:46, 10:16, 10:31 и 13:01. Увеличению minf от 1.6 до 2.8 3.2÷ МГц соответствовало увели- чение N в 3.5 4.5÷ раза. Эти возмущения возни- кали лишь после второго включения мощного ра- диоизлучения в 07:00. Достаточно уверенно на- блюдалась периодичность всплесков МНЧ, пе- риод T был близок к 60 мин, т. е. к периоду цик- лов нагрева ([+30 мин; –30 мин]). Всплески МНЧ в 12:01 (до 2 МГц) и в 13:01 (до 2.5 МГц) были выражены слабее, чем те, что наблюдались в интервале времени с 07:01 до 10:31. Нагрев ионосферы с 13:15 до 13:45 привел к увеличению minf от 1.4 до 1.8 МГц и к увеличе- нию N примерно в 1.5 раза. При этом 16tΔ ≈ мин, 30TΔ ≈ мин. 30 августа 2012 г. Первая серия эксперимен- тов продолжалась с 07:00 до 09:30. Стенд рабо- тал в режиме [+30 мин; –30 мин]. Всплески МНЧ отмечались в 07:01, 07:31, 08:01, 09:01, 09:16, 09:31, 09:46 и 10:01. Хорошо выделялся период 30T = мин, т. е. сначала, в течение первых двух часов, реакция наблюдалась на каждое включе- ние и выключение стенда, продолжительность реакции не превышала 15 мин. Затем в интерва- ле времени 09:01–10:01 реакции на включение и выключение наложились. Значения minf достигали 2.8 3÷ МГц, а N при этом увеличивалась в 3.5 4÷ раза. Работа стен- да с 10:00 до 11:15 не сопровождалась всплеска- ми min .f При этом работали только два радиопе- редающих устройства с 65PG = МВт в режиме [+5 мин; –5 мин], а диаграмма направленности антенны была двухлепестковой. Кроме того, частота радиоволны была выше (6720 кГц), чем в утреннем эксперименте (4785 МГц). По этим же причинам следующие три серии эксперимен- тов в этот день также не привели к значитель- ным всплескам min ,f а значит и к росту N. 31 августа 2012 г. В это день воздействие на ионосферную плазму осуществлялось радио- волной необыкновенной поляризации с 09:58 до 10:59 в режиме [+1 мин; –1 мин] и с 16:00 до 19:45 в режиме [+15 мин; –15 мин]. В первой серии экспериментов увеличение minf от 1.6 до 2.7 МГц имело место в 10:16, 18tΔ ≈ мин и 30TΔ ≈ мин. При этом N увеличилась пример- но в 3 раза. В течение второй серии экспериментов су- щественные вариации minf не были зарегист- рированы. 1 сентября 2012 г. Все три радиопередатчи- ка работали синхронно в интервалах времени 07:21–07:26, 07:30–07:33, 09:51–09:56, 10:00–10:10, 10:13–10:25 и 10:30–16:03. В интервалах времени 07:33–07:39, 07:41–07:50 и 16:03–18:04 излучали только первый и третий радиопередатчики. Диаг- рамма направленности антенны была при этом двухлепестковой. Значительные всплески minf имели место в 07:46, 08:16, 08:46, 10:01–10:16, 10:46, 60 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 1, 2013 Л. Ф. Черногор 11:16–11:31 и 11:46. Хотя режим излучения не был периодическим, в возмущениях МНЧ часто вы- делялся квазипериод 30TΔ = мин (кроме ин- тервала 08:46–10:08). Первое увеличение МНЧ наблюдалось через 25 мин после выключения на- гревного стенда. Включение мощного радиоизлучения в интер- валах времени 13:25–14:01 и 14:19–18:04 сопровож- далось относительно небольшими (0.2 0.4÷ МГц) всплесками МНЧ. В первом интервале времени был применен режим излучения [+6 мин; –4 мин], во втором – [+3 мин; –3 мин]. В последнем слу- чае частота радиоволны была близка к 5 Bf ≈ 6660 6780÷ кГц. Видно, что указанные режимы не были эффективными. Крупномасштабные воз- мущения если и возникали, то были относительно слабыми. 2 сентября 2012 г. Все три радиопередатчика работали синхронно в режиме [+30 мин; –30 мин]. Первый заметный всплеск МНЧ наблюдался в 06:16, т. е. примерно через 16 мин после вклю- чения нагревного стенда. Следующие два всплес- ка возникли через 30 и 60 мин после первого, т. е. с периодом 30TΔ = мин. Вариации МНЧ составили 0.1 0.2÷ МГц. Значительные всплески МНЧ имели место в 08:31, 08:46, 09:31 и 10:31, несколько меньшие – в 10:46, 11:46, 12:46 и 13:46. В обоих случаях всплески были квазипериоди- ческими с периодом 60T = мин, равном периоду циклов мощного излучения. Важно, что всплески МНЧ с уменьшающейся амплитудой продолжа- лись и в интервале времени 11:00–13:00, т. е. ког- да нагревной стенд был выключен. Возможно, что мощное радиоизлучение послужило триг- гером естественных процессов с 60T = мин. Интенсивность магнитной бури при этом была небольшой, индекс 2 3.pK ≈ ÷ 3 сентября 2012 г. Особенностью этой серии экспериментов было то, что стенд излучал ра- диоволну необыкновенной поляризации и только в вечернее и ночное время. Важно также, что интенсивность магнитной бури в течение второй половины суток (с 15:00 до 21:00) была наиболь- шей, 5 6.pK ≈ ÷ С 06:00 до 07:00 значения minf быстро увели- чились от 1.3 до 1.8 МГц. Далее, в течение трех ближайших часов, они флуктуировали в пределах 1.8 2.1÷ МГц. Около 10:00 наблюдалось резкое падение МНЧ от 2.1 до 1.6 МГц, а затем в тече- ние трех часов ее медленное уменьшение от 1.6 до 1.3 МГц. В интервале времени 15:46–16:01 min 1.6f ≈ МГц, а в 16:16 min 1.8f ≈ МГц. С 16:00 до 16:15 стенд “Сура” излучал в непрерыв- ном режиме. Возмущение МНЧ возникло с вре- менем запаздывания около 15 мин, 30TΔ ≈ мин. Из-за относительно непродолжительного воздей- ствия (15 мин) возмущение minf было сравни- тельно небольшим (0.2 МГц). Несмотря на это, 1.7 2.2n ≈ ÷ при 0 0.4 0.2.K ≈ ÷ Всплеск МНЧ на 0.2 МГц в 17:16 связан с вклю- чением стенда ( 16tΔ = мин, 15 30TΔ = ÷ мин), на 0.4 МГц в 17:31 и 18:01 – с его выключением ( 16tΔ = мин, 15TΔ = мин). При 0 0.1 0.2K ≈ ÷ значение 2.2 3.4n ≈ ÷ при включении стенда и 3.5 5.7n ≈ ÷ при его выключении. В интервале времени 20:00–23:30 наблюдались квазипериодические вариации МНЧ с 1T = ч. Не исключено, что мощное радиоизлучение по- служило триггером природного процесса. В пос- ледней серии экспериментов стенд работал в ре- жиме [+15 мин; –15 мин; +15 мин]. При этом minf увеличивалась на 0.3 МГц, а 2.8 4.5.n ≈ ÷ 4 сентября 2012 г. Особенностью наблюде- ний в эти сутки было то, что от 00:00 до 15:00 имела место слабая магнитная буря max( 4).pK = По этой причине в интервале времени 08:00–08:30 и 09:30–10:30 отмечались всплески minf от 1.5 до 1.8 МГц. При этом 1.4n ≈ для 0 0.75.K = После включения мощного радиоизлучения в 10:55, 11:40 и 13:40 с временами запаздыва- ния около 6, 6 и 16 мин имело место увеличение МНЧ на 0.2 0.3÷ МГц. При этом 1.3 1.4n ≈ ÷ для 0 0.6.K ≈ Реакция на выключение мощного ра- диоизлучения наблюдалась в 11:31, 16tΔ ≈ мин, 15TΔ ≈ мин. С 16:50 до 18:30 стенд работал в режиме [+10 мин; –10 мин; +10 мин]. Увеличение МНЧ началось лишь в 17:46, т. е. после повторных воздействий сериями импульсов. Скорее всего, имел место эффект накопления. При этом minf увеличилась от 1.6 до 1.8 МГц, 2.2 3.4n ≈ ÷ для 0 0.1 0.2.K ≈ ÷ 6.3. Âàðèàöèè ÌÍ× â ìàãíèòîâîçìóùåííûå äíè 5 сентября 2012 г. магнитная буря усилилась. В интервале времени 00:00–15:00 значения pK ≈ 4 6.÷ В результате повышенной магнитной актив- ности нижняя ионосфера была возмущенной. С 07:00 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 1, 2013 61 Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного... до 13:00 значения МНЧ достигали 2.8 3.0÷ МГц, имели место отдельные всплески min .f В интервале времени 13:00–15:00 значения minf были близки к минимальным. В вечернее время minf постепенно увеличивалась от 1.4 1.5÷ до 1.6 МГц. Такие значения характерны для ночно- го времени. 6 сентября 2012 г. магнитное поле было за- метно возмущенным max( 4)pK ≈ лишь с 03:00 до 09:00. Тем не менее нижняя ионосферы была возмущенной: сказывались послебуревые эффек- ты (см., например, [28]). Суточный ход min ( )f t 5 и 6 сентября 2012 г. в целом был подобен. Таким образом, временные вариации МНЧ в контрольные сутки 26 и 27 сентября 2012 г. существенно отличались от аналогичных вариа- ций МНЧ с 28 сентября по 4 сентября 2012 г. Кроме того, всплески МНЧ, как правило, возника- ли после включения стенда (реже после его вык- лючения) с временем запаздывания 5 16÷ мин, 15 30TΔ ≈ ÷ мин. Подобные эффекты наблюда- лись нами и ранее при использовании других методов диагностики [14–25]. Все это позволяет утверждать, что мощное нестационарное радиоизлучение декаметрового диапазона приводит к возникновению крупномас- штабных (радиус не менее 560 км) возмущений в нижней ионосфере. Характер возмущений, сопровождающих воздействие мощного радио- излучения и магнитные бури, в целом подобен. Это может означать, что мощное радиоизлуче- ние выступает триггером ряда процессов в сис- теме ЗАИМ, подобных тем, что имеют место в естественных условиях. Пространственное распределение крупномас- штабных возмущений в нижней ионосфере будет представлено в другой работе автора. Заметим, что волна накачки необыкновенной поляризации использовалась только 31 августа и 3 сентября 2012 г. и лишь на небольших интер- валах времени. Поэтому зависимость эффектов от перемены поляризации не обнаружена. 6.4. Ñõåìà âçàèìîäåéñòâèÿ ïîäñèñòåì Схема взаимодействия подсистем в системе ЗАИМ представляется следующей. При включении/вы- ключении мощного радиоизлучения на высотах динамо-области ионосферы ( 100 150z ≈ ÷ км) температура и концентрация электронов скач- кообразно увеличиваются/уменьшаются в 2 3÷ и 1.4 1.7÷ раза соответственно. Таким же обра- зом изменяется проводимость iσ ионосферной плазмы, вызывая возмущения геомагнитного поля и электрического поля ионосферно-магнитосфер- ного происхождения. В результате ударного воз- действия на одну из подсистем нарушается сло- жившееся взаимодействие между ионосферой и магнитосферой. Происходит перераспределение высокоэнергичных электронов по питч-углам. Механизмы перераспределения частиц обсуж- даются в работах [24, 27]. Определенная часть электронов высыпается из магнитосферы (точнее, из внутреннего радиационного пояса в магнитосфе- ре) в ионосферу (высоты 70 100z ≈ ÷ км). Энергия электронов, ионизирующих нейтралы на высотах нижней ионосферы, составляет порядка 100 кэВ (см., например, [28]). Так возникает взаимо- действие ионосфера – магнитосфера – ионосферы. Добавим, что в ночное время абсолютные возмущения iσ относительно небольшие. Это сни- жает эффективность описанного выше механиз- ма взаимодействия подсистем в системе ЗАИМ, что и наблюдалось в экспериментах. Механизм ударного воздействия объясняет наблюдавшийся эффект переключения. Эффект накопления связан с инерционностью системы, с конечным временем, необходимым для пере- распределения энергичных электронов по питч- углам. Эффект исчерпания обусловлен конечнос- тью числа электронов, находящихся в конусе потерь, либо конечной продолжительностью вспышки высыпаний при ударном воздействии на систему ЗАИМ. Таким образом, результаты настоящей работы хорошо согласуются с результатами более ранних исследований и подтверждают сделанные ранее выводы. Для построения количественной модели взаимодействия подсистем в системе ЗАИМ при нагреве ионосферной плазмы мощным радиоизлу- чением требуются, однако, дальнейшие экспери- ментальные и теоретические исследования. Добавим, что в ряде случаев во временных ва- риациях min ( )f t выделялся период 1T ≈ ч. Если период циклов нагревного стенда совпадал с этим периодом, имело место усиление всплесков min .f По-видимому, 1T ≈ ч является характерным пе- риодом в системе ЗАИМ. Скорее всего, он не яв- ляется универсальным, а его величина связана с месторасположением стенда “Сура”. Попытаем- ся выяснить природу процесса с периодом 1T ≈ ч. 62 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 1, 2013 Л. Ф. Черногор Известно, что высокоэнергичные электроны в геомагнитном поле осуществляют три вида дви- жения: движение по спирали вокруг магнитной си- ловой линии, движение вдоль этой линии между маг- нитными зеркалами и дрейф в поперечном по отно- шению к магнитной силовой линии направлении. Скорость дрейфа дается известной формулой: 3 , .d B B e B ⎡ ⎤∇ε ⎣ ⎦=v Для дипольного магнитного поля с индукцией ( )30 EB B R R= справедлива следующая оценка: 3 3 , E B BB R R L ∇ ≈ = где ER – радиус Земли, R – расстояние от центра Земли до вершины силовой линии, EL R R= – параметр Мак-Илвейна. Для модуля скорости дрейфа имеем оценку: 2 0 3 3 .d E L eBR eB R ε ε= =v (14) Для месторасположения стенда “Сура” 2.4,L ≈ 5 0 5 10B −≈ ⋅ Тл. Тогда из (14) при 100ε ≈ кэВ по- лучим 5d ≈v км/с. При длине траектории (магнит- ной параллели над стендом) 20000l ≈ км имеем время дрейфа 1.1d dlτ = ≈v ч. Таким образом, получаем, что при 100ε ≈ кэВ, 1d Tτ ≈ ≈ ч. Период T действительно является ха- рактерным для системы ЗАИМ, он равен периоду дрейфа электронов вокруг Земли над стендом “Сура”. 7. Âûâîäû 1. Разработана методика оценки изменений кон- центрации электронов в нижней ионосфере (высо- ты ~ 70 90÷ км) по вариациям МНЧ. Показано, что методика позволяет обнаруживать изменения N порядка 10 и 100 % в дневное и ночное время соответственно. 2. Обнаружено увеличение МНЧ на 1 1.6÷ и ~ 0.2 МГц в дневное и ночное (вечернее) время соответственно, вызванное воздействием на ионос- ферную плазму мощного радиоизлучения стенда, удаленного примерно на 560 км от места диаг- ностики. Таким изменениям МНЧ соответствова- ло увеличение концентрации электронов в сред- нем в нижней ионосфере ~ 2 3÷ и 1.2 1.9÷ раз в дневное и ночное время соответственно. 3. Наибольшие увеличения minf (на 1.4 1.6÷ МГц) и N (в 3.5 4÷ раза) возникали при работе стенда в непрерывном режиме или длинными (30 мин) импульсами на низкой частоте (4785 МГц) при обыкновенной поляризации радиоволны в днев- ное время. 4. Реакция среды на воздействие мощного не- стационарного радиоизлучения чаще всего наблю- далась с временем запаздывания около 16 мин, реже – с временем запаздывания в 1 и 31 мин. В отдельных случаях реакция среды возникала не при первом включении стенда, т. е. имел ме- сто эффект накопления. 5. В ряде случаев всплески МНЧ возникали как при включении, так и при выключении мощ- ного излучения, т. е. имел место эффект пере- ключения (эффект ударного воздействия). 6. Чаще всего продолжительность всплесков МНЧ (и концентрации электронов) была меньше длительности серии циклов включение/выключе- ние, т. е. имел место эффект исчерпания (эффект ударного возмущения системы). 7. Наблюдаемые возмущения minf и N, скорее всего, объясняются ударным воздействием на сис- тему ЗАИМ длительных импульсов радиоизлу- чения, взаимодействием подсистем в этой сис- теме, приводящим к высыпанию высокоэнергич- ных (~100 кэВ) электронов из магнитосферы в нижнюю ионосферу. 8. Характер возмущений в нижней ионосфе- ре, сопровождающих воздействие мощного радио- излучения и магнитные бури, в целом подобен. Это может означать, что мощное радиоизлучение выс- тупает триггером ряда процессов в системе ЗАИМ. Автор благодарен В. Л. Фролову и Г. П. Комрако- ву за обеспечение работы нагревного стенда, сотрудникам ИЗМИРАН за непрерывное функ- ционирование ионозонда и рецензенту за ряд по- лезных советов. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 01. Черногор Л. Ф. Физика Земли, атмосферы и геокосмоса в свете системной парадигмы // Радиофизика и радио- астрономия. – 2003. – Т. 8, № 1. – С. 59–106. 02. Черногор Л. Ф. Земля – атмосфера – ионосфера – маг- нитосфера как открытая динамическая нелинейная ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 1, 2013 63 Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного... физическая система. 1 // Нелинейный мир. – 2006. – Т. 4, № 12. – С. 655–697. 03. Черногор Л. Ф. Земля – атмосфера – ионосфера – маг- нитосфера как открытая динамическая нелинейная физическая система. 2 // Нелинейный мир. – 2007. – Т. 5, № 4. – С. 198–231. 04. Черногор Л. Ф., Розуменко В. Т. Земля – атмосфера – геокосмос как открытая нелинейная динамическая система // Радиофизика и радиоастрономия. – 2008. – Т. 13, №. 2. – С. 120–137. 05. Chernogor L. F. The Earth-atmosphere-geospace system: main properties and processes // Int. J. Remote Sens. – 2011. – Vol. 32, No. 11. – P. 3199–3218. 06. Черногор Л. Ф. О нелинейности в природе и науке. Монография. – Харьков: ХНУ имени В. Н. Каразина, 2008. – 528 с. 07. Гуревич А. В., Шварцбург А. Б. Нелинейная теория рас- пространения радиоволн в ионосфере. – М.: Наука, 1973. – 272 с. 08. Gurevich A. V. Nonlinear Phenomena in the Ionosphere. – New York, Heildelberg, Berlin: Springer – Verlag, 1978. – 465 p. 09. Radio Sci. – 1974. – Vol. 9, No. 11. – P. 881–1090. (Тема- тический выпуск). 10. Тепловые нелинейные явления в плазме. Сб. науч. тру- дов. – Горький: ИПФ АН СССР, 1979. – 220 с. 11. Гершман Б. Н., Ерухимов Л. М., Яшин Ю. Я. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. – М.: Наука, 1984. – 392 с. 12. Борисов Н. Д., Гуревич А. В., Милих Г. М. Искусствен- ная ионизированная область в атмосфере. – М.: ИЗМИРАН, 1986. – 184 с. 13. Митяков Н. А., Грач С. М., Митяков С. Н. Возмуще- ние ионосферы мощными радиоволнами // Итоги науки и техники. Сер. Геомагнетизм и высокие слои атмо- сферы. – 1989. – Т. 9. – С. 1–140. 14. Пахомова О. В., Черногор Л. Ф. Изучение методом вертикального зондирования реакции ионосферы на воздействие мощного радиоизлучения // Вестник Харьковского университета. Сер. Радиофизика и элек- троника. – 1988. – № 318. – С. 29–30. 15. Гармаш К. П., Черногор Л. Ф., Шварцбург А. Б. Воз- никновение крупномасштабных возмущений в ионо- сфере, инициируемых мощным нестационарным радио- излучением // Компьютерная оптика. – 1989. – Вып. 6. – С. 62–71. 16. Черногор Л. Ф. Статистические характеристики круп- номасштабных возмущений в ионосфере, инициируемых воздействием мощного нестационарного излучения // Геомагнетизм и аэрономия. – 1989. – Т. 29, № 3. – C. 513–515. 17. Мисюра В. А., Пахомова О. В., Черногор Л. Ф. Иссле- дование глобальных и крупномасштабных возмущений в ионосфере с помощью сети ионозондов // Космичес- кая наука и техника. – 1989. – Вып. 4. – С. 72–75. 18. Гармаш К. П., Гритчин А. И., Губарев А. А., Леус С. Г., Петров М. С., Похилько С. H., Черногор Л. Ф., Юрин К. И. Влияние искусственных возмущений в ниж- ней ионосфере, инициируемых мощным нестационарным радиоизлучением, на характеристики радиосигналов // Труды HИИР. – М.: Радио и связь. – 1989. – № 9. – C. 57–60. 19. Пахомова О. В., Черногор Л. Ф. Кажущиеся скорости распространения возмущения в околоземном космосе // Космическая наука и техника. – 1990. – Вып. 5. – С. 71–74. 20. Костров Л. С., Черногор Л. Ф. Доплеровское радио- зондирование крупномасштабных волновых возмуще- ний в ионосфере, генерируемых мощным радиоизлуче- нием // Геомагнетизм и аэрономия. – 1990. – Т. 30, № 1. – С. 159–161. 21. Гармаш К. П., Черногор Л. Ф. Эффекты в околоземной плазме, стимулированные воздействием мощного радио- излучения // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи со- временной радиоэлектроники. – 1998. – № 6. – С.17–40. 22. Гармаш К. П., Черногор Л. Ф. Электромагнитные и геофизические эффекты в околоземной плазме, сти- мулированные воздействием мощного радиоизлуче- ния // Электромагнитные явления. – 1998. – Т.1, № 1. – С. 90–110. 23. Гармаш К. П., Черногор Л. Ф. Профили электронной концентрации D-области ионосферы в спокойных и воз- мущенных условиях по данным частичных отражений // Геомагнетизм и аэрономия. – 1996. – Т. 36, № 2. – C. 75–81. 24. Черногор Л. Ф. Фазовые вариации километровых радиоволн, сопутствовавшие воздействию на ионосфе- ру мошного радиоизлучения // Радиофизика и радио- астрономия. – 2009. – Т. 14, № 4. – С. 377–389. 25. Черногор Л. Ф., Домнин И. Ф., Панасенко С. В., Уря- дов В. П. Апериодические крупномасштабные возму- щения в Е-области ионосферы, стимулированные мощ- ным радиоизлучением // Изв. вузов. Радиофизика. – 2012. – Т. 55, № 3. – 173–185. 26. Черногор Л. Ф. Дистанционное радиозондирование атмосферы и космоса. – Харьков: ХНУ имени В. Н. Ка- разина, 2009. – 500 с. 27. Черногор Л. Ф. Высыпание электронов из магнитосфе- ры, стимулированное затмением Солнца // Радиофизика и радиоастрономия. – 2000. – Т. 5, № 4. – С. 371–375. 28. Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. – М.: Наука, 1988. – 528 с. Л. Ф. Чорногор Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, пл. Свободи, 4, м. Харків, 61022, Україна ВЕЛИКОМАСШТАБНІ ЗБУРЕННЯ В НИЖНІЙ ІОНОСФЕРІ, ВИКЛИКАНІ ДІЄЮ ПОТУЖНОГО НЕСТАЦІОНАРНОГО РАДІОВИПРОМІНЮВАННЯ Актуальність роботи обумовлена необхідністю вивчення великомасштабних (~ 560 км) збурень у нижній іоносфері, які можуть бути результатом взаємодії підсистем у системі Земля – атмосфера – іоносфера – магнітосфера. До тепер дос- ліджувались в основному ефекти, що виникають у межах діаг- рами спрямованості антени. Для збурення іоносферної плаз- ми використовувався нагрівний стенд “Сура” (м. Нижній Нов- город), для діагностики виникаючих збурень – іонозонд (м. Москва). Встановлено, що вмикання/вимикання стенду при- зводило до зростання мінімальної спостережуваної частоти на іонограмах на 1.2 і 1.6 МГц у нічний та денний час відповідно. 64 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 1, 2013 Л. Ф. Черногор Зростання цієї частоти зумовлено зростанням поглинання зон- дуючої радіохвилі внаслідок росту концентрації електронів у нижній іоносфері. Останнє, найімовірніше, є наслідком виси- пання високоенергійних (~ 100 кеВ) електронів із магнітосфе- ри в нижню іоносферу. Оцінена густина потоку електронів склала щось близько 7 8 2 110 10 м с .− −÷ ⋅ Підтверджено існування ефектів накопичення, перемикання й ударного збурення. L. F. Chernogor V. Kazarin National University of Kharkiv 4, Svoboda Sq., Kharkiv, 61022, Ukraine LOWER IONOSPHERE LARGE-SCALE DISTURBANCES CAUSED BY POWERFUL NON-STATIONARY RADIATION The relevance of this study is due to the need of studying large- scale (~ 560 km) disturbances in the lower ionosphere, which can be due to coupling among the subsystems in the Earth- atmosphere-ionosphere-magnetosphere system. Until recent- ly, the effects arising within the antenna beam have mainly been studied. The Sura heater near Nizhny Novgorod was used to stimulate disturbances in the ionospheric plasma, and the ionosonde near Moscow city was used as a diagnostic facility. The heater turn on/off resulted in an increase of 1.2 to 1.6 MHz in the minimum observable frequency in the iono- grams during the night and day times, respectively. This fre- quency increase is caused by an increase in absorption of soun- ding radio waves due to an increase in the lower ionosphe- re electron density. The latter is probably due to energetic (~ 100 keV) electron precipitation from the magnetosphere into the lower ionosphere. Electron flux estimates are of the order of 7 8 2 110 10 m s .− −÷ ⋅ The accumulation, switching off/on, and impact effects have been proved to exist. Статья поступила в редакцию 19.11.2012

Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере, вызванные воздействием мощного нестационарного радиоизлучения

Institution

Similar Items