Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Определение ПЭС в ионосфере Земли с помощью радиозондирования сигналами навигационных ИСЗ 19
1.1 Введение 19
1.2 Классификация типов ИСЗ 21
1.3 Методы многочастотного радиозондирования ионосферы сигналами ИСЗ 22
1.4 Формат RINEX. Краткое описание 27
1.5 Методика обработки исходных данных 29
1.6 Использование сигналов навигационных ИСЗ для измерения ПЭС во время проведения экспериментов по воздействию на ионосферу мощным радиоизлучением 33
1.7 Синхронные измерения ПЭС ионосферы на трассе GPS-сигналов и искусственного оптического свечения ионосферы в красной линии атомарного кислорода (630 нм) 46
Глава 2. Измерение ПЭС на сети ГНСС станций, расположенных вдоль геомагнитной широты 50
2.1 Постановка эксперимента 50
2.2 Результаты измерений ПЭС, полученные во время работы мощных передатчиков стенда «Сура» в 2010–2017 гг. 56
2.3 Обсуждение результатов измерений ПЭС, полученных при воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением 72
2.4 Измерение ПЭС при движении солнечного терминатора 75
2.5 Обсуждение результатов измерений ПЭС, полученных при движении СТ 78
2.6 Заключение по главе 2 83
Глава 3. Пространственное поведение полного электронного содержания ионосферы на трассе GPS-сигналов и искусственного оптического свечения ионосферы в красной линии атомарного кислорода (630 нм) в экспериментах на стенде «Сура» 85
3.1 Описание эксперимента 85
3.2 Методика обработки экспериментальных данных 89
3.3 Обсуждение полученных экспериментальных результатов 100
3.3.1 15 марта 2010 г. 100
3.3.2 17 марта 2010 г. 105
3.3.3 12 марта 2013 г. 111
3.3.4 24 августа 2014 г. 115
3.3.5 26 августа 2014 г. 118
3.4 Заключение по главе 3 120
Заключение 123
Список сокращений и условных обозначений 125
Список литературы 127
Приложение A. Параметры эксперимента и состояние космической погоды. Сводная таблица экспериментов на стенде «Сура» в 2010–2017 гг 144
- Методы многочастотного радиозондирования ионосферы сигналами ИСЗ
- Постановка эксперимента
- Обсуждение результатов измерений ПЭС, полученных при движении СТ
- 17 марта 2010 г.
Введение к работе
Актуальность. Исследование физических механизмов развития и релаксации плазменной турбулентности в магнитоактивной плазме, ответственной за формирование флуктуаций электронной концентрации, с использованием различных, в том числе комбинированных методов диагностики, является одной из актуальных задач физики верхней атмосферы. В настоящее время известно достаточно большое количество событий как естественного, так и искусственного происхождения, которые могут влиять на распределение электронной концентрации в верхней ионосфере, создавая, таким образом, локальные возмущения электронной концентрации, приводящие к развитию плазменных неустойчиво-стей и ряду других событий. Подобные возмущения также могут оказывать существенное влияние на распространение радиоволн в широком диапазоне частот и приводить к снижению надежности радиосистем наземного и космического базирования. В последние два десятилетия для исследования ионосферных неоднородностей электронной концентрации с масштабами 550 км, активно используют радиозондирование сигналами глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС): ГЛОНАСС и GPS. Данный метод нашел широкое применение в исследованиях, выполненных во время активных экспериментов по воздействию на ионосферу мощным коротковолновым радиоизлучением, в исследованиях ионосферных эффектов и их предвестников во время экстремальных гелиогеофизических событий, таких как магнитные бури, cолнечные вспышки, затмения, а также регулярных событий, например, движение солнечного терминатора (СТ) и т.д. В настоящий момент данный метод активно развивается, развертываются новые глобальные (GALILEO; BeiDou) и региональные (IRNSS; QZSS) навигационные спутниковые системы, увеличивается количество станций, оснащенных ГНСС–приемниками и зона покрытия, улучшается инструментальная база и совершенствуются методы цифровой постобработки данных.
В экспериментах по воздействию на ионосферу мощным коротковолновым радиоизлучением, на стендах «Сура» и «HAARP» [1–] были обнаружены волнообразные возмущения, расходящиеся от центра возмущенной области (ВО) на большие расстояния (100 – 900 км). Частота воздействия волны накачки в этих экспериментах была ниже характерной частоты Брента-Вяйсяля нейтральной атмосферы на соответствующих высотах. Авторами работ [, ] выдвинута гипотеза о том, что наблюдаемые возмущения могут быть акустико-гравитационными волнами, генерируемыми за счет образования резких температурных градиентов внутри ВО, когда излучение волны накачки происходит с частотой меньше или порядка частоты Брента - Вяйсяля. В тоже время при движении СТ в связи с нарушением им баланса ионизации и динамического равновесия, вызванных быстрым изменением степени освещенности, во фронтальной зоне формируется перемещающаяся со скоростью терминатора (линейная
скорость вращения Земли на высоте F-области ионосферы) область резких градиентов основных ионосферных параметров – электронной концентрации, электронной и ионной температуры, коэффициента рекомбинации, скорости ионооб-разования и т.д. Это, в свою очередь, может привести к генерации в F-области ионосферы уединенной волны – солитона []. Изучение физических процессов возникающих в области температурных градиентов внутри ВО, при воздействии мощными радиоволнами, так и при регулярных событиях таких как движение СТ, является актуальной темой современных исследований верхней ионосферы Земли (F-область), так как нелинейные турбулентные процессы в магнитоак-тивной плазме от различных источников возбуждения могут иметь общие закономерности и обладать сходством. В целом подобные исследования вызывают несомненный интерес, так как способствуют более глубокому понимаю терро-атмосферно-ионосферных связей, процессов генерации солнечного излучения, поведения ионосферы и магнитосферы Земли при различных естественных и искусственных возмущениях.
Состояние вопроса. Одной из фундаментальных задач физики верхней атмосферы (высоты от 80 до 1000 км) является выявление физических механизмов развития плазменных неустойчивостей, ответственных за развитие флук-туаций электронной концентрации. При воздействии на ионосферу мощным наземным радиоизлучением (с помощью сети специализированных «нагревных» стендов EISCAT (Troms, Норвегия), «Сура» (НИРФИ – ННГУ, Россия), HAARP (Аляска, США) ионосферные возмущения развиваются либо в результате вытеснения плазмы из области ее нагрева, либо вследствие дополнительной ионизации нейтральной компоненты электронами, ускоренными плазменными волнами. В результате образуются неоднородности электронной концентрации с размерами от десятков сантиметров до десятков километров []. Неоднородности электронной концентрации с масштабами 550 км могут эффективно изучаться с помощью двухчастотного радиопросвечивания сигналами навигационных спутников (НС) систем GPS и ГЛОНАСС. При распространении через возмущенную область ионосферы, у таких сигналов появляется дополнительный набег фазы, обусловленный дисперсией радиоволн в ионосферной плазме и линейно связанный с полным электронным содержанием (ПЭС) на траектории распространения сигнала. Так как НС GPS/ГЛОНАСС двигаются достаточно медленно по небосводу (линейная скорость перемещения составляет примерно 1,75 км/мин (на высоте h = 200 км), ионосферная точка проникновения остается в пределах рассматриваемой области в течение 25—35 мин, что позволяет получить информацию как о пространственных, так и о временных характеристиках неоднородностей, учитывая их низкую скорость перемещения в резонансном слое.
К настоящему моменту в области исследований нелинейных эффектов, возникающих при воздействии на ионосферу мощным коротковолновым радио-4
излучением, сфокусированным в вертикальном либо наклонном направлении, с помощью сигналов, излучаемых с борта НС GPS/ГЛОНАСС, достигнуты следующие основные результаты:
а) в экспериментах, проведенных в дневное время [-], вариации ПЭС состав
ляли ± 0.05 TECU (Total Electron Content Unit - общепринятая единица из
мерения ПЭС, 1 TECU=1016 эл./м2), что значительно ниже (в 3-10 раз) уров
ня вариаций ПЭС, наблюдаемых в экспериментах, проведенных в вечерние
и ночные часы. Зарегистрировано рассеяние GPS сигнала на сверхмелко
масштабных неоднородно стях при излучении волны накачки с частотой в
области 4-й гармоники электронного гирорезонанса [-], которые, по всей
видимости, связаны с берштейновскими модами, так как вместе с сильным
рассеянием GPS сигнала отмечается присутствие BUM компоненты (Broad
Upshifted Maximum - Широкий Положительный Максимум) в спектре ис
кусственного радиоизлучения ионосферы (ИРИ). По вейвлет-анализу [1,]
в рядах ПЭС были обнаружены как четные (2 и 4), так и нечетные (1, 3 и
5) гармоники основной периодической составляющей, равной длительности
одного цикла воздействия на ионосферу мощным радиоизлучением;
б) при наблюдениях, проводившихся в основном после захода Солнца, вари
ации ПЭС составляли 0.2 ^ 0.4 TECU. Зарегистрированы сверхмелкомас
штабные неоднородности в области 3-й гармоники электронного гироре
зонанса []. Внутри области с пониженной электронной концентрацией,
ограниченной ДН стенда «Сура», обнаружены мелкомасштабные неодно
родности [,]. Обнаружены волнообразные возмущения, расходящиеся от
центра ВО на большие расстояния (100 - 900 км) [1-] при использова
нии частоты воздействия волны накачки, установленной ниже характерной
частоты Брента-Вяйсяля нейтральной атмосферы на соответствующих вы
сотах;
в) при наклоне ДН стенда «Сура» на 12 в плоскости геомагнитного меридиана
наиболее яркие проявления генерации ионосферных возмущений наблюда
ются в магнитном зените [] (см. также публикации [,]). Амплитуды
наблюдаемых в этом случае вариаций ПЭС на 20% больше по сравнению
с амплитудами вариаций ПЭС, зарегистрированными при излучении волны
накачки в вертикальном направлении;
г) эксперименты на стенде «Сура», проведенные при воздействии на ионо
сферу мощными радиоволнами с необыкновенной поляризацией [] при
эффективной излучаемой мощности 100 -Ь 150 МВт, показали, что генера
ция ионосферных неоднородностей, детектируемых с помощью радиозон
дирования сигналами ГНСС, в этом случае на порядок менее эффективна
(амплитуда вариаций ПЭС составляла 0.02 ^ 0.03 TECU), чем при моди
фикации радиоволнами обыкновенной поляризации (0.2 + 0.4 TECU). Наи
более сильные вариации ПЭС отмечаются на краю ВО, ограниченной глав-
ным лепестком ДН стенда. Одним из возможных объяснений наблюдаемого «краевого эффекта» является возникновение соленоидальных токов в поле мощных радиоволн, излучаемых стендом.
Двухчастотное радиозондирование сигналами НС также эффективно используется для исследования такого явления как СТ. В работе [] были представлены результаты по анализу вариаций ПЭС, измеренных по данным глобальной сети GPS приемников. Обнаружено два основных типа наблюдаемых в данных ПЭС возмущений: долгопериодные (около 60 минут) вариации с амплитудой около 0.5 -ь 1 TECU и короткопериодные (около 15-минут) вариации с амплитудой 0.05 -ь 0.1 TECU. Второй тип наблюдаемых возмущений, названных волновыми пакетами (ВП), имеет продолжительность около 1-2 ч и сдвиг во времени примерно 1.5-2.5 ч после появления СТ на высоте 100 км. Исследование возмущений генерируемых при движении СТ с помощью измерения вариаций ПЭС было продолжено в работе [], в которой показано, что период и длина волны бегущих ВП составляют около 10-20 минут и 100-300 км соответственно. Скорость перемещения фронта фаз наблюдаемых ВП составляет около 300 м/с. Проведённые в работе [] наблюдения подтверждают, что СТ является стабильным и повторяющимся источником ионосферных волновых возмущений. Авторами работы [] получены первые экспериментальные доказательства в пользу магнитогидродинамического (МГД) характера генерации ночных средне-масштабных перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) (в том числе среднемасштабных ПИВ генерируемых при движении СТ), которые летом, например, обнаруживаются за 1,5-3 часа до вечернего ST на высоте 100 км над пунктом наблюдения.
Другим эффективным методом исследования структуры возмущенной области с размерами поперёк геомагнитного поля 1_\_ > 0,5 км является измерение искусственного оптического свечения ионосферы в красной линии атомарного кислорода (А = 630 нм), связанного с переходом электронов с уровня
в основное состояние 0(3Р). Потенциал возбуждения уровня наиболее низкий из всех наблюдаемых линий искусственного оптического свечения, составляет 1,96 эВ, а его радиационное время жизни — Tr(0(lD) = 107 с. Оптическое излучение возникает при переходе электронов с возбуждённых уровней атомов, молекул и ионов ионосферы на более низкие энергетические уровни. Возбуждение соответствующих уровней происходит при столкновениях атомов с электронами, энергия которых превышает потенциал возбуждения этих уровней, а также в результате ионно-молекулярных реакций, где появляется энергия, достаточная для возбуждения одного из атомов, в частности при диссоциативной рекомбинации молекул. Увеличение интенсивности оптического свечения при воздействии волны накачки (искусственное оптическое свечение) связано с ускорением электронов плазменными волнами, возникающими при развитии различных параметрических неустойчивостей в поле волны накач-
ки обыкновенной поляризации. Изображения возмущенной области ионосферы в линии 630 нм, зарегистрированные с помощью ПЗС-камер с соответствующими светофильтрами, указывают на существование структуры пятен свечения с угловыми размерами порядка 1-10(это соответствует размерам ~ 5-50 км на высотах 250-280 км над поверхностью Земли), часто перемещающейся в пространстве при длительном нагреве [,-23].
Масштабы неоднородностей в возмущённой области ионосферы, определяемые с помощью измерений ПЭС, и характерные размеры пятен искусственного свечения оказываются, таким образом, близкими. В связи с этим вызывает несомненный интерес задача сопоставления величины вариаций ПЭС при пролёте навигационных спутников и яркости искусственного свечения в возмущённой области. В частности, это касается вопроса о том, в области повышенной или пониженной электронной концентрации генерируется искусственное свечение и, следовательно, происходит ускорение электронов.
В экспериментах, проводившихся на стенде «Сура» при мощностях воздействия (-60-120 МВт), сканирование возмущённой области сигналами GPS выявило вариации ПЭС с наблюдаемыми характерными периодами — 300-1200 c и магнитудами до — 0.6TECU, которые не коррелируют с циклами воздействия волны накачки на ионосферу [,,]. Данные экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что во время воздействия на ионосферу в пределах ДН нагревного стенда формируется ионосферная неоднородность с масштабом поперёк луча зрения - 10-60 км. Поскольку при таких мощностях заметной дополнительной ионизации не наблюдается, следует ожидать рефракции волны накачки в область пониженной концентрации, и следовательно, более эффективного ускорения электронов и генерации искусственного оптического свечения в этой области. Первая попытка осуществить анализ одновременных измерений ПЭС и яркости оптического свечения была сделана в работе [23].
Объектом исследования являются неоднородности электронной концентрации ионосферы Земли, с масштабами 5^50 км, стимулированные как естественными, так и искусственными факторами, регистрируемые с помощью измерений сигналов НС GPS/ГЛОНАСС и совместного анализа поведения ПЭС и яркости искусственного оптического свечения в линии 630 нм в направлении на спутник проходящий через поле зрения ПЗС камеры.
Цель работы: экспериментальные исследования механизмов развития, релаксации и переноса возмущений электронной концентрации в ионосфере Земли, возникающих при искусственных и естественных воздействиях на нее, в частности, таких, как излучение мощных радиоволн и движение СТ с помощью измерений в радио - и оптическом диапазоне длин волн.
Достижение заявленной цели потребовало решения следующих задач: а) проведения серии экспериментов по измерению вариаций ПЭС, стимулированных мощным коротковолновым излучением стенда «Сура», методом
радиозондирования сигналами НС на сети ГНСС станций. Для этого было необходимо разработать программное обеспечение, позволяющее: обрабатывать навигационные сообщения от ГНСС GPS и ГЛОНАСС, представленные в формате RINEX; прогнозировать орбитальное движение НС GPS/ГЛОНАСС; рассчитывать ПЭС по псевдодальномерным и фазовым измерениям;
б) выполнения детального анализа и интерпретации данных, полученных в
экспериментах по измерению вариаций ПЭС, стимулированных мощным
радиоизлучением стенда «Сура» в период 2010–2017 гг. Определения усло
вий генерации зарегистрированных возмущений в зависимости от состояния
космической погоды и используемых режимов воздействия мощной радио
волной. Выполнения оценки пространственных размеров и скорости движе
ния подобных возмущений;
в) регистрации отклика ионосферы на движение СТ в условиях среднеширот-
ной ионосферы с помощью измерений сигналов НС на сети ГНСС станций.
Определения характерных периодов и скоростей перемещения наблюдае
мых возмущений;
г) усовершенствования методики проведения и обработки данных совместных
синхронных измерений вариаций искусственного оптического свечения и
ПЭС вдоль луча зрения на НС GPS/ГЛОНАСС, проходящих через возму
щенную мощным радиоизлучением область ионосферы. Разработки про
граммного обеспечения, позволяющего проводить совместный анализ про
странственного поведения ПЭС на трассе GPS-сигналов и искусственного
оптического свечения ионосферы в красной линии атомарного кислорода в
экспериментах на стенде «Сура».
Научная новизна. Представленные в диссертационной работе результаты основаны на серии экспериментов, проведенных на стенде «Сура», а так же серии измерений вариаций ПЭС для естественных условий, выполненных на сети ГНСС станций (Казань–АОЭ–Зеленодольск–Васильсурск), расположенных вдоль геомагнитной широты стенда «Сура» в период с 2010 по 2017 гг. В ходе выполнения диссертационной работы получены новые результаты, в том числе: а) обнаружено, что под воздействием мощной радиоволны в ионосфере формируются неоднородности с поперечными масштабами порядка 30–60 км, которые могут распространяться поперек силовых линий магнитного поля Земли с горизонтальными скоростями порядка 300–370 м/с. Размер стимулированных ионосферных неоднородностей, по всей видимости, связан с линейным масштабом главного лепестка диаграммы направленности антенной системы стенда «Сура» на высотах F–области ионосферы, где должно иметь место максимальное возмущение плотности электронной концентрации, возникающее в результате воздействия волны накачки;
б) показано, что при наклонении ДН к югу на 12 (в направлении «магнит
ного зенита») происходит более уверенное возбуждение вариаций ПЭС по
сравнению со случаем излучения строго в зенит. Амплитуда вариаций ПЭС
становится больше на 15-20%, что подтверждает результаты, опубликован
ные ранее в работах [,,];
в) зарегистрировано понижение ПЭС (до 0.55 TECU), связанное с прохождени
ем солнечного терминатора вдоль линии Казань-Зеленодольск-Васильсурск.
Проведена оценка масштабов ионосферных неоднородностей (-65-80 км
поперёк направления движения СТ), генерируемых при прохождении тер
минатора;
г) усовершенствована методика и проведена серия экспериментов по синхрон
ным наблюдениям структуры ВО с помощью сигналов, излучаемых со спут
ников GPS и измерений искусственного свечения ионосферы в красной ли
нии атомарного кислорода, проведенные на стенде «Сура» в 2010-2017гг.;
д) установлено, что искусственное оптическое свечение генерируется в обла
сти с пониженной электронной концентрацией, т. е. именно в этой области
популяция энергичных электронов, ускоренных плазменными волнами до
потенциала возбуждения оптических уровней, оказывается более интенсив
ной.
Практическая ценность работы заключается в изучении возмущений электронной концентрации верхней ионосферы Земли, искусственного и естественного происхождения, которые могут оказывать влияние на распространение радиоволн в широком диапазоне частот и приводить к снижению надежности и помехоустойчивости радиосистем наземного и космического базирования. Подобные исследования также могут быть полезными в поиске предвестников процессов, происходящих в атмосфере и литосфере Земли.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
В серии экспериментов по воздействию на ионосферу мощным радиоизлучением нагревного стенда «Сура» обнаружена генерация неоднородностей электронной концентрации в ионосфере Земли с характерными поперечными масштабами D — 29 -і- 62 км и направлением распространения запад-восток со скоростью - 300-^370 м/с, что подтверждено результатами измерений вариаций ПЭС на сети ГНСС - станций, расположенных вдоль геомагнитной широты.
-
Установлено, что при прохождении солнечного терминатора вдоль линии Казань-Зеленодольск-Васильсурск в ионосфере Земли возникают перемещающиеся ионосферные возмущения (зарегистрировано понижение ПЭС до 0.55 TECU), период которых составляет - 23 мин.
-
Усовершенствована методика и проведен полный анализ экспериментальных данных, полученных на стенде «Сура» в 2010-2015 гг., по совместной регистрации искусственного оптического свечения на линии 630 нм и парамет-
ров сигналов навигационных спутников, прошедших через возмущённую область ионосферы.
4. На основе анализа поведения ПЭС и яркости искусственного оптического свечения в линии 630 нм в направлении на спутник, а также пространственного положения пятен свечения и их поведения во времени на зарегистрированных портретах ночного неба установлено, что положение пятен искусственного оптического свечения соответствует минимальным значениям ПЭС, т.е. свечение генерируется в области пониженной электронной концентрации, и именно здесь популяция энергичных электронов, ускоренных плазменными волнами до потенциала возбуждения оптических уровней, оказывается наиболее интенсивной.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением общепринятых методов и алгоритмов, сложившихся в последние два десятилетия в исследованиях ионосферных возмущений, с помощью радиозондирования сигналами, излучаемыми с борта НС GPS/ГЛОНАСС. Экспериментальные результаты, полученные при совместном анализе пространственного поведения ПЭС на трассе GPS-сигналов и искусственного оптического свечения ионосферы в красной линии атомарного кислорода в экспериментах на стенде «Сура» находятся в соответствии с теоретическими результатами, полученными другими авторами.
Апробация работы. Основные результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях и симпозиумах. В том числе лично были сделаны доклады на: XXIV и XXV Всероссийских конференциях «Распространение радиоволн» (г. Иркутск, 2014; г. Томск, 2016); 40-й Научной ассамблее COSPAR (г. Москва, 2014); Международных научных конференциях «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» — ИРЭМВ-2013, ИРЭМВ-2015, ИРЭМВ-2017 (пос. Дивноморское, г. Таганрог 2013, 2015 и 2017); XII, XIII, XIV Конференциях молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом» (г. Иркутск, 2011, 2013, 2015); X, XI, XII, XIII ежегодных конференциях «Физика плазмы в солнечной системе» (г. Москва, 2015, 2016, 2017, 2018); Ежегодных итоговых конференциях Казанского (Приволжского) федерального университета (г. Казань, 2015, 2016, 2017, 2018); Международной конференции «Нелинейные волновые структуры в комплексных сплошных средах, включая атмосферу, гидросферу и космическую плазму» (г. Казань, 2017); Международной научной конференции «Astrophysics and Particle Physics» (г. Даллас, США, 2016).
Проведенные исследования были поддержаны именной стипендией компании British Petroleum для аспирантов в 2013/2014 уч. г.; грантами РФФИ № 15-32-50539 и № 17-302-50013.
Результаты исследований также использовались при выполнении работ по грантам РФФИ (№ 13-02-00957, № 15-32-50539, № 16-32-60176) и РНФ (№ 14-12-00706, № 17-72-10181).
Личный вклад автора. В период с 2011 по 2017 гг. при участии автора было проведено 15 экспериментальных кампаний по исследованию эффектов воздействия мощного радиоизлучения стенда «Сура» на ионосферную плазму. Основной задачей автора являлось: прогнозирование орбитального движения навигационных спутников GPS/ГЛОНАСС; сбор и обработка экспериментальных данных, полученных от различных ГНСС приемников; проведение измерений ПЭС и яркости искусственного оптического свечения в линии 630 нм в направлении на навигационный спутник. Всего было проведено и обработано 33 сеанса регистрации ПЭС при пролете НС GPS/ГЛОНАСС через ДН стенда и 5 сеансов синхронных измерений ПЭС и искусственного оптического свечения ионосферы в красной линии оптического спектра на трассе распространения сигнала GPS при воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением. Учитывая, что проведение экспериментов требует одновременного, комплексного использования различных средств диагностики, публикации автора по теме исследования выполнены в соавторстве. В диссертацию включены лишь те результаты которые были получены при непосредственном участии автора.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 22 печатных изданиях, 6 из которых опубликованы в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК. Из них 5 проиндексированы в международных системах цитирования Scopus и Web of Science.
Структура и объем работы. Структура работы обоснована накопленными к настоящему моменту данными, полученными в ходе проведения экспериментов по воздействию на ионосферу мощным радиоизлучением стенда «Сура» в период с 2010 по 2017 гг., а также серии измерений вариаций ПЭС на сети ГНСС - станций в период прохождения СТ.
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и одного приложения. Полный объем диссертации составляет 145 страниц с 34 рисунками 8 таблицами и 1 приложением. Список литературы содержит 133 источника.
Методы многочастотного радиозондирования ионосферы сигналами ИСЗ
Известно, что с помощью импульсного метода радиозондирования с поверхности Земли можно определить ход концентрации электронов только в нижней ионосфере, т. е. только до максимума слоя F2, и притом только в тех областях, где нет экранировки нижерасположенными слоями [62]. Что же касается концентрации электронов между слоями и концентрации в верхней ионосфере, т. е. выше максимума слоя F2, то её нельзя определить при помощи радиозондирования с поверхности Земли. Разумеется, можно применить импульсный метод для зондирования ионосферы сверху. Примером такого аппарата, запущенного в конце 70–х годов прошлого столетия, являлся ИСЗ Интеркосмос-19 [http://www.izmiran.ru/projects/IK19/db/? LANG=ru]. Учитывая, что импульсный метод требует установки громоздкой аппаратуры ионосферной станции на ИСЗ, данный метод не нашёл широкого применения. Тем не менее стоит отметить, что обсуждение подобных проектов и работы по запуску новых устройств ведутся и в настоящий момент [63].
Для определения концентрации электронов в верхней ионосфере используется и ряд других методов. Большую часть их них возможно реализовать только при помощи ИСЗ и запускаемых на большую высоту в верхнюю ионосферу ракет. В последние два десятилетия на первое место вышли интегральные методы мониторинга, осуществляемые с помощью радиозондирования сигналами в дециметровом диапазоне частот (GPS, ГЛОНАСС, GALILEO), и низкоорбитальная радиотомография в метровом диапазоне частот (150/400 МГц). Рассмотрим метод измерения электронной концентрации при помощи ИСЗ, который основан на измерении угла поворота плоскости поляризации радиоволн, проходящих через ионосферу [5,62].
Интегральная концентрация электронов в ионосфере (интегральная концентрация - число электронов в столбе единичного сечения и заданной высоты) может быть определена по данным измерения угла поворота плоскости поляризации волн, излучаемых передатчиками ИСЗ. Угол поворота плоскости поляризации Q после прохождения волной отрезка пути / по лучу равен [62]. где к - постоянная распространения или волновое число, га - показатели преломления для обыкновенной и необыкновенной волн.
Эффект Фарадея имеет место при продольном распространении, а при произвольном направлении распространения только при достаточно высоких частотах. В этих случаях имеем следующие два значения показателя преломления га (так как ионосфера, находящаяся под действием магнитного поля, является двояко преломляющей средой, т.е. волна при прохождении через ионосферу разделяется на две волны, которые по аналогии с оптикой называются обыкновенной и необыкновенной, хотя с точки зрения оптики обе волны являются обыкновенными)
При подстановке численных значений для е, т, єо, До, получаем следующее значения для угла поворота плоскости поляризации волны
Данный угол обратно пропорционален квадрату частоты. Для волны, излученной передатчиком ИСЗ, находящимся на высоте z, получаем Q = NH0Ldz, (1.11)
В этой формуле угол П может быть каким угодно большим и даже во много раз больше 27г. Однозначное же соответствие между измеренным углом поворота Г изм и истинным Q имеет место в том случае, если Q не превышает значения 7г. Неоднозначность в определении угла Q можно устранить, если излучать две волны с двумя достаточно близкими частотами /i, j и с одинаковыми первоначальными положениями плоскостей поляризации. Тогда вычисление интегральной концентрации электронов можно производить по формуле
Рассмотрим более подробно, какими должны быть частоты, чтобы можно было пользоваться представленной выше формулой.
Во-первых, при произвольном направлении распространения (не только квазипродольном) они должны быть достаточно высокими, чтобы вообще наблюдать эффект Фарадея. Поскольку напряженность магнитного поля Земли До имеет величину порядка Щ=40 А/м, то гиромагнитная частота равна /я0=1.4 МГц. Следовательно, согласно (1.4), jx и /2 должны быть гораздо больше 1.4 МГц.
Во-вторых, так как при любых возможных значениях концентрации электронов должно иметь место соотношение 2 — 1 7г, то разность 1// - І//? должна быть достаточно малой.
Задаваясь максимальным значением концентрации электронов в ионосфере Л т=1012эл./м3 и верхней границей ионосферы zв=1000 км, получаем, что ZQ
Выбирая, например, одну частоту равной /і =20 Мгц, получаем следующее и находим разницу частот A/=/i — /2=6280, то есть вторая частота должна равняться /2 = 20 106 ± 6280 Гц. Неоднозначности, очевидно, можно избежать, если производить измерение эффекта Фарадея, используя запущенную вертикально вверх ракету. В этом случае можно производить непрерывные измерения и получить fz N(z). (1.16)
Однако в заключение отметим, что эффект Фарадея при произвольном направлении распространения радиоволны можно наблюдать, если частоты не слишком велики. Так, при частоте /= 3 ГГц, согласно (1.11) имеем т.е. угол поворота плоскости поляризации будет вообще очень малым при измерениях.
Отметим, что частоты поддиапазонов Ы и L2, на которых излучаются сигналы спутников систем ГЛОНАСС и GPS (LI GPS - 1574.42 МГц; L2 GPS - 1227.60 МГц [3]; Ы GLONASS - 1602 МГц + К х 562.5 кГц; L2 GLONASS - 1246 МГц + К х 437.5 кГц, где К - номера несущих частот навигационных радиосигналов, излучаемых НС в частотных поддиапазонах Ы и L2, соответственно К = —7 + 6 [2]), полностью удовлетворяют представленным выше требованиям.
Возьмем в качестве примера частоту поддиапазона L2 GPS, равную /i=1227.60 МГц. Тогда из выражения (1.18) получаем Д/ = jx - /2 = 1.453 ГГц и /2 = /і ± 1.453 ГГц (частота поддиапазона LI GPS - 1574.42 МГц).
Постановка эксперимента
В течение 2010 — 2017 гг. было проведено несколько серий измерений ПЭС в ионосфере при воздействии на нее мощным радиоизлучением передатчиков стенда «Сура», расположенного в загородной лаборатории ФБГНУ НИРФИ «Васильсурск» (55.15 с.ш., 46.10 в.д.) (рис. 2.1). Для воздействия на ионосферу во всех сеансах использовалась волна обыкновенной поляризации. ДН стенда «Сура» ориентировалась либо в зенит, либо была направлена на 12 к югу в плоскости геомагнитного меридиана.
Частота воздействия /0 выбиралась исходя из условия /0 f0F2, где f0F2 — критическая частота і 2-слоя, и варьировалась в рассматриваемых экспериментах в пределах от 4.4 до 5.8 МГц. Эффективная излучаемая мощность на выбранных частотах составляла 65 -і- 120 МВт в зависимости от количества задействованных в работе передатчиков стенда, антенных секций и рабочей частоты.
В качестве примера на рис. 2.1 схематически показано положение возмущенной области ионосферы и вектор напряженности геомагнитного поля 0 при условии, что ДН стенда «Сура» направлена вертикально вверх и ширина главного лепестка составляет 12 по уровню половинной мощности. Используемая здесь и далее при построении траекторий движения спутников карта построена в цилиндрической проекции «Большой советский атлас мира». Параметры геомагнитного поля были рассчитаны при помощи Мировой модели магнитного поля Земли (WMM-2010).
Регистрация сигналов от навигационных спутников осуществлялась в пространственно-разнесенных пунктах, расположенных вдоль геомагнитной широты стенда «Сура» (штриховая линия на рис. 2.1): п. Васильсурск (расположен в непосредственной близости от антенной системы стенда «Сура»; в эксперименте использовался ГНСС-приемник “Prego”); п. Зеленодольск (55.86 с.ш., 48.55 в.д.; использовался ГНСС-приемник “Trimble NetR9”; приемный пункт начал свою работу с осени 2012 г. и прекратил работу в сентябре 2014 г.); п. Казань (55.80 с.ш., 49.13 в.д.; с декабря 2011 г. используется ГНСС-приемник “Trimble NetR9”, до этого времени использовался приемник компании TOPCON (“TPS GB1000”)); п. АОЭ (55.83 с.ш., 48.91 в.д.; используется ГНСС-приемник “Trimble NetR9”; приемный пункт расположен на территории Астрономической обсерватории им. В.П. Энгельгардта К(П)ФУ и начал свою работу в октябре 2014 г.). Расстояния между измерительными пунктами: Васильсурск–Зеленодольск 160 км; Васильсурск–АОЭ 170 км; Васильсурск–Казань 200 км. Каждый из описанных выше приемников позволяет осуществлять непрерывную запись сигналов от ГНСС ГЛОНАСС и GPS. Принимаемые от навигационных спутников радиосигналы позволяют проводить следующие типы измерений:
а) Псевдодальномерные измерения по P- и C/A-коду (C/A-код - сигнал с кодом стандартной точности; P-код сигнал с кодом более высокой точности) [3].
б) Фазовые измерения поддиапазонов Ы и L2 (LI GPS 1574.42 МГц; L2 GPS 1227.60МГц; Ы GLONASS 1602 МГц + К х 562.5 кГц; L2 GLONASS 1246 МГц + К х 437.5 кГц). К номера несущих частот навигационных радиосигналов, излучаемых НС в частотных поддиапазонах Ы и L2, соответственно К = — 7 + 6 [2].
Во время проведения экспериментальных кампаний ГНСС-приемники в пунктах Васильсурск, Зеленодольск, АОЭ и Казань регистрировали сигналы от ГНСС с частотой 0.2 Гц (март 2010 г. (п. Казань)) и 1 Гц (март 2010 г. (п. Васильсурск); март 2013 г.; май 2013 г.; ноябрь 2013 г.; август 2014 г.; сентябрь 2015 г. и август 2016 г. (все пункты)).
Данные для обработки представляют собой файлы в формате RINEX [65]. Формат содержит псевдодальномерные и фазовые измерения для двух рабочих частот поддиапазонов Ы и L2 системы GPS 1574.42 МГц и 1227.60 МГц (подробнее о формате RINEX написано в разделе 1.4). Расчет орбитального движения НС и пути на земной поверхности производился с помощью файлов навигационных сообщений, входящих в состав RINEX-файла, в соответствии с интерфейсным контрольным документом [3]. Для определения ПЭС использовалась методика, описанная в работах [20,23,30]. Стоит отметить, что при определении ПЭС основная ошибка измерений может возникать из-за влияния аппаратурных задержек, эффектов многолучевости и шумов приемника, а также вклада плазмосферы [69]. В первом случае ошибка составляет 2-3 TECU до удаления тренда, вносимого движением НС, в ряде случаев достигая 20 TECU [108], а во втором может варьироваться от 30 до 70% измеренного ПЭС в зависимости от времени измерения и состояния космической погоды [109]. Подробно влияние дифференциальных кодовых задержек на оценки полного электронного содержания рассмотрены в работе [108]. Оценки общего вклада плазмосферы в измерения ПЭС приведены в работах [109, 110]. Методика обработки исходных данных описана в разделе 1.5. Пример записи ПЭС до удаления тренда связанного с изменением зенитного угла спутника, полученной для НС GPS № 08 15 марта 2010 г. для п. Казань, приведен на рис. 2.2.
В экспериментах, проведенных в 15 марта 2010 г.; 12 марта 2013 г.; 16 мая 2013 г. и 7 ноября 2013 г., для дальнейшей обработки выбирались записи по двум навигационным спутникам, один из которых пересекал ДН над п. Васильсурск во время работы мощных передатчиков стенда «Сура». Второй, контрольный спутник всегда выбирался таким образом, чтобы радиотрассы НС – ГНСС-сеть гарантированно проходили в стороне от возмущенной области ионосферы во время проведения измерений. В остальных экспериментах, результаты которых представлены в разделе 2.2, для дальнейшей обработки выбирался только тот спутник, трасса распространения сигнала от которого пересекала ДН стенда во время работы мощных передатчиков стенда «Сура». Основные параметры эксперимента и состояние космической погоды для рассматриваемых в этой главе экспериментальных дней приведены в табл. 2.1. Сводная таблица всех удачных экспериментов на стенде «Сура», выполненных в 2010-2017 гг., с параметрами эксперимента и состоянием космической погоды приведена в приложении A таблице A.1.
Состояние космической погоды оценивалось с помощью индексов геомагнитной активности (Dst и kp), индекса авроральной электроструи (AE) и планетарного Wp-индекса состояния ионосферной погоды [111]. Все данные были получены на сайтах [112–114]. Значения индексов во время пролета спутника GPS над ДН стенда «Сура» представлены в табл. 2.1.. В течение 15 марта 2010 г. индекс Dst испытывал слабые изменения, составляя -4 nT в начале суток, достигая -11 nT в середине и равняясь -2 nT во время пролета спутника над ВО (17 UTC). Состояние магнитного поля по kp – индексу в течение суток было спокойным. Индекс AE в период 16 — 20 UTC увеличился с 34 до 113 nT (17 UTC) и, достигнув максимума в 250 nT (20 UTC), стал уменьшаться. Значение планетарного Wp – индекса оставалось постоянным в течение суток и в среднем составляло 2.4.
Сутки 12 марта 2013 г. в основном были спокойными. Индексы геомагнитной активности были постоянными в ходе суток (kp = 1+; Dst = -9 nT в начале суток, 20 nT в середине и 5 9 nT в поздние часы). Индекс AE варьировался в течение суток от 35 до 180 nT и во время пролета спутника был равен 51 nT. Wp – индекс был постоянным и равным 2.3.
16 мая 2013 г. индекс Dst изменялся от 12 13 nT в начале суток, до -1 nT в середине и достигая -30 nT в поздние часы. Индекс kp в ходе суток был высоким и достигал kp= 4. Во время пролета спутника над ДН Dst = 1; kp= 3+. Индекс AE испытывал сильные флуктуации: резкое увеличение в начале суток до 580 nT (04 UTC), плавное уменьшение к середине суток до значений 50 – 100 nT и вновь резкое увеличение до 400 650 nT в интервале от 19 — 24 UTC. Wp – индекс изменялся от 2.7 до 3.3.
Сутки 7 ноября 2013 г. были достаточно возмущенными. Индекс Dst постепенно увеличивался в течение дня, достигая максимума -55 nT в 11 — 17 UTC. В момент пролета спутником на ДН стенда Dst = -36 nT; kp = 1. Индекс AE возрастал до 500 nT в середине суток (12 UTC), но резко уменьшился и в интервале 14 — 20 UTC был равен 50 nT. Wp – индекс в ходе суток оставался высоким ( 3), достигая максимума в 4.6 в 18 UTC, что соответствует интенсивной буре.
24 августа 2014 г. индекс Dst в начале суток составлял 6 nT,в 15 UTC был равен -4 nT, в 19 UTC -1 nT. Индекс kp оставался постоянным в ходе суток (kp=0 1). Индекс AE также оставался постоянным в ходе суток, варьируясь в диапазоне 40 70 nT. Wp – индекс изменялся в ходе суток от 3.4 в начале суток до 2.7 в поздние часы в момент пролета спутника.
26 августа 2014 г. индекс Dst 0 nT в начале суток, далее плавно возрастал до 13 nT в 16 UTC и оставался высоким в поздние часы. Индекс kp оставался постоянным в ходе суток (kp=0 1). Индекс AE также оставался постоянным в ходе суток, варьируясь в диапазоне 50 80 nT. Wp – индекс в ходе суток был несколько ниже, чем 24 августа 2014 г. и изменялся в интервале 2.4 2.9.
Сутки 14 сентября 2014 г. были слабо возмущенными. Индекс Dst постепенно уменьшался в течение дня от -26 nT вначале суток до -10 -13 в 16–17 UTC. Индекс kp в ходе суток был высоким и достигал kp= 5. Индекс AE был высоким в ходе суток, возрастая от 300 nT в 09 UTC и достигая 897 nT в 16 UTC, резко снижаясь в поздние часы до 81 nT в 20 UTC. Wp – индекс в момент пролета спутника 2.7 2.9.
29 августа 2016 г. индекс Dst в вечерние часы в момент пролета спутника варьировался в интервале 1 6 nT. Индекс kp= 2. Индекс AE 170 nT. Wp – индекс оставался постоянным в вечерние часы и не превышал 2.5.
Таким образом, можно заключить, что измерения ПЭС 15 марта 2010 г.; 12 марта 2013 г.; 24 и 26 августа 2014 г.; 29 августа 2016 г. проходили в спокойных или слабовозмущенных геомагнитных условиях. Измерения ПЭС 12 марта 2013 г.; 7 ноября 2013 г.; 14 сентября 2014 г. проходили в средневозмущенных условиях с резкими изменениями в индексе авроральной электроструи и планетарном Wp – индексе во время пролета спутника над ДН стенда «Сура».
Обсуждение результатов измерений ПЭС, полученных при движении СТ
Из рис. 2.21 хорошо видно, что разница во времени прохождения ионосферного возмущения между п. Казань и п. Васильсурск составляет 11– 12 мин, что соответствует разнице локальных времен (LT) указанных пунктов наблюдения, так как здесь КЗН –географическая долгота п. Казань, ВСЛ – географическая долгота п. Васильсурск.
По взаимно-корреляционным функциям (верхняя панель рис. 2.22) можно сделать однозначный вывод о направлении движения возмущения с востока на запад (от п. Казань к п. Васильсурск). Относительный сдвиг между вариациями ПЭС для пунктов Казань и Зеленодольск составил 72 с, между пунктами Зеленодольск и Васильсурск 470 с, а между пунктами Казань и Васильсурск 522 с. По графику СПМ (нижняя панель рис. 2.22) для огибающей КВ-накачки максимальный период составил 10 мин (использовался режим [+5 -5]). Максимальный период вариаций для рядов ПЭС составил 23 мин. 7 ноября 2013 г. высота тени в локальную полночь для всех пунктов была более 3000 км. Время прохождения солнечного терминатора на высоте 250 км (время UTC): Васильсурск – 15:05; Казань – 14:54; Зеленодольск – 14:56. На высоте 200 км: Васильсурск – 14:53; Казань – 14:42; Зеленодольск – 14:44. Первый локальный максимум для п. Васильсурск 15:11:50 UTC, для п. Зеленодольск 17:05:40 UTC, для п. Казань 17:04:20 UTC (см. рис. 2.19б). В отличие от ранее зарегистрированных возмущений (рис. 2.4а), где направление распространения происходит вдоль линии запад-восток, в этом случае перенос возмущения происходит в направлении восток-запад, от п. Казань к п. Васильсурск. Наиболее вероятным механизмом генерации подобного возмущения является отклик на прохождение СТ на высотах F-области ионосферы [5–7,93,94,120–124], так как радиотрассы ГНСС-сеть — GPS № 20 не проходили через область ионосферы, возмущенную мощной радиоволной стенда «Сура». Относительный сдвиг между временем прохождения солнечного терминатора и временем регистрации ионосферного возмущения для п. Васильсурск составляет 7 мин; для п. Зеленодольск 10 мин; для п. Казань 11 мин.
Взаимно-корреляционные функции (ВКФ) (верхняя панель) и спектральные плотности мощности (СПМ) вариаций ПЭС для пунктов Васильсурск, Зеленодольск, Казань и огибающей КВ-радиоизлучения (нижняя панель), рассчитанные по данным 07.11.2013 г. для спутника GPS № 20. На верхней панели сплошная линия соответствует ВКФ между вариациями ПЭС п. Зеленодольск и Казань; штриховая линия соответствует ВКФ между вариациями ПЭС п. Васильсурск и Казань; штрихпунктирная линия соответствует ВКФ между вариациями ПЭС п. Васильсурск и Зеленодольск. На нижней панели сплошная линия соответствует кривой СПМ для огибающей КВ-радиоизлучения; штриховая линия – СПМ для вариаций ПЭС, зарегистрированных в п. Васильсурск; пунктирная линия – СПМ для вариаций ПЭС, зарегистрированных в п. Казань; штрихпунктирная линия – СПМ для вариаций ПЭС, зарегистрированных в п. Зеленодольск. Ось абсцисс на верхней панели соответствует сдвигу по времени, выраженному в секундах, на нижней панели – наблюдаемым периодам в рядах ПЭС, выраженным в минутах. По оси ординат на верхней панели отложены коэффициенты корреляции, на нижней панели – относительный уровень мощности, выраженный в единицах дБо На рисунках 2.9б и 2.19б наблюдалось понижение ПЭС, достигшее 0.56 TECU, при этом направление распространения ионосферного возмущения было восток-запад (рис. 2.19б, от п. Казань к п. Васильсурск). Из рисунка 2.19б хорошо видно, что разница во времени прохождения ионосферной неоднородности между п. Казань и п. Васильсурск составляет 8.5 мин. Возможно, столь резкие градиенты в ПЭС формируются при движении солнечного терминатора в связи с нарушением им баланса ионизации и динамического равновесия, вызванных быстрым изменением степени освещенности. В таком случае во фронтальной зоне формируется перемещающаяся со скоростью терминатора (линейная скорость вращения Земли на высоте F-области ионосферы) область резких градиентов основных ионосферных параметров – электронной концентрации, электронной и ионной температуры, коэффициента рекомбинации, скорости ионообразования и т.д. Это, в свою очередь, может привести к генерации в F-области ионосферы уединенной волны – солитона [120,126,127].
Для оценки пространственного масштаба ионосферной неоднородности (D), создаваемой прохождением СТ, была использована методика, приведенная в работе [20]: здесь V = 3.8 км/с – линейная скорость движения спутника GPS; hmF2 – высота максимума F2-слоя ионосферы; hGPS = 20180 км – высота орбиты спутника; T – период наблюдаемых осцилляций.
Из рис. 2.22 видно, что максимальный период наблюдаемых вариаций ПЭС (T), вызванных прохождением терминатора, составляет 23 мин (1365 с) для всех пунктов наблюдения. Высота максимума слоя F2 (hmF2) определялась из ионограмм вертикального зондирования ионосферы, полученных при помощи ионосферной станции «Циклон», расположенной на радиополигоне Казанского университета «Ореховка» ( 180 км восточнее стенда «Сура» и 20 км западнее п. Казань). Для интересующего нас времени суток (15:00 UTC) — hmF2 295 км. Таким образом, пространственный масштаб неоднородности ПЭС в ионосфере, создаваемой прохождением терминатора, составил D 66 77 км, что больше неоднородностей, генерируемых при работе стенда «Сура» ( 29 -і- 62), которые определяются угловыми размерами ДН.
Необходимо сказать, что 7 ноября 2013 г существенных вариаций ПЭС, связанных с воздействием на ионосферу мощного радиоизлучения стенда «Сура», зарегистрировано не было (см. рис. 2.19а). По всей видимости, это связанно с тем, что спутник GPS № 32 проходил по самому краю основного лепестка ДН, как это показано на рис. 2.18. В этом случае радиотрассы НС GPS № 32 - ГНСС-сеть могли проходить в стороне от области возмущения ионосферы.
17 марта 2010 г.
17 марта 2010 г. во время пролета спутника GPS№28 через ДН стенда «Сура» (18:05 18:29UTC) проводился нагрев ионосферы на частоте /0 = 4.3 МГц с Рэфф = 120 МВт в режимах [3мин - нагрев, 3мин - пауза] до влета спутника в пределы ДН и [2 мин — нагрев, 4 мин — пауза] во время нахождения НС в пределах ДН стенда. ДН антенной системы стенда «Сура» была наклонена на 12 на юг в плоскости магнитного меридиана в направлении «магнитного зенита». Измерения проводились в спокойной магнитной обстановке (Dst = 2нТ; кр = 1-), индекс состояния ионосферной погоды соответствовал умеренным ионосферным возмущениям (Wp = 2.4). Погодные условия были приемлемыми, на небе наблюдалась легкая дымка.
Данные совместных измерений ПЭС и искусственного оптического свечения ионосферы во время проведения эксперимента представлены на рис. 3.6. Описание второй и третьей панелей на рис. 3.6 аналогично описанию на рис. 3.5, ось абсцисс соответствует интервалу времени, за который НС пересек поле зрения ПЗС-камеры. В связи с тем, что ионозонд «Циклон-GPS» этот день не работал по техническим причинам, критическая частота f0F2 (третья панель) определялась из ионограмм вертикального зондирования ионосферы, полученных при помощи ионосферной станции «Базис-М», расположенной на радиополигоне «Васильсурск» в непосредственной близости от антенной системы стенда «Сура». Снятие ионограмм в этом случае происходило с двенадцатиминутным интервалом за 1-2 мин перед каждым вторым включением передатчиков стенда. Как видно из рис. 3.6, во время нахождения спутника GPS№28 в пределах поля зрения ПЗС-камеры наблюдалось постепенное уменьшение критической частоты f0F2, в 18:25 UTC критическая частота F2-слоя ионосферы упала ниже частоты волны накачки /о, в 18:30UTC измерения были завершены.
На второй панели рис. 3.6 видно, что динамика средней интенсивности искусственного оптического свечения (чёрная линия) хорошо коррелирует с циклами воздействия на ионосферу мощным радиоизлучением. Динамика средней интенсивности свечения из области изображения 11 х 11 пикселей вдоль траектории движения НС GPS №28 (красная линия) зависит от положения спутника относительно пятна свечения, что иллюстрируется поведением чёрного и красного графиков во время цикла воздействия 17:55-17:58 UTC и кадром 17:55:45 UTC на верхней панели рис. 3.6. В течении всего временного интервала, представленного на рис. 3.6, наблюдаются волнообразные вариации ПЭС с периодами - 8-12 мин (синяя линия). Однако заметной корреляции между циклами воздействия мощным радиоизлучением и вариациями ПЭС в этом сеансе не наблюдается.
Следует сказать, что 17.03.2010 направление на спутник в момент времени 18:03 UTC было близко к направлению на «магнитный зенит», составляющему угол 18.5 от вертикали на юг в плоскости магнитного меридиана (белый крестик на портретах ночного неба). Как видно на верхней панели рис. 3.6, во время цикла воздействия 18:01-18:04 UTC НС GPS№28 находился практически над областью максимальной яркости искусственного оптического свечения, отсюда большой всплеск интенсивности свечения на второй панели рис. 3.6 (красная кривая). В момент регистрации снимков в 18:02:31 и 18:03:46UTC (второй и третий кадры на верхней панели рис. 3.6) НС GPS№28 пересекал направление на «магнитный зенит». Согласно детальному анализу, проведенному в [21,128, 133], максимальная интенсивность свечения при наклоне диаграммы на 12 в большинстве сеансов воздействия наблюдалась именно в области «магнитного зенита». Напомню, что на портретах ночного неба, представленных на рисунках, указано время начала экспозиции кадра, длительность которой составляла для приведенных в работе экспериментов 15 с. Таким образом, НС GPS№28 прошёл в непосредственной близости от направления на «магнитный зенит» за период времени равный - 100 с. В это же время наблюдается минимум ПЭС ( -0.5TECU), т.е. ионосферная неоднородность с пониженной электронной концентрацией (синяя линия на второй панели рис. 3.6). По методике, описанной в [132], для этого периода была проведена оценка высоты отражения волны накачки, которая составила 290 км. Учитывая замечания, сделанные в разделе 3.2, можно сказать, что поперечный размер области с пониженной электронной концентрацией, в которой наблюдается генерация искусственного оптического свечения, составляет 3км. Кроме этого обращает на себя внимание тот факт, что развитие пятна искусственного оптического свечения происходит вдоль силовых линий магнитного поля Земли (кадр 18:02:31 UTC на верхней панели рис. 3.6).
Из анализа кадра 18:08:46 UTC, представленного на верхней панели рис. 3.6, а также динамики средней интенсивности искусственного оптического свечения во время циклов воздействия 18:07-18:09 и 18:13-18:15UTC (красная линия на второй панели рис. 3.6) можно заметить, что угловая скорость расширения при развитии пятна свечения во время двухминутного воздействия больше угловой скорости движения спутника по области, захваченной камерой, то есть пятно «нагоняет» НС GPS№28.
Во время предпоследнего двухминутного цикла воздействия 18:19– 18:21 UTC высота отражения волны накачки (hвн), оцененная по методике [132], превышает 310 км. На портретах ночного неба, представленных на нижней панели рис. 3.6, показана динамика развития пятна искусственного оптического свечения. Видно, что на начальном этапе (кадр 18:19:31 UTC) пятно свечения возникает одновременно в двух «очагах», один из которых находится в «магнитном зените», а второй северо–восточнее этого направления. Затем пятна свечения расширяются и к концу цикла воздействия (кадр 18:20:46 UTC) сливаются в одно пятно, от которого вытягиваются страты вдоль силовых линий геомагнитного поля. Причём здесь так же, как и в предыдущих циклах воздействия (18:07–18:09 и 18:13–18:15 UTC), пятно свечения «нагоняет» НС, что хорошо видно по поведению красной кривой на второй панели рис. 3.6.
Из графика, представленного на третьей панели рис. 3.6, видно, что критическая частота foF2 монотонно убывает за время пересечения НС GPS №28 поля зрения ПЗС–камеры, и к моменту включения последнего цикла воздействия (18:25–18:27 UTC) практически сравнивается с частотой волны накачки (f0 = 4.3 МГц). По поведению чёрной и красной линий на второй панели рис. 3.6 видно, что во время данного цикла воздействия пятно искусственного оптического свечения не возбуждается.
Таким образом, для проведения совместного анализа экспериментальных данных, полученных во время сеанса 17.03.2010, был выбран временной интервал 17:55–18:29 UTC, соответствующий времени шести циклов накачки. Исходя из вышеизложенного, выбранный интервал поделен на четыре не равных по времени периода. Первый период, — это цикл воздействия 17:55– 18:01 UTC, когда НС «влетал» в область свечения, причём пятно «наезжало» на спутник. Второй период — цикл воздействия 18:01–18:07 UTC, когда наблюдались наибольшие значения искусственного оптического свечения. Третий период — три цикла воздействия с 18:07 по 18:25 UTC, в течение которых НС GPS №28 вылетал из области свечения, а критическая частота foF2 монотонно приближалась к частоте волны накачки f0. Четвёртый период - цикл воздействия 18:25-18:29UTC, когда НС вышел из области, в которой возбуждалось свечение (см. например кадр 18:24:01 UTC на нижней панели рис. 3.6), но при этом на красной кривой (вторая панель рис. 3.6) видно подавление яркости фонового свечения, а критическая частота f0F2 достигла значения, соответствующего частоте волны накачки (/о = 4.3 МГц).
Совместная обработка данных искусственного оптического свечения и ПЭС проводилась с учётом характерных времён развития и релаксации искусственного оптического свечения, приведенных в работе [133], по той же методике, что и для сеанса 15.03.2010. Таким образом, усреднение параметров dl и Ь проводилось по следующим интервалам времени: первый период 17:57-17:58UTC нагрев, 18:00-18:01 UTC пауза; второй период 18:03-18:04UTC нагрев, 18:06-18:07UTC пауза; третий период — 18:08-18:09, 18:14-18:15 и 18:20-18:21 UTC нагрев, 18:12-18:13, 18:18-18:19 и 18:24-18:25 UTC пауза, затем вычислялось среднее по полученным за каждый цикл воздействия значениям; четвёртый период - 18:26-18:27 UTC нагрев, 18:24-18:25 UTC пауза. В связи с тем, что работа ПЗС-камеры была прекращена в 18:29UTC, когда переходные процессы, связанные с «хвостом» послесвечения ионосферы ещё не закончились, усреднение параметров dl и Ь в паузе для четвертого периода проводилось за временной отрезок, предшествующий моменту включения волны накачки (18:25 UTC). Результаты обработки представлены в таблице 3.3. Здесь столбцам соответствуют выбранные периоды, а строкам — разностные значения параметров (А/, Д&, А/), данные соотношениями (3.2).
Таким образом, из приведённых в таблице 3.3 данных следует, что, во-первых, наиболее сильное искусственное оптическое свечение наблюдается в области с пониженной электронной концентрацией. Более того, во время предыдущего и последующего периодов регистрируются положительные изменения ANe, то есть генерация искусственного оптического свечения происходит как бы в «яме» электронной концентрации, которую радиотрасса НС GPS№28 - наземный приёмный пункт пересекла за время 18:01-18:07 UTC. Во-вторых, при достижении критической частотой f0F2 частоты волны накачки /о механизм, отвечающий за генерацию искусственного оптического свечения, за счёт ускорения электронов плазменной турбулентностью прекращает свою работу Однако механизм, отвечающий за омический нагрев плазмы, продолжает работать, что выражается в подавлении яркости фонового свечения ионосферы во время последнего цикла воздействия. Подавление яркости свечения наблюдается, как и в сеансе 15.03.2010, в области с повышенной электронной концентрацией.