ИСКУССТВЕННОЕ РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ ИОНОСФЕРЫ И ПЛАЗМЕННАЯ ЛИНИЯ ВО ВРЕМЯ СВИПИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВОЛНЫ НАКАЧКИ ОКОЛО 4-Й ЭЛЕКТРОННОЙ ГИРОГАРМОНИКИ НА СТЕНДЕ HAARP.

С.М. Грач1,2, Е.Н. Сергеев1,2, А.В. Шиндин1,2, Е. В. Мишин3, Б. Воткинс4

1Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского 2Научноисследовательский радиофизическийинститут 3 Space Vehicles Directorate, Air Force Research Laboratory, Kirtland AFB, New Mexico, USA4Geophysical Institute, University of Alaska Fairbanks, USA

Памяти

Виктора Юрьевича Трахтенгерца

(14.04.1939-04.12.2007)

При воздействии мощного высокочастотного радиоизлучения на плазму (например, ионосферу) с частотами вблизи плазменных резонансов важным оказывается вопрос: в какие именно плазменные моды вкачивается энергия волны накачки. С этой целью в экспериментах используются специально разработанные «диагностические» режимы воздействия и, по возможности, используются различные средства диагностики.В эксперименте на стенде HAARP (Alaska, 62.4° N, 145.15°W, magnetic dip angle 14.2°), проведенном 28.03.2011, использовалось пошаговое изменение частоты волны накачки f0 в области 4-й гармоники электронной гирочастоты 4fc. В эксперименте эквивалентная мощность волны накачки (ВН) составляла Pэфф = 1.7 ГВт, что соответствовало напряженности электрического поля ВН в возмущенной области ~ 2 В/м. Диагностика: 1) Искусственное радиоизлучение ионосферы (ИРИ, SEE). ИРИ возникает в результате конверсии плазменных волн, генерируемых ВН, в электромагнитные.2) Радар MUIR (fr= 446 МГц)

Most prominent SEE spectral features for long pumping:

Downshifted maximum (DM), is situated at the frequency shifts ΔfDM<0, |ΔfDM|> fLH , DM desappears at fDM≈nfc ≈ fuh

Broad upshifted maximum (BUM), at

ΔfBUM ~f0-nfc+δf (1)exists for f0≥ nfce, δf=15-20 kHz

A - Tiekel River Lodge, 113 km from the HAARP facility, Dartmouth University team.

B – Tonsina River Lodge, 82 km from the HAARP facility, Russian team

C – Riverview, 11 km from the HAARP facility, NRL team

D – the HAARP facility

Pump schedule usedPump schedule used (диагностические режимы излучения ВН) (диагностические режимы излучения ВН): :

(I) A low duty cycle pulse radiation (pulse duration from 5 till 50 ms (I) A low duty cycle pulse radiation (pulse duration from 5 till 50 ms with 2–3 s period)with 2–3 s period)

(II) An alternation of quasi-continuous wave (QCW) radiation (70-(II) An alternation of quasi-continuous wave (QCW) radiation (70-180 ms “on”, 20 -30 ms “off”) during 0.5-2 minutes and the low 180 ms “on”, 20 -30 ms “off”) during 0.5-2 minutes and the low duty cyclesduty cycles

(III) Fast sweep of the pump frequency (III) Fast sweep of the pump frequency ff00 around gyroharmonics around gyroharmonics nfnfc.c.

(IV) Two-frequency pumping for studying pumped volume spatial (IV) Two-frequency pumping for studying pumped volume spatial structurestructure

f 0,max

f 0,min

nfc

f01

f02

Low duty cycle: τ 1= 20 ms, IPP1=1 s

τ2 = 100 μs, IPP2 = 200 msHigh duty cycle: τ 1= 160 ms, IPP1=200 ms

τ2 = 100 μs, IPP2 = 200 ms, τdelay = 180 ms

For diagnostics of the heated volume we used also short pulses of the pump wave (τ2 , IPP2 ), the radiation scheme is shown in the figure

В первой части эксперимента в течение двух получасовых циклов воздействие осуществлялось в вертикальном направлении (15:00–15:30 LT, LT = GMT – 8 ч) и в направлении магнитного поля (магнитный зенит – МЗ, 15:30– 16:00 LT). Результаты этого эксперимента докладывались на 8-й конференции.

Во второй части эксперимента (16:00-16:20 LT) изменение частоты накачки осуществлялось с шагом 1 кГц раз в 0,2 с, т.е. со скоростью rf 0 = 5 кГц/с, в диапазоне 5730→5930→5730 кГц. Эта скорость соответствует перемещению точки, в которой f0=4fc , со скоростью Vf c=rf 0×|(4dfc/dh)|-1 ≈ 1.9 км/с (dfc/dh ≈ - 0.6575 кГц/км).Перед включением пошагового изменения f0 проводился непрерывный нагрев на частоте 5.73 МГц в течение 2-х минут.

Краткое изложение результатов первой части эксперимента.

28.03.2011, 1-я часть эксперимента.Спектрограммы ИРИ для вертикального и наклонного (МЗ) «квазинепрерывного» воздействия. Из отсутствия DM при вертикальном воздействии при f0=5760 кГц следует, что fDM=4fc(hd)=fuh(hd)≈5750 кГцПри f0>4fc в спектре ИРИ наряду с BUMs

появляется динамическая компонента BUMD

Действующие высоты отражения диагностических 100 мс импульсов при вертикальном и наклонном (в магнитный зенит) воздействии.

Вывод: при воздействии в МЗ и f0>4fc возникает слой искусственной ионизации, спускающийся вниз от основного (невозмущенного)слоя со скоростью ~500 м/с до высоты, где f0 ≈ 4fc

Вторая часть эксперимента. МЗ (k0||kr||ks||B)

Верхняя панель: спектрграмма ИРИ.

Нижняя панель: высотно-временной ход сигнала плазменной линии (ПЛ) - сигнала радара MUIR, рассеянного на плазменных (ленгмюровских) волнах при выполнении условий Брэгга:

fs = fr+fL; ks=kr+kL, ks≈ –kr ≈ –kL/2

Начало эксперимента: непрерывное воздействие.

Верхняя панель: спекторграмма ИРИ.

Нижняя панель: высотно-временной ход сигнала ПЛ.

Белая линия: f0=fp(h), красная линия: f0=4fс(h),

Видно: 1) Вначале ПЛ генерируется несколько выше высоты отражения ВН, затем, одновременно с ростом компоненты DM область генерации спускается вниз на 8-10 км.

При непрерывном нагреве спектр ИРИ типичен для f0 < 4fc при больших мощностях (в спектре присутствуют компоненты DM, 2D(M, UM и 2UM). Сигнал ПЛ в первые 2-3 с наблюдался с дальности d ~ 220 км, соответствующей высоте несколько выше высоты отражения ВН. Это соответствует режиму SLT (сильной турбулентности). Затем, одновременно с генерацией DM (через ≈ 5 с, соответствует времени развития тепловых параметрических эффектов – возникновению ММН и поперечных маг. полю плазменных волн в области ВГР и ниже) сигнал ПЛ наблюдается при d ~ 210-212 км, что соответствует высоте h = d/(sin α) на ≈ на 7 км ниже уровня, где f0 = 4fc.

Переход к пошаговому увеличению частоты ВН.Верхняя панель: спектрограмма ИРИ.Нижняя панель: высотно-временной ход сигнала ПЛ.Белая линия: f0=fp(h), красная линия: f0=4fс(h), черный пунктир: частота ВН, при которой минимальна интенсивность DM.

Спектрограмма ИРИ с 200-й по 280-ю секунды эксперимента (2-й свип в диапазоне 5730→5930→5730 кГц).

Спектрограмма ИРИ с 200-й по 280-ю секунды эксперимента (2-й свип в диапазоне 5730→5930→5730 кГц, более яркая цветовая гамма).

Пошаговое изменение (свипирование) частоты ВН, 5930→5730→5930 кГц.Верхняя панель: спектрограмма ИРИ, нижняя панель: высотно-временной ход сигнала ПЛ. Белая линия: f0=fp(h), красная линия: f0=4fс(h), черный пунктир: частота ВН, при которой минимальна интенсивность DM.

Следующий сеанс свипирования.

Во время свипирования при f0 > 4fc в спектре ИРИ наряду с компонентой BUMS (stationary broad upshifted maximum) с отстройкой пика ΔfBUMs≈ f0 – nfc(d) + 15-20 кГц, традиционно существующей в этой области частот, при f0  > f*  генерировался динамический BUMD .

BUMD генерируется на меньших отстройках Δf при f0  > f* ~ 5800 кГц (несколько большие значения f* и меньшая интенсивность BUMD имеют место при увеличении частоты ВН).

Последнее соответствует появлению слоя дополнительной ионизации на 8-10 км ниже основного слоя. Соотношение f0 и 4fc, точнее,

значение 4fc при попадании f0 в двойной резонанс f0 ≈ fd ≈ 4fc(hd) ≈ 4fuh(hd) (fuh – верхнегибридная частота, hd – высота двойного резонанса) определялось по значению частоты DM при прохождении минимума интенсивности в динамическом спектре ИРИ во время пошагового изменения частоты и составляло 5759-5764 кГц.

Сигнал ПЛ наблюдался на дальностях d (высотах h), где f0 < 4fc, причем h уменьшалась с увеличением f0 в соответствии с высотной зависимостью 4fc(h): разница Δfgd = f0 – 4fc при изменении f0 во времени практически не изменялась и составляла Δfgd ≈ –(18-22) кГц при свипе вниз и Δfgu ≈ –(4-8) кГц при свипе вверх по частоте. Эти значения соответствуют разнице высоты, где f0 = 4fc, и высоты генерации ПЛ соответственно Δh ≈ 7-8 км и 1.5-3 км. При перестройке вниз по частоте ПЛ наблюдалась только при 5730 кГц < f0 < fd + 10 кГц, причем.

при f0≈ fd ПЛ падала до уровня шумов При перестройке вверх верхняя граница генерации ПЛ (по f0) несколько расширялась и провал интенсивности ПЛ при f0 ≈ fd наблюдался не во всех сеансах. Кроме того, при свипе вверх наблюдался сигнал ПЛ из области высот, где f0 > 4fc, (но никогда при f0 > f*), причем величина Δfgu ~ 8-13 кГц также оставалась практически неизменной в течение сеанса и соответствовала Δh ~ –4 км.

Таким образом, из проведенного анализа следует, в частности, что при длительном (>5 с) воздействии энергия от волны накачки вкладывается в плазменные волны, распространяющиеся поперек геомагнитного поля. Это, в частности, следует, из вида спектра ИРИ (наличие «верхнегибридных» компонент DM и BUM) и того факта, что значение высоты области генерации сигнала ПЛ существенно ниже точки отражения и привязано к высоте кратного циклотронного резонанса (КЦР).

Примечания: 1) ниже высоты КЦР слой искусственной ионизации не спускается; 2) в этой области ВН поляризована поперек магнтного поля, см. рис.

Генерация ленгмюровких волн, рапространяюшихся вдоль магнитного поля, происходит за счет перекачки энеггии по спектру (в.т.ч. по угловому!) плазменных волн. При f0>4fc (f>f*) перекачка энергии, по-видимому, менее эффективна за счет других стоков энергии (ускорение электронов, дополнительная тонизация?) и энергии плазменных волн, возбужденный ВН, не хватает, чтобы «достать до легмюровских волн».

А почему ПЛ генерируется при 4fc<f0<f* при свипе вверх по частоте?

Спасибо за внимание!