Наблюдения нагревного излучения на Камчатке

УДК [550.388:621.396]

В.П. Сивоконь, И.М. Ворошилов, Б.И. Ханеня НАБЛЮДЕНИЯ НАГРЕВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КАМЧАТКЕ

В экспериментах по активному воздействию на ионосферу используются мощные коротковолновые комплексы - нагревные стенды. В результате такого воздействия формируется множество физических процессов [1], изучение которых представляет научный интерес. Одним из них является формирование искусственных магнитоориентированных неоднородностей. Изучая свойства естественных магнитоориентирован-ных неоднородностей на Камчатке [2], авторы пришли к выводу о возможности реализации полученных подходов в их изучении на коротковолновых трассах большой протяженности. В работе приводятся результаты наблюдений на Камчатке проявлений активного воздействия на ионосферу в Тромсе (Норвегия).

Ключевые слова: ионосфера, магнитоориентированные неоднородности, распространение радиоволн.

V.P. Sivokon, I.M. Voroshilov, B.I. Khanenya OBSERVATIONS OF HEATING RADIATION IN KAMCHATKA

In experiments on active influence on the ionosphere the powerful short-wave complexes such as heating facilities are used. As a result of such influence the set of the physical processes [1] which are of scientific interest is formed. One of them is formation of artificial field-aligned irregularities. Studying the properties of natural magnetically oriented heterogeneities in Kamchatka [2], the authors have come to a conclusion about a possibility of implementing the received approaches to study them on short-wave lines of a big extent. Observation results in Kamchatka of active influence on the ionosphere in Tromse (Norway) are given in the paper.

Key words: ionosphere, magnetically oriented heterogeneities, propagation of radio-waves.

DOI: 10.17217/2079-0333-2017-40-30-36

Интерес к активному воздействию на ионосферу не ослабевает по ряду причин, в том числе прикладного характера. Известна, например, необходимость передачи сигналов управления в глобальном масштабе на беспилотные аппараты. Одним из путей решения этой проблемы может быть использование ионосферного волнового канала, обладающего минимальными потерями на сверхдальних трассах. Но при наличии у подобного канала ряда преимуществ необходимо решить вопрос его эффективного возбуждения. Одним из способов «запитки» канала является рассеяние на искусственных мелкомасштабных неоднородностях ионосферы, формирующихся под воздействием мощной нагревной волны. В этом случае эффективность возбуждения определяется типом рассеяния и его пространственной конфигурацией. Как правило, считается, что имеет место ракурсное рассеяние, когда при падении электромагнитной волны на магнитоориен-тированные неоднородности электронной концентрации рассеяние происходит в конус, вершина которого находится в месте их расположения. Но если рассмотреть совокупность магнитоориен-тированных излучателей как систему переизлучателей, можно сделать вывод о том, что эффективность возбуждения ионосферного канала зависит от их пространственной ориентации и положения в нем.

Для изучения топологии этих неоднородностей существуют разнообразные методы, в том числе методы пробной волны [3] и ракурсного рассеяния [4]. В первом случае модифицируемая область ионосферы периодически облучается вспомогательным излучением, и по изменению его характеристик производится оценка вариаций ее свойств. В методе ракурсного рассеяния используется вспомогательный передатчик, отстоящий от места проведения на достаточно большом удалении, а рассеянный сигнал принимается в пункте, расположенном таким образом, чтобы траектории прямого сигнала и рассеянного на модифицируемой области составляли угол, близкий к 90°. Это позволяет осуществить пространственную селекцию прямого и рассеянного сигналов, и, поскольку облучение происходит непрерывно, оценить скорость происходящих

в модифицируемой области перемещений плазмы по доплеровскому сдвигу частоты. В качестве вспомогательного передатчика, как правило, используется радиовещательная станция. Этот подход неприменим к изучению магнитоориентированных неоднородностей, поскольку не выполняется поляризационное согласование - поляризация волны у таких станций горизонтальная.

Поскольку магнитоориентированные неоднородности вытянуты вдоль силовых линий магнитного поля Земли, то их пространственная ориентация определяется свойствами магнитного поля в месте проведения экспериментов. Для Тромсе, по данным университета Киото [5], магнитное наклонение равно 78,23°, а магнитное склонение составляет 8,74°. Следовательно, неоднородности будут ориентированы под углом 78,23° в вертикальной плоскости. Из этих же данных следует, что в горизонтальной плоскости истинное направление на географический полюс будет отличаться на 8,74°. К этим параметрам вернемся несколько позже, а сейчас рассмотрим отдельные нюансы активного воздействия на ионосферу.

Для повышения эффективности воздействия на ионосферу существует ряд технологий. Напомним те из них, которые существенны для наших наблюдений: селективное поляризационное возбуждение характеристических волн и эффект магнитного зенита.

При падении волны произвольной поляризации на ионосферу происходит формирование двух типов волн: обыкновенной и необыкновенной [6]. Волны отличаются поляризационными характеристиками, и если на передающей стороне сформировать электромагнитное поле, совпадающее по этому параметру с одной из волн, то будет возбуждаться преимущественно именно эта волна. Обыкновенная и необыкновенная волны имеют разные коэффициенты преломления и распространяются в ионосфере с разными показателями поглощения. Соответственно, степень возмущения плазмы и количество формируемых ионосферных неоднородностей будут различными при облучении волнами различной поляризации. Следовательно, для наших наблюдений важна информация о типе поляризации, применяемой в нагревном эксперименте.

Эффект магнитного зенита заключается в существенном повышении эффективности воздействия при излучении электромагнитных волн не вертикально вверх, а вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Следовательно, исходя из параметров магнитного поля Земли, максимум диаграммы направленности излучающей антенны будет ориентирован под углом 78,23° в вертикальной плоскости, и под углом 188,74° в горизонтальной плоскости.

Оценим вероятность прямого приема нагревной волны на трассе Тромсе - Петропавловск-Камчатский. Для этого используем программу VOACAP, в том числе ее on-line версию [7] и технические параметры передающих антенн сайта EISCAT [8]. Программа VOACAP расстояние между Тромсе и Петропавловском-Камчатским оценивает в 6021 км, азимут при этом составляет 24,6°. Разница между главным направлением излучения передающей антенны и азимутом составит 188,74 - 24,6 =164,14°. Направленные свойства передающих антенн зависят от количества элементов в решетке и используемой частоты (рис. 1).

Согласно данным, представленным руководителем экспериментов д.ф.-м.н. Н.Ф. Благовещенской, в экспериментах использовалась антенная решетка номер 2. Из графика следует, что ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости по уровню 3 дБ составит от 15 до 10° в зависимости от частоты. В экспериментах использовалась частота 5421 кГц, для которой ширина диаграммы направленности составляет около 10° (рис. 1). Следовательно, излучаемая энергия в основном сосредоточена в пределах 73-83° в вертикальной плоскости. между тем расчеты с использованием VOACAP показывают (рис. 2), что для приема нагревной волны на Камчатке излучение должно происходить в пределах 3-10° в вертикальной плоскости.

Частота,

Рис. 1. Направленные свойства передающих антенн нагревного стенда Е1БСЛТ

CCIR Coefficients

-METHOD 16 VOACAP 08.0121W PAGE

1

Jan 2016 SSN = 39.

ÔREBRO PETROPAVLOVSK-KAMCAT

69.28 N 19.22 E - 53.02 N 158.65 E XMTR 2- 9 + 0.0 dBi[samples\SAMPLE.00 XMTR 9-30 + 0.0 dBi [samples\SAMPLE.00 RCVR 2-30 10ЫСЙР #22[samples\SAMPLE.22 3 MHz NOISE = -145.0 dBW REQ. REL

MDLTIPATH POWER TOLERANCE

Minimum Angle= 3.000 degrees AZIMUTHS N. MI. KM

28.86 343.51 3251.6 6021.5 ] Az= 0.0 OITaz= 2 8.9 БО.ОООкИ ] Az— 0.0 OFFaz- 28.9 250.000kW ] Az= 0.0 OFFaz=343.5 90% REQ. SNR = 73.0 dB

3.0 dB MDLTIPATH DELAY TOLERANCE

0.100 ms

3F2 2F2

hj

Parameter = ANGLE Frequency - 5.500 MHz

Mode color 2F2 3F2 I

Min= 3.11 Max= 10.21

12 16 20 24

Time

NT1A/XTS

Рис. 2. Расчетные величины угла излучения в вертикальной плоскости для трассы Тромсе - Петропавловск-Камчатский

Из проведенного анализа можно сделать вывод о том, что прием нагревной волны, распространяющейся в волноводе ионосфера-Земля, маловероятен. Для определения условий распространения в межслоевом волноводе используем наиболее вероятную модель, в которой распространение происходит в канале между слоями Е и F. Информацию о возможности существования такого условия можно получить из ионограмм места воздействия (рис. 3).

800 600

400 300

200 150 120

100 90 80

TR0M50 NORWAY DYNflSONDE 16-10-23 0048UT 15°Е 8pBP6It DoY=297.03333 Fi 1e=TR390359.BPG

1.6

6 7 8 10 12 14 16 18

[Jij jWI 1 р

фф L2

«5 _¿.еж. У >

"LÀ »8

. <i

-

100 80 60 40 20 0 -_ WE, SN "¡Ils (c 1С eq) 1

rtffffl^ (и II II

Щ\ W II ли*, 1 .il

W-v*

-i- N-::"' / Profile anû Uncertairffies

<1

• 2 <3 <4 «5 «6 (.7 «8 <9 «10 <11 «12

5 6 7 8 9 10 12 14 16 18

Рис. 3. Ионограмма Тромсе 23 октября 2016 г. 00.48 иТ

На рис. 3 видны отражения на уровне слоя Е и F, что может свидетельствовать о наличии условий для формирования межслоевого ионосферного волновода в месте проведения воздействия на ионосферу.

Большая часть радиотрассы Тромсе - Петропавловск-Камчатский проходит в полярных и приполярных широтах (рис. 4), для которых характерны серьезные нарушения радиосвязи, обусловленные магнитными бурями.

Рис. 4. Радиотрасса Тромсе - Петропавловск-Камчатский

Кроме того в условиях возмущенного магнитного поля Земли в полярных областях формируются перемещающиеся ионосферные возмущения, которые могут существенно повлиять на результаты наблюдений. Используя данные университета Киото (Япония) [5], оценим состояние магнитного поля Земли в период проведения экспериментов. В качестве параметра, по которому производится оценка, используем вариации Dst, поскольку в отличие от планетарного магнитного индекса Кр, Dst позволяет оценить не только степень возмущения магнитного поля, но и фазу возмущения. Ранее было показано, что при селективном поляризационном возбуждении характеристических волн в ионосфере фаза возмущения магнитного поля играет важную роль [9]. В результате обработки магнитных данных было получено следующее распределение (рис. 5).

Рис. 5. Вариации магнитного поля Земли в период с 20 по 26 октября 2016 г.

Эксперименты проводились после 12 часов мирового времени, и для этого интервала времени, как следует из рис. 5, оптимальными для приема и анализа нагревного излучения являются 20-23 октября 2016 г.

В качестве примера проведенных наблюдений приведем спектрограммы излучений на частоте 5423 кГц 21 октября в 14 ч 13 мин (рис. 6) и 23 октября в 12 ч 43 мин (рис. 7).

Для наглядности спектры излучений представлены в разных форматах, и очевидно, что в обоих случаях имеет место уширение спектра и его вариации во времени, преимущественно в сторону отрицательных отстроек частоты.

- 20

- 10

10 20 Частота

Рис. 6. Спектрограмма излучения 21 октября 2016 г.

10 Гц

ев Н О Н О

ев &

- 10 Гц

1,000 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100

Время

Рис. 7. Спектрограмма излучения 23 октября 2016 г.

60 с

н о о я и 8 о Я

£ К

Из данных сайта БКСАТ следует, что стабильность частоты используемого в экспериментах задающего генератора составляет 10 14 Гц. Стабильность частоты радиоприемного устройства составляет 10 8 Гц. Тогда, если исходить из параметров наименее стабильного устройства - радиоприемного, абсолютная нестабильность частоты, обусловленная техническими средствами, составит 0,05423 Гц, что в десятки раз меньше зафиксированной в эксперименте отстройки.

Сдвиг по частоте может быть обусловлен наличием перемещающихся ионосферных возмущений, основным механизмом возникновения которых являются геофизические возмущения в авроральной области. Поскольку для анализа используются данные, полученные в моменты времени, когда магнитное поле Земли было спокойным, можно считать, что вероятность проявления перемещающихся ионосферных возмущений в сдвиге частоты маловероятна.

При проведении экспериментов с использованием для диагностики метода ракурсного рассеяния [4, 10] были получены сдвиги частоты диагностического передатчика такого же порядка, как и зафиксированные нами. В целом они соответствуют полученным нами данным в этих наблюдениях и в работе [2]. Но поскольку считается, что эти возмущения состоят из магнитоориентированных неоднородностей [11], необходимо уточнить эффективность рассеяния на них. Для этого воспользуемся рисунком, приведенным в работе [11] (рис. 8).

0

0

0

Рис. 8. Геометрия ракурсного рассеяния [11]

Напомним, что передающая антенна в Лондоне имеет горизонтальную поляризацию. Маг-нитоориентированные неоднородности над Тромсе расположены под углом 78°. На рис. 8 показаны две моды, 1 и 2, каждая из которых имеет преломление в ионосфере, то есть при падении на область воздействия волна будет эллиптически поляризована. Следовательно, в отличие от наблюдений на Камчатке [2], в экспериментах [4, 10] не представляется возможным полностью обеспечить поляризационное согласование с магнитоориентированными неоднородностями.

Поскольку известна частота нагревной волны и сдвиг частоты, можно определить скорость неоднородностей, величины которой для тридцатисекундного интервала экспериментов проводившихся 21 октября в 14 ч 13 мин, показаны на рис. 9.

Рис. 9. Скорость магнитоориентированных неоднородностей

Выводы

1. Показана возможность дистанционной селективной диагностики свойств магнитоориентированных неоднородностей без использования вспомогательных передатчиков.

2. Наблюдения показали наличие в излучении частотного сдвига, величина которого сопоставима с величинами, полученными с использованием метода ракурсного рассеяния.

3. Особенности трассы позволяют выделить как наиболее вероятное межслоевое ионосферное волноводное распространение сигнала.

4. Специфика возбуждения межслоевого ионосферного волновода позволяет предположить, что частотный сдвиг обусловлен движением магнитоориентированных неоднородностей.

Литература

1. Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере // Успехи физических наук. - 2007. -Т. 177, № 11. - С. 1145-1177.

2. Поляризационный фактор декаметрового рассеяния на магнитоориентированных неоднородности ионосферы / В.П. Сивоконь, И.А. Калугин, В.С., Кобылкин, А.В. Попов // Вестник КамчатГТУ. - 2016. - Вып. 37. - С. 14-18.

3. О зависимости аномального ослабления пробных волн от частоты при воздействии мощным радиоизлучением на ионосферу / С.М. Грач, Г.П. Комраков, М.М. Шварц, М.А. Юрищев // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. - 1998. - Т. 41, № 8. - С. 966-977.

4. Явления, инициированные модификацией ионосферы мощными КВ-радиоволнами на различных широтах / Н.Ф. Благовещенская, Т.Д. Борисова, В.А. Корниенко, Т.Р. Робинзон, Т.К. Йоман, В.Л. Фролов, М.Т. Ритвельд // Солнечно-земная физика. - 2008. - Вып. 12. - Т. 2. - 206-209.

5. Kyoto University. - URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/cgi-bin/point-cgi

6. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. - М.: Мир, 1973. - 504 с.

7. Voice of America Coverage Analysis Program. - URL: http://www.voacap.com/p2p/index.html

8. EISCAT Scientific Association. - URL: http://www.eiscat.uit.no/heater.html

9. Сивоконь В.П., Дружин Г.И. Геомагнитный фактор DST-вариаций в селективном возбуждении ионосферных характеристических волн // Геомагнетизм и аэрономия. - 2006. - Т. 46, № 4.- С. 521-524.

10. Probing of medium-scale traveling ionospheric disturbances using HF-induced scatter targets / N.F. Blagoveshchenskaya, T.D. Borisova, V.A. Kornienko, I.V. Moskvin, M. T. Rietveld, V. L. Frolov, V.P. Uryadov, L.M. Kagan, Yu.M. Yampolski, V.L. Galushko, A.V. Koloskov, S.B. Kasheev, A.V. Zalizovski, G.G. Vertogradov, V.G. Vertogradov, M.C. Kelley // Ann. Geophys. - 2006. - № 24. -P. 2333-2345.

11. Doppler shift simulation of scattered HF signals during the Troms0HF pumping experiment on 16 February 1996 / T.D. Borisova, N.F. Blagoveshchenskaya, I.V. Moskvin, M.T. Rietveld, M.J. Kosch, B. Thid'e // Ann. Geophys. - 2002. - № 20. - P. 1479-1486.

Информация об авторах Information about the authors

Сивоконь Владимир Павлович - Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН; 684034, Россия, Камчатский край, Паратунка; Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; доктор технических наук, доцент, профессор кафедры электрооборудования и радиооборудования судов; vsivokon@mail.ru

Sivokon Vladimir Pavlovich - Institute of Cosmophysical Researches and Radio Wave Propagation FEB RUS, 684034, Russia, Kamchatkа region, Paratunkа; Kamchatka State Technical University; 683003, Russia, Petropavlovsk-KamchatskY; Doctor of Technical Sciences, Docent, Professor of Electrical and Radio Equipment of Ships Chair; vsivokon@mail.ru

Ворошилов Иван Михайлович - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; курсант; ivan.voroshilov.1994@gmail.com

Voroshilov Ivan Mikhailovich - Kamchatka State Technical University; 683003, Russia, Petropavlovsk-Kamchatsty; Student; ivan.voroshilov.1994@gmail.com

Ханеня Богдан Игоревич - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; курсант; el_toro95@mail.ru

Khanenya Bogdan Igorevich - Kamchatka State Technical University; 683003, Russia, Petropavlovsk-Kamchatsty; Student; el_toro95@mail.ru