Распределение на поверхности земли напряженности поля низкой частоты, генерируемого в возмущенной нижней ионосфере

Аннотация

На основе спутниковых экспериментальных данных о параметрах демодулированного низкочастотного излучения мощного передатчика станции HAARP (Аляска, США) проведено численное моделирование возможного распределения поля такого источника в волноводе «Земля-ионосфера». Показано, что в связи с чрезвычайно слабой электромагнитной связью ионосферы и волновода в случае ионосферного источника, величины напряженности электрического и магнитного поля волноводных волн относительно малы и находятся вблизи уровня низкочастотных помех уже в непосредственной близости к центру распределения. Это приводит к необходимости использования специальных процедур для обнаружения такого сигнала и измерения его параметров в целях дистанционной диагностики работы мощных наземных ионосферных станций.

• нагревной стенд
• волновод "земля-ионосфера"
• лучевые траектории
• heating facility
• ray tracing
• высокоширотная ионосфера
• демодулированные волны низкой частоты

Abstract (in English)

Modern scientific programs for studying the Earth's ionosphere and magnetosphere usually include injection of low-frequency (LF) electromagnetic waves into these plasma media. Note that the development of high-power ground antennas radiating upward is hampered because of relatively large dimensions of such antennas and rather high conductivity of ground at low frequencies. This circumstance has leaded to building in the late 1960s of Siple Antarctic station located on thick ice substrate. However, at present, the technology of formation of LF sources on the basis of demodulation of high-power short-wave radiation of ground-based transmitters located in North polar regions is preferable. Modern station acting on the ionosphere is a system that can not only act intensively on the ionospheric plasma but also control the conditions and parameters of this action. Currently, the EISCAT (Norway) and HAARP (Alaska) heating facilities are the most powerful and best equipped with scientific control instruments. It can be shown that, in the first approximation, this antenna is equivalent to an electric dipole oriented from the east to the west in the geomagnetic coordinate system. Some part of the radiation of such an antenna passes into the upper ionosphere and magnetosphere. Another part of the LF radiation enters a spherical cavity formed by the lower boundary of the ionosphere and the Earth's surface (the so-called Earth-ionosphere wave guide). In this spherical wave channel, LF waves can propagate through distances of about several thousand kilometers; these waves are recorded by ground-based receiving instruments. The objective of this paper is to numerically estimate the structure and strength of the demodulated LF radiation propagated in the wave guide for the case of HAARP transmitter operation modes. It is shown that the Earth-ionosphere guide has a very low electromagnetic connectivity with an ionosphere sources in a frequency range 1…5 kHz due to relatively high optical density of the ionosphere plasma in this range. A wave guide field strength decays with rate ~10…15 dB per 100 km on distances about 100…200 km from the field strength earth distribution maxima. In a distance ~500 km this decay rate has a “traditional” value 1…2 dB per 1000 km average field strength value is several mkV/m.

Для цитирования

Литература

1. Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере. УФН. 2007. Т.177. № 11. С.1145-1177.
2. Белов А.С., Марков Г.А., Фролов В.Л. и др. Возмущения внешней ионосферы Земли мощным KB радиоизлучением нагревного стенда EISCAT. Совр. Проблемы Дист. Зондирования Земли из космоса. 2008. Т.5. № 1. С.539-545.
3. Cohen M.B., Golkowski M. 100 days of ELF/VLF generation via HF heating with HAARP. Journal of Geophysical Research. Space Physics. 2013. V.118. No 10. P. 6597-6607. doi:10.1002/jgra.50558.
4. Васильев А.Н., Гетманцев Г.Г., Капустин И.Н. и др. Явление генерации электромагнитных волн ионосферными токами под воздействием на ионосферу модулированного коротковолнового радиоизлучения - эффект Гетманцева. Диплом на открытие №231. Регистр. 22. 05. 1980. // Открытия в СССР. М: Госкомитет СМ СССР по делам изобретений и открытий. ВНИИПИ, 1981. С. 25.
5. Lehtinen N.G., Inan U.S. Radiation of ELF/VLF waves by harmonically varying currents into a stratified ionosphere with application to radiation by a modulated electrojet. J. Geophys. Res. 2008. V.13, A06301. doi:I0.1029/2007JA012911.
6. Cohen M.B., Golkowski M., Inan U.S. Orientation of the HAARP ELF ionospheric dipole and the auroral electrojet. Geophys. Res. Lett. 2008. V.35. L02806, doi: 10.1029/2007GL032424.
7. Piddyachiy D., Inan U.S., Bell T.F., Lehtinen N.G., Parrot M. DEMETER observations of an intense upgoing column of ELF/VLF radiation excited by the HAARP HF heater. J. Geophys. Res. 2008. V.113. A10308. doi:10. W29/2008JA013208.
8. Мошков А.В., Пожидаев В.Н. Пространственное распределение демодулированного низкочастотного поля в ионосфере, возмущенной мощным коротковолновым радиоизлучением. РЭ, 2013. Т. 58. №9. С. 965-970.
9. Palmer T.N., Alessandri A., Andersen U. et al. Development of a european multimodel ensemble system for seasonal-to-interannual prediction (DEMETER). Bull. Amer. Meteorological Soc. 2004. V. 85. № 6. P. 853-872.
10. Фаткуллин M.H., Зеленова Т.И., Козлов В.К. и др. Эмпирические модели среднеширотной ионосферы. М.: Наука. 1981. 256с.
11. Макаров Г.И., Новиков В.В. Вопросы распространения сверхдлинных радиоволн в полноводном канале Земля-ионосфера. УФН. 1969. Т. 98. № 4. С.733-735.
12. Аксенов В.И., Лишин И.В., Назарова М.В. Распространение сверхдлинных радиоволн в ионосфере Земли. В сб. «Распространение радиоволн». М.: Наука, 1975. С.228-261.
13. Аксенов В.И, Мошков А.В. О напряженности поля на поверхности Земли от источника очень низкой частоты, расположенного в ионосфере. Радиотехника и Электроника. 1987. Т. 32. № 5. С. 913-921.
14. Казанцев А.Н., Лукин Д.С., Спиридонов Ю.Г. Метод исследования распространения радиоволн в неоднородной магнитоактивной ионосфере. Космические исследования. 1967. Т. 5. № 4. С. 593-600.
15. Лукин Д.С. Численное моделирование распространения сверхдлинных волн в магнитосфере Земли. Нелинейный мир. 2012. Т.10. № 10. С. 642-650.
16. Лукин Д.С., Савченко П.П. Численное моделирование структуры поля коротких волн в параболическом ионосферном слое. Геомагнетизм и аэрономия. 1981. Т. 21. № 2. С. 256-282.
17. Аксенов В.И., Мошков А.В. Трехмерные лучевые траектории электромагнитных волн низкой частоты в магнитосфере Земли. Космические исследования. 1981. Т.19. № 6. С. 876-883.
18. Мошков А.В. Оценка величины напряженности поля низкочастотного ионосферного источника вблизи главного максимума распределения на поверхности земли. Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54, № 12, С. 1436-1442.
19. Галушко В.Г., Буданов О.В., Ямпольский Ю.М. Квазиоптимальный алгоритм обнаружения узкополосных сигналов на фоне случайных помех Радиофизика и радиоастрономия. 2003. Т. 8. № 4. С. 393-402.