Ослабление электромагнитных волн в нижней ионосфере в широком интервале частот от 1 кГц до 10 МГц

Аннотация

Проведены численные расчеты коэффициентов поглощения и отражения электромагнитных волн в нижней ионосфере в широком интервале частот 1 кГц - 10 МГц, используемом современными станциями воздействия на ионосферу («нагревными стендами»). Для определенности расчеты проводились для условий, характерных для станции HAARP (Аляска, США). Показано, что в дневных условиях выделяются две основных полосы поглощения вблизи частот гиро и верхне-гибридного резонансов. Ночью эти полосы практически сливаются в одну уширенную полосу. В ночное время выявлен минимум коэффициентов отражения и поглощения вблизи частоты 2 кГц.

• нижняя ионосфера
• коэффициенты отражения и поглощения
• нагревной стенд
• плазменные резонансы
• lower ionosphere
• reflection and absorption coefficients
• Plasma resonances
• heating facilities

Abstract (in English)

Electromagnetic waves attenuation in the low ionosphere in wide frequency range from 1 kHz to 10 MHz

Modern ionosphere heating facilities use power short wave (SW) ground-based transmitters with low frequency (LF) modulation for creation a virtual LF antenna in D and E layers of the ionosphere. A frequency of the SW transmitter must guarantee the maximum absorption capacity of modulated waves for a given parameters of the lower ionosphere. This heating absorption leads to plasma conductivity and auroral electrojet current LF modulation. Thus, the disturbed region of the lower ionosphere becomes the LF demodulator. We propose a relatively simple combined method of numerical calculation of wave reflection and absorption coefficients in a wide range of LF-SW frequencies, which are commonly used in ionosphere heating experiments. For SW frequencies, we use classical magneto-ionic approach and calculate height “profiles” of real and imagery parts of the wave refractive index for the ionosphere condition given. For LF frequencies, we use full wave approach when the ionosphere parameters are notably changed on one wavelength. All illustrative calculations are made for the HAARP station conditions. It is shown that for a daytime there are two distinct frequency bands with relatively high wave power attenuation near gyro-resonance and up hybrid resonance frequencies. In nighttime this bands consolidate to one wide frequency band. Full wave calculations show that in nighttime there is remarkable minimum of reflection and absorption coefficients near 2 kHz frequency. This frequency is slightly lower than cut-of frequency of the Earth-ionosphere waveguide. Hence, this frequency is very well for modulation frequency in case of upward radiation.

Для цитирования

Литература

1. Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере. // УФН. 2007. Т.177. № 11. С.1145-1177. DOI: 10.3367/UFNr.0177.200711a.1145
2. Белов А.С., Марков Г.А., Фролов В.Л., Рапопорт В.О., Парро М., Ритвельд М. Возмущения внешней ионосферы Земли мощным KB радиоизлучением нагревного стенда EISCAT. // Совр. проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2008. Т. 5. № 1. С. 539-545.
3. 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.
4. 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.
5. Мошков А.В., Пожидаев В.Н. Вертикальное распределение демодулированного низкочастотного поля в низкоширотной возмущенной ионосфере. // Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63. № 2. С. 134-138. DOI: 10.7868/S0033849418020043.
6. Макаров Г.И., Федорова Л.А. Метод многократно отраженных волн в задаче о распространении электромагнитных волн в регулярных волноводах. // Известия вузов. Радиофизика. 1982. Т. 25. № 12. С. 1384-1409.
7. 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.
8. Мошков А.В., Пожидаев В.Н. Распределение на поверхности земли напряженности поля низкой частоты, демодулированного в возмущенной нижней ионосфере. // Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63. № 5. С. 409-414. DOI: 10.7868/S0033849418050030.
9. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир. 1973. 504 с.
10. Budden K.G. Radio Waves in the Ionosphere. Cambridge: University Press. 1961. 542 p.
11. Мошков А.В., Пожидаев В.Н. Численное моделирование прохождения волн очень низкой частоты через магнитоактивную плоскослоистую плазму нижней ионосферы земли. // Радиотехника и электроника. 2020. Т. 65. (в печати).
12. Гинзбург В.Л., Рухадзе А.А. Волны в магнитоактивной плазме. М.: Наука. 1975. 256 с.
13. Стикс Т. Теория плазменных волн. М.: Атомиздат. 1965. 343с.
14. Альперт Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. М.: Наука. 1972. 563 с.
15. Фаткуллин M.H., Зеленова Т.И., Козлов В.К., Легенька А.Д., Соболева Т.Н. Эмпирические модели среднеширотной ионосферы. М.: Наука. 1981. 256 с.