Influence of strong local atmospheric disturbance on the near field strength of a low-frequency loop antenna located in the Earth's ionosphere

Abstract

A low-frequency loop antenna located in the ionosphere can be an effective diagnostic tool for determining the parameters of strong local atmospheric disturbances. The source of such disturbances can be the intrusion of meteoroids into the atmosphere. The input impedance of the loop antenna in the ionosphere weakly depends on the parameters of the surrounding magnetoactive plasma, so even a relatively strong disturbance of the environment does not disrupt the matching of the loop with the transmitter. The article presents the results of numerical calculations of the time dependence of the near electric field strength of a loop antenna located in the ionosphere in the frequency range of 1...10 kHz. The parameters of the ionospheric plasma (ionization value, temperature, effective frequency of electron collisions) change in time under the influence of a strong local disturbance emerging in the atmosphere. It is shown that as the disturbance region approaches the antenna, the magnitude of the field strength deviates significantly from the background values, first in the direction of increase, and then in the direction of decrease, down to a value of the order of the field strength of such an antenna in free space. The duration of these disturbances of the field strength is in the range from 15 to 30 s with a change in the initial energy of the atmospheric disturbance from 1 to 10 PJ.

• ionosphere
• loop antenna
• low frequencies
• strong local disturbance

Аннотация (на русском)

Влияние сильного локального возмущения атмосферы на величину напряженности ближнего поля низкочастотной рамочной антенны, расположенной в ионосфере земли

Проведены численные расчеты зависимости от времени величины напряженности ближнего электрического поля рамочной антенны, расположенной в ионосфере, в интервале частот 1…10 кГц. Параметры ионосферной плазмы (величина ионизации, температура, эффективная частота соударений электронов) изменяются во времени под влиянием всплывающего в атмосфере сильного локального возмущения, вызванного вторжением метеоритных тел. Показано, что по мере приближения области возмущения к антенне величина напряженности поля существенно отклоняется от фоновых значений сначала в сторону увеличения, а затем в сторону уменьшения вплоть до величины порядка напряженности поля такой антенны в свободном пространстве. Длительность этих возмущений напряженности поля находится в интервале от 15 до 30 с при изменении начальной энергии возмущения атмосферы от 1 до 10 ПДж.

For citation

References

1. Helliwell R.A., Katsufrakis J.P., Trimpi M. Whistler-induced amplitude perturbation in VLF propagation // J. Geophysical Research. - 1973. - Vol. 78. - No. 22. - P. 4679-4688. - https://doi.org/10.1029/JA078I022P04679
2. Бронштэн В.А. Физика метеорных явлений. - Москва: Наука, 1981. - 416 c.
3. Акиндинов В.В., Еремин С.М., Лишин И.В. Антенны низкой частоты в магнитоактивной плазме (обзор) // Радиотехника и электроника. - 1985. - Т. 30. - № 5. - С. 833-850.
4. Koons H.C., Dazey M.N., Edgar B.C. Impedance Measurements on a VLF Multiturn Loop Antenna in a Space Plasma Simulation Chamber // Radio Sci. - 1984. - Vol. 19. - No. 1. - P. 395-399. - https://doi.org/10.1029/RS019i001p00395
5. Арманд Н.А., Семенов Ю.П., Черток Б.Е. и др. Экспериментальное исследование в ионосфере Земли излучения рамочной антенны в диапазоне очень низких частот, установленной на орбитальном комплексе "Мир-Прогресс-28-Союз ТМ-2" // Радиотехника и электроника. - 1988. - Т. 33. - № 11. - С. 2225-2233.
6. Лукин Д.С., Пресняков В.Б., Савченко П.П. Расчеты волновых полей ближней зоны рамочного ОНЧ-излучателя в однородной магнитоактивной плазме // Геомагнетизм и аэрономия. - 1988. - Т. 28. - № 2. - С. 262-267.
7. Мошков А.В., Пожидаев В.Н. Численное моделирование распределения низкочастотного поля, создаваемого передающей рамочной антенной, установленной на борту космического аппарата // Радиотехника и электроника. - 2019. - Т. 64. - № 9. - С. 866-873. - https://doi.org/10.1134/S0033849419080126
8. Мошков А.В., Пожидаев В.Н. Пространственное распределение демодулированного низкочастотного поля в ионосфере, возмущенной мощным коротковолновым радиоизлучением // Радиотехника и электроника. - 2013. - Т. 58. - № 9. - С. 965-970. https://doi.org/10.7868/S0033849413090106
9. Стикс Т. Теория плазменных волн. - Москва: Атомиздат, 1965. - 343 с.
10. Фаткуллин M.H., Зеленова Т.И., Козлов В.К. и др. Эмпирические модели среднеширотной ионосферы. - Москва: Наука, 1981. - 256 с.
11. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. - Москва: Наука, 1967. - 684 с.
12. Мошков А.В. Оценка длительности замираний радиоволн низкой частоты в волноводе "Земля-ионосфера" под влиянием сильного локального возмущения в атмосфере // Радиотехника и электроника. - 2022. - Т. 67. - № 11. - С. 1127-1132. - https://doi.org/10.31857/S0033849422110109