С.М. Грач 1 ,2 , Е.Н. Сергеев 1, 2 , А.В. Шиндин 1 ,2 , Е. В. Мишин 3 , Б. Воткинс 4

1. ИСКУССТВЕННОЕ РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ ИОНОСФЕРЫ И ПЛАЗМЕННАЯ ЛИНИЯ ВО ВРЕМЯ СВИПИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВОЛНЫ НАКАЧКИ ОКОЛО4-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 3Space Vehicles Directorate, Air Force Research Laboratory, Kirtland AFB, New Mexico, USA 4Geophysical Institute, University of Alaska Fairbanks, USA

2. Памяти Виктора Юрьевича Трахтенгерца (14.04.1939-04.12.2007)

3. 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)

4. Most prominent SEE spectral features for long pumping: Downshifted maximum (DM), is situated at the frequency shiftsΔfDM<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

5. 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

6. Pump schedule used (диагностические режимы излучения ВН): (I) A low duty cycle pulse radiation (pulse duration from 5 till 50 ms with 2–3 s period) (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 duty cycles (III) Fast sweep of the pump frequency f0 around gyroharmonics nfc. (IV) Two-frequency pumping for studying pumped volume spatial structure f 0,max nfc f 0,min f01 f02

7. 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 Low duty cycle: τ 1= 20 ms, IPP1=1 s τ2 = 100 μs, IPP2 = 200 ms High duty cycle:τ 1= 160 ms, IPP1=200 ms τ2 = 100 μs, IPP2 = 200 ms, τdelay = 180 ms

8. 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 rf0 = 5кГц/с, в диапазоне 5730→5930→5730 кГц. Эта скорость соответствует перемещению точки, в которой f0=4fc, со скоростью Vfc=rf0×|(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.

9. 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 кГц При f0>4fc в спектре ИРИ наряду с BUMs появляется динамическая компонента BUMD

10. Действующие высоты отражения диагностических 100 мс импульсов при вертикальном и наклонном (в магнитный зенит) воздействии. Вывод: при воздействии в МЗ и f0>4fcвозникает слой искусственной ионизации, спускающийся вниз от основного (невозмущенного) слоя со скоростью ~500 м/с до высоты, где f0 ≈ 4fc

11. 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

12. 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.

13. 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 ≈5с, 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.

14. 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.

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

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

17. 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.

18. Следующий сеанс свипирования. Во время свипирования при f0 > 4fcв 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 .

19. BUMDгенерируется на меньших отстройках Δf при f0  > f* ~ 5800кГц (несколько большие значения f* и меньшая интенсивность BUMDимеют 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.

20. 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 – 4fcпри 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≈fdПЛ 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.

21. 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.

22. 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?

23. Спасибо за внимание!