Параметры крупномасштабных тепловых возмущений околоземной плазмы при реализации перспективных уровней мощности среднеширотного нагревного стенда «Сура»
- Авторы: Белов А.С.1
-
Учреждения:
- Филиал РФЯЦ-ВНИИЭФ «НИИИС имени Ю.Е. Седакова»
- Выпуск: Том 28, № 3 (2025)
- Страницы: 80-88
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.rcsi.science/1810-3189/article/view/343633
- DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2025.28.3.80-88
- ID: 343633
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Обоснование. Создание и развитие экспериментальных установок для исследований в области физики околоземной плазмы является крайне актуальной задачей. Коротковолновый нагревный стенд «Сура» является единственной в мире действующей среднеширотной исследовательской установкой по активному воздействию на ионосферу Земли. Новые физические результаты, полученные на стенде HAARP, обладающем более высокой мощностью излучения передатчиков, стимулируют работы по оценке возможностей модернизации и определению достижимых параметров возмущений околоземной плазмы для других установок, в том числе и для стенда «Сура». Цель. Численное моделирование и анализ достижимых параметров крупномасштабных тепловых возмущений околоземной плазмы при проведении модернизации установки и реализации перспективных уровней мощности излучения стенда «Сура». Методы. Моделирование проводилось с использованием открытого программного кода SAMI2, дополненного модифицированной моделью источника нагрева, использующей непосредственный расчет коэффициента аномального поглощения для приближения холодной плазмы при гауссовом спектре вытянутых неоднородностей. Результаты. Исследованы эффекты воздействия как в дневные часы, так и в условиях, соответствующих позднему вечернему времени. Для дневных условий получено, что реализация перспективных уровней мощности на стенде «Сура» приводит к практически двукратному возрастанию возмущений плотности и температуры электронов в области искусственного дакта на высотах внешней ионосферы Земли. Для условий позднего вечернего времени получено, что осуществление модернизации нагревного стенда приводит также к двукратному возрастанию возмущений температуры электронов. При этом увеличение уровня относительных возмущений плотности электронов не столь значительное и составляет не более 20 % относительно действующих характеристик стенда. Заключение. Показано, что параметры создаваемых тепловых возмущений нелинейно зависят от мощности излучения волны накачки и их рост насыщается вследствие перераспределения плазмы в области аномального поглощения.
Полный текст
Введение
Создание и развитие установок для исследований в области физики околоземной плазмы является крайне актуальной задачей. Интерес к данному направлению обусловлен как разнообразными практическими приложениями, включающими активную диагностику и мониторинг состояния околоземного пространства, задачи телекоммуникаций и радиолокации, так и необходимостью решения фундаментальной задачи построения полной физической картины развивающихся явлений в неоднородной магнитоактивной плазме [1; 2].
В настоящее время коротковолновый нагревный стенд «Сура» [3] (56,15° N, 46,11° E) является единственной в мире действующей среднеширотной исследовательской установкой по активному воздействию на околоземную плазму. Расположение стенда в средних широтах позволяет обеспечить высокую воспроизводимость и достоверность получаемых результатов, т. к. экваториальная и высокоширотная области ионосферы Земли значительно сильнее подвержены разнообразным геофизическим возмущениям [4; 5].
Действующий нагревный стенд «Сура» включает в себя три коротковолновых передатчика ПКВ-250 с непрерывной мощностью излучения 250 кВт каждый 750 кВт), нагруженных на фазированную антенную решетку, состоящую из 144 горизонтальных скрещенных широкополосных вибраторов. Максимальная эффективная излучаемая мощность стенда в диапазоне частот 4,3–9,5 МГц составляет 80–280 МВт соответственно.
В последнее время на нагревном стенде HAARP был получен ряд новых эффектов [6; 7], обусловленных в значительной мере более высокой мощностью излучения передатчиков стенда 3,6 МВт, 400–3000 МВт).
Таким образом, планка научных достижений, реализованных на установке HAARP, стимулирует работы по оценке возможностей модернизации и других существующих исследовательских установок, в том числе нагревного стенда «Сура».
В работе [8] на основе анализа существующей инфраструктуры и имеющихся научно-технологических возможностей определены облик и практически реализуемые технические характеристики нагревного стенда «Сура».
Одним из наиболее значимых эффектов воздействия мощного КВ-радиоизлучения на околоземную плазму является формирование вытянутых вдоль геомагнитного поля крупномасштабных искусственных плазменно-волновых структур (дактов плотности), оказывающих существенное влияние на распространение низкочастотных радиоволн.
Целью настоящей работы является проведение численного моделирования и анализ достижимых параметров таких крупномасштабных возмущений околоземной плазмы при проведении модернизации установки и реализации перспективных уровней мощности излучения стенда «Сура».
Для проведения анализа целесообразно выбрать характерный день, соответствующий спокойным геомагнитным условиям. В качестве этого дня был определен сеанс 13 марта 2023 г., характеризуемый очень низким значением суммарного планетарного индекса геомагнитной возмущенности При этом отдельно рассмотрены эффекты воздействия в дневных условиях (09:00 UT соответствует 12:00 LT) и условиях, соответствующих поздним вечерним часам (18:00 UT, 21:00 LT).
1. Расчетная ионосферная модель
Несмотря значительное разнообразие численных моделей ионосферы Земли, практически все исследования по моделированию эффектов ее нагрева мощным КВ-радиоизлучением [9–12], проводимые в последние два десятилетия, базировались на двухмерной модели SAMI2 [13], обладающей открытым исходным программным кодом и позволяющей описывать динамику околоземной плазмы в области всей возмущенной геомагнитной силовой трубки.
Данная двухмерная ионосферная модель SAMI2, дополненная модифицированной моделью источника нагрева [14], использующей непосредственный расчет коэффициента аномального поглощения для приближения холодной плазмы при гауссовом спектре вытянутых неоднородностей, использована и в настоящей работе.
Для сеанса 13.03.2023 значения основных параметров моделирования, определяющих состояние ионосферы, составляют: планетарный магнитный индекс индекс солнечной активности 100. Параметры расчетной сетки, описывающие, соответственно, количество ячеек вдоль геомагнитного поля и число силовых линий составляют (801, 402), что позволяет обеспечить компромисс между вычислительными возможностями и достигаемым пространственным разрешением.
Моделирование источника нагрева проводилось для мелкомасштабных неоднородностей гауссовой формы с величиной возмущения концентрации характерным масштабом 0,2 м и значением расстояния между неоднородностями 1,2 м. Данные параметры неоднородностей обеспечивают аномальное поглощение мощной радиоволны накачки за счет локального возбуждения необыкновенной Z-моды и коротковолновых плазменных колебаний [15].
В качестве характеристик воздействующего КВ-радиоизлучения в модели выступают: мощность передатчиков нагревного стенда частота излучения и угловой поперечный размер области нагрева время нагрева.
При проведении моделирования нагревный стенд «Сура» включался на 20 мин в 09:00 UT для дневных условий и в 18:00 UT для условий, соответствующих поздним вечерним часам. Это значение времени нагрева в соответствии с [16; 17] является достаточным для развития искусственной ионосферной турбулентности не только в области аномального поглощения волны накачки, но и на высотах внешней ионосферы Земли.
Численное моделирование запускалось на 26 часов. Для уменьшения влияния инициализации дополнительный источник нагрева в уравнении теплопроводности для электронов «включался» через 22 часа по отношению к началу моделирования.
2. Результаты численного моделирования крупномасштабных тепловых возмущений околоземной плазмы в дневных условиях
Следует отметить, что ранее при действующих характеристиках нагревного стенда «Сура» для дневных сеансов крупномасштабные плазменно-волновые возмущения на высотах внешней ионосферы Земли не регистрировались.
Для 13.03.2023 и момента времени 09:00 UT критическая частота F2-области ионосферы = 12 МГц, поэтому воздействие целесообразно проводить на максимальной рабочей частоте стенда 9,5 МГц.
Для действующих параметров стенда мощность излучения передатчиков на данной частоте 750 кВт, а размер области нагрева на высоте отражения волны накачки 240 км составляет 0,12°.
После проведения модернизации ожидается, что мощность излучения передатчиков на частоте 9,5 МГц будет составлять 2400 кВт, а = 0,1°.
На рис. 1 и 2 представлены полученные при моделировании распределения плотности и температуры электронов для различных моментов времени (кривая (1) – непосредственно перед включением источника нагрева 09:00:00 UT, кривая (2) – 09:10:00 UT, кривая (3) – выключения нагрева 09:20:00 UT, кривая (4) – спустя 10 мин после выключения источника нагрева 09:30:00 UT) во внешней ионосфере Земли на высотах 700 и 1500 км. В левом столбце рис. 1 и 2, а и б представлены результаты моделирования для действующих параметров нагрева, а в правом столбце (в и г) – для параметров после проведения модернизации стенда.
Рис. 1. Широтные профили распределений плотности (а и в) и температуры электронов (б и г) на h=700 км для следующих моментов времени: 09:00:00 UT (1), 09:10:00 UT (2), 09:20:00 UT (3) и 09:30:00 UT (4)
Fig. 1. Latitudinal profiles of density (a and c) and electron temperature (b and d) distributions at h=700 km for the following time points: 09:00:00 UT (1), 09:10:00 UT (2), 09:20:00 UT (3) and 09:30:00 UT (4)
Рис. 2. Широтные профили распределений плотности (а и в) и температуры электронов (б и г) на h=1500 км для тех же моментов времени, что и на рис. 1
Fig. 2. Latitudinal profiles of density (a and c) and electron temperature (b and d) distributions at h=1500 km for the same time points as in Fig. 1
В дневных условиях критическая частота F2-области ионосферы значительно превышает частоту воздействующего КВ-радиоизлучения, что приводит к тому, что нагрев осуществляется на существенно меньших высотах, чем максимум F2-области, и «пробоя» ионосферы в результате воздействия не наблюдается.
Во внешней ионосфере Земли возмущения плотности и температуры электронов реализуются в виде локализованной структуры (дакта) с повышенными относительно фонового уровня значениями и
В соответствии с представленными на рис. 1 и 2 данными, видно, что уровень возмущений как для действующих параметров стенда, так и после проведения модернизации является достаточно малым.
Максимальные значения за время нагрева относительных возмущений плотности
и температуры электронов
– максимальные значения плотности и температуры электронов в возмущенной области, а – их фоновые значения) для высоты 700 км составляют для действующих параметров стенда (см. рис. 1): 1,2 %, а 1,7 %. Характерный поперечный размер дакта плотности плазмы на высоте 700 км – порядка 70 км. Столь малые значения возмущений при действующих характеристиках нагревного стенда «Сура» и обусловили тот факт, что они терялись в уровне шумовых сигналов.
После реализации перспективных уровней мощности нагревного стенда «Сура» значения относительных возмущений плотности и температуры электронов составят: 2,3 %, а 3 %. Данные параметры возмущений, вероятно, будет уже возможно зарегистрировать при проведении непосредственных in situ измерений с помощью высокочувствительной аппаратуры искусственных спутников Земли (для утренних сеансов воздействия мощного КВ-радиоизлучения нагревного стенда «Сура» экспериментально зарегистрированы с использованием спутников серии DMSP относительные возмущения плотности плазмы величиной ~ 3 % [16]).
При увеличении значения высоты во внешней ионосфере Земли возмущения продолжают наблюдаться в виде такого же локализованного дакта. Для высоты 1500 км (см. рис. 2) значения максимальных относительных возмущений плотности и температуры электронов составляют: 0,6 % и 0,6 %, а после проведения модернизации: = 1,5 % и 1,8 %. Характерный поперечный размер дакта несколько увеличивается, достигая на высоте 1500 км величины 80–90 км.
Приведенные на рис. 1 и 2 (кривые 4) результаты моделирования показывают, что возмущения температуры успевают релаксировать после прекращения нагрева за время порядка 10 мин, в свою очередь, с возмущениями плотности электронов этого не происходит (время релаксации возмущений составляет более 30 мин).
3. Результаты численного моделирования крупномасштабных тепловых возмущений околоземной плазмы в ночных условиях
Поздние вечерние (ночные) часы являются оптимальным временем суток для формирования искусственных дактов плотности плазмы [16].
Для момента времени 18:00 UT 13.03.2023 критическая частота F2-области ионосферы составляет 5,9 МГц. В целях обеспечения нагрева в отсутствии пробоя ионосферы воздействие целесообразно проводить на нижней рабочей частоте стенда 4,3 МГц.
Для действующих параметров стенда размер области нагрева на высоте отражения волны накачки 260 км составляет 0,27°, а после проведения модернизации при увеличении мощности излучения передатчиков с 700 кВт до = 2400 кВт характерный поперечный размер зоны воздействия 0,23°.
На рис. 3 и 4 представлены полученные при моделировании распределения плотности и температуры электронов для различных моментов времени (кривая (1) – непосредственно перед включением источника нагрева 18:00:00 UT, кривая (2) – 18:10:00 UT, кривая (3) – выключения нагрева 18:20:00 UT, кривая (4) – спустя 10 мин после выключения источника нагрева 18:30:00 UT) во внешней ионосфере Земли на высотах 700 и 1500 км. В левом столбце рис. 3 и 4, а и б представлены результаты моделирования для действующих параметров нагрева, а в правом столбце (в и г) – для параметров после проведения модернизации стенда, аналогично как и для рис. 1 и 2.
Рис. 3. Широтные профили распределений плотности (а и в) и температуры электронов (б и г) на h=700 км для следующих моментов времени: 18:00:00 UT (1), 18:10:00 UT (2), 18:20:00 UT (3) и 18:30:00 UT (4)
Fig. 3. Latitudinal profiles of density (a and c) and electron temperature (b and d) distributions at h=700 km for the following time points: 18:00:00 UT (1), 18:10:00 UT (2), 18:20:00 UT (3) and 18:30:00 UT (4)
Рис. 4. Широтные профили распределений плотности (а и в) и температуры электронов (б и г) на h=1500 км для тех же моментов времени, что и на рис. 3
Fig. 4. Latitudinal profiles of density (a and c) and electron temperature (b and d) distributions at h=1500 km for the same time points as in Fig. 3
В соответствии с представленными на рис. 3 и 4 данными видно, что уровень возмущений как для действующих параметров стенда, так и после проведения модернизации значительно вырос по сравнению с дневными часами.
Для высоты 700 км возмущения плотности и температуры электронов наблюдаются в течение всего времени нагрева в виде локализованной структуры (дакта) с повышенными относительно фонового уровня значениями и Максимальные значения за время воздействия (для = 18:20:00 UT) относительных возмущений плотности и температуры электронов на высоте 700 км составляют для действующих параметров стенда (см. рис. 3): 19 % и 27 %. Характерный поперечный размер дакта плотности плазмы на высоте 700 км также возрос по сравнению с дневными часами (видимо, из-за увеличения размера источника нагрева в F2-области ионосферы) и составляет порядка 130 км.
После реализации перспективных уровней мощности излучения стенда «Сура» расчетные значения возмущений для той же высоты и момента времени составят: 23 % и 55 %, а ширина дакта 140 км. Таким образом, модернизация нагревного стенда приводит к двукратному возрастанию возмущений температуры электронов в области искусственного дакта плотности на данной высоте. В то же время увеличение уровня относительных возмущений плотности электронов не столь значительное и составляет не более 20 % относительно действующих характеристик стенда.
Для больших значений высот во внешней ионосфере Земли возмущения плотности плазмы продолжают наблюдаться в виде локализованного дакта, однако со структурой, изменяющейся в течение времени нагрева и носящей более сложный характер.
В верхней части внешней ионосферы на высоте 1500 км в первой фазе нагрева (длительностью порядка 10 мин) за счет вытеснения плазмы из области аномального поглощения волны накачки в F2-области ионосферы возмущения плотности наблюдаются в виде дакта с повышенными относительно фонового уровня значениями. Максимальные значения относительных возмущений плотности и температуры электронов составляют для действующих параметров стенда: 3 % и 4 %, а после проведения модернизации: 5 % и 9 %.
Далее, вероятно, из-за того, что на данных высотах основной вклад в плотность плазмы вносят ионы H+ и He+, вытеснение этих ионов из возмущенной области за счет возрастания температуры электронов уже не компенсируется более тяжелыми компонентами O+ и NO+, приходящими с более низких высот ионосферы. В результате это приводит к формированию на данных высотах области с пониженной плотностью плазмы. К моменту окончания нагрева для 18:20:00 UT величина относительного уровня понижения плотности электронов составляет для действующих параметров стенда –4 %, а после проведения модернизации –11 %. При этом в возмущенной области наблюдается рост температуры электронов, достигающий 6 % для действующих и 15 % для перспективных параметров нагревного стенда «Сура».
Локализованные в области данной силовой трубки геомагнитного поля возмущения плотности и температуры плазмы распространяются далее и на большие высоты в ионосфере и магнитосфере Земли, формируя таким образом крупномасштабную плазменно-волновую неоднородную структуру, существенным образом влияющую на трансионосферное прохождение низкочастотных волн, возбуждаемых наземными (передатчиками) или атмосферными (грозами) источниками [18; 19].
Заключение
По результатам численного моделирования исследованы параметры крупномасштабных тепловых возмущений околоземной плазмы, индуцируемых мощным коротковолновым радиоизлучением нагревного стенда «Сура» в околоземной плазме при проведении его модернизации и реализации перспективных уровней мощности. С целью проведения сравнительного анализа моделирование выполнено также и для действующих характеристик стенда.
Численное моделирование тепловых возмущений проводилось с помощью двухмерной ионосферной модели SAMI2, дополненной модифицированной моделью источника нагрева.
Рассмотрены эффекты воздействия как в дневные часы, так и в условиях, соответствующих позднему вечернему времени.
Для дневных условий показано, что увеличение мощности передатчиков нагревного стенда «Сура» более чем в 3 раза влечет практически двукратное возрастание возмущений плотности и температуры электронов в области искусственного дакта на высотах внешней ионосферы Земли. Однако данные параметры возмущений, вероятно, будет уже возможно зарегистрировать при проведении непосредственных in situ измерений с помощью высокочувствительной аппаратуры искусственных спутников.
Моделирование для условий позднего вечернего времени показало, что осуществление модернизации нагревного стенда приводит также к двукратному возрастанию возмущений температуры электронов. При этом увеличение уровня относительных возмущений плотности электронов не столь значительное и составляет не более 20 % относительно действующих характеристик стенда.
Финансирование
Работа выполнена в рамках научной программы Национального центра физики и математики (направление «Ядерная и радиационная физика», этап 2023–2025).
Об авторах
Алексей Сергеевич Белов
Филиал РФЯЦ-ВНИИЭФ «НИИИС имени Ю.Е. Седакова»
Автор, ответственный за переписку.
Email: alexis-belov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0533-3771
кандидат физико-математических наук, заместитель начальника научно-исследовательского отделения – начальник научно-исследовательского отдела
Область научных интересов: радиофизика, прикладная электродинамика, активные воздействия на околоземную плазму
Россия, 603137, г. Нижний Новгород, ул. Тропинина, 47Список литературы
- Мизонова В.Г., Дегтерев Е.Г., Соколова Г.М. Влияние возмущений плотности ионосферной плазмы на условия распространения свистовых волн в ионосфере // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2024. Т. 27, № 3. С. 7–16. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2024.27.3.7-16
- Белов А.С. Особенности генерации и распространения сверхнизкочастотных волн, возбуждаемых в ионосфере Земли, при воздействии мощного КВ-радиоизлучения // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2021. Т. 24, № 4. С. 53–62. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2021.24.4.53-62
- Стенд «Сура»: исследования атмосферы и космического пространства (обзор) / В.В. Беликович [и др.] // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2007. Т. 50, № 7. С. 545–576. URL: https://www.elibrary.ru/iciqaz
- Fejer B.G. The equatorial ionospheric electric fields: A review // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 1981. Vol. 43, no. 5-6. P. 377–386. DOI: https://doi.org/10.1016/0021-9169(81)90101-x
- Tsunoda R.T. High-latitude F region irregularities: a review and synthesis // Reviews of Geophysics. 1988. Vol. 26, no. 4. P. 719–760. DOI: https://doi.org/10.1029/RG026i004p00719
- Creation of artificial ionospheric layers using high-power HF waves / T. Pedersen [et al.] // Geophysical Research Letters. 2010. Vol. 37, no. 2. P. L02106. DOI: https://doi.org/10.1029/2009GL041895
- DEMETER observations of an intense upgoing column of ELF/VLF radiation excited by the HAARP HF heater / D. Piddyachiy [et al.] // Journal of Geophysical Research. 2008. Vol. 113, no. A10. P. A10308. DOI: https://doi.org/10.1029/2008JA013208
- Концепция ФГБНУ НИРФИ по модернизации стенда СУРА / С.Д. Снегирев [и др.]. Препринт № 548. Нижний Новгород: ФГБНУ НИРФИ, 2013. 25 с.
- An interhemispheric model of artificial ionospheric ducts / R.P. Perrine [et al.] // Radio Science. 2006. Vol. 41, no. 4. P. RS4002. DOI: https://doi.org/10.1029/2005RS003371
- Model for artificial ionospheric duct formation due to HF heating / G.M. Milikh [et al.] // Geophysical Research Letters. 2010. Vol. 37, no. 7. P. L07803. DOI: https://doi.org/10.1029/2010GL042684
- A new model for formation of artificial ducts due to ionospheric HF-heating / G.M. Milikh [et al.] // Geophysical Research Letters. 2012. Vol. 39, no. 10. P. L10102. DOI: https://doi.org/10.1029/2012GL051718
- Демехов А.Г. Формирование крупномасштабных возмущений при высокочастотном нагреве ионосферы: зависимость характеристик возмущений от частоты и мощности высокочастотного излучения // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2022. Т. 65, № 2. С. 79–95. DOI: https://doi.org/10.52452/00213462-2022-65-02-79
- Sami2 is another model of the ionosphere (SAMI2): A new low-latitude ionosphere model / J.D. Huba [et al.] // Journal of Geophysical Research. 2000. Vol. 105, no. A10. P. 23035–23053. DOI: https://doi.org/10.1029/2000JA000035
- Белов А.С. Моделирование крупномасштабных возмущений околоземной плазмы при воздействии мощного коротковолнового радиоизлучения нагревного стенда «Сура» // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2021. Т. 64, № 6. С. 430–444. DOI: https://doi.org/10.52452/00213462-2021-64-06-430
- Васьков В.В., Рябова Н.А. К вопросу об аномальном поглощении радиоволн на вытянутых вдоль магнитного поля мелкомасштабных неоднородностях // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2005. Т. 48, № 3. С. 181–197. URL: https://www.elibrary.ru/hmrgdt
- Создание дактов плотности при нагреве ионосферы Земли мощным коротковолновым радиоизлучением / В.Л. Фролов [и др.] // Письма в ЖЭТФ. 2008. Т. 88, № 12. С. 908–913. URL: https://www.elibrary.ru/mtyksv
- Характеристики электромагнитных и плазменных возмущений, индуцируемых на высотах внешней ионосферы Земли при модификации F2-области мощным радиоизлучением стенда «Сура» / В.Л. Фролов [и др.] // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2016. Т. 59, № 3. С. 198–222. URL: https://www.elibrary.ru/whenif
- VLF electromagnetic field structures in ionosphere disturbed by Sura RF heating facility / V.O. Rapoport [et al.] // Journal of Geophysical Research. 2010. Vol. 115, no. A10. P. A10322. DOI: https://doi.org/10.1029/2010JA015484
- Whistler propagation in ionospheric density ducts: simulations and DEMETER observations / J.R. Woodroffe [et al.] // Journal of Geophysical Research. 2013. Vol. 118, no. 11. P. 7011–7018. DOI: https://doi.org/10.1002/2013JA019445
Дополнительные файлы






