Результаты зондирования сверхмелкомасштабных неоднородностей сигналами навигационных спутников GPS

Механизм генерации сверхмелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностей был описан в [1]. В соответствии с этой моделью при нагреве ионосферы на частоте равной гармонике циклотронной частоты электрона (так называемый «гирогармонический» нагрев), верхне гибридные волны могут быть захвачены сильно вытянутой неоднородностью, образуя стоячую бернштейновскую волну λB = 10 – 40 см. Так как амплитуда последней достаточно велика, она, в следствие стрикционного эффекта, выдавливает плазму из областей максимума электрического поля. В результате образуются неоднородности плазмы с поперечным масштабом λB/2 и продольным масштабом порядка 1км. Это и есть сверхмелкомасштабные неоднородности (СММН).
Эксперименты по обнаружению СММН проводились на нагревном стенде «Сура» (120 км к востоку от Нижнего Новгорода в р/п Васильсурск, географические координаты: 56 с.ш и 46 в.д, диапазон рабочих частот: 4.3 – 9.5 МГц, эффективная мощность излучения: 80-300 МВт) в марте 2010, 2011, 2013 годов и в августе 2010, 2011, 2012, 2013 годов в вечернее и дневное время. Нагрев ионосферы осуществлялся на частотах, близких к значениям четвертой или пятой гармоники гирочастоты электрона. Режим работы стенда выбирался 5 с – излучение, 5 с – пауза или 10 с – излучение, 10 с – пауза. Во всех экспериментах диаграмма направленности антенны стенда была наклонена на 12 к югу, в область магнитного зенита для ВН с целью увеличения эффективности взаимодействия мощной радиоволны с плазмой.
Для обнаружения СММН использовался метод зондирования возмущённой области ионосферы сигналами спутников GPS [2]. Как известно, при прохождении через возмущённую область сигналы спутников GPS приобретают дополнительный набег фаз, линейно связанный с полным электронным содержанием (Total Electron Content - TEC) на линии распространения сигнала. Таким образом, выделяя на GPS-приёмнике значения фаз сигналов, можно строить зависимость TEC от времени, то есть осуществлять наблюдение за концентрацией ионосферной плазмы. Все эксперименты сопровождались измерениями ИРИ, которые позволяли с достаточной точностью определить гармонику гирочастоты электрона.
Эксперименты показали, что при определенных условиях при гирогармоническом нагреве ионосферы появляются быстрые вариации фазы сигнала спутников GPS. При вейвлет-анализе этих вариаций наблюдаются спектральные максимумы на периоде T1, соответсвующем режиму работы стенда Сура, и на кратных ему периодах. Также, как правило, на вейвлет-спектре ярко выделяется максимум вариаций с периодом Т1/2. Это говорит о том, что имеет место мгновенный отклик ионосферы как на включение, так и на выключение волны накачки. В данном случае столь быстрые отклики иносферы на волну накачки могут свидетельствовать о наличии быстроживущих сверхмелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностей.
Сопоставление времени появления этих вариаций с траекторией пролёта спутника показало, что каждый раз, когда вариации имели место, подыоносферная точка пролёта спутника, взятая на высоте 250 км, находилась к юго-западу от центра диаграммы направленности стенда, вблизи области магнитного зенита. Это соответствует имеющимся представлениям о том, что при гирогармоническом нагреве наиболее ярко эффекты проявляются именно в области магнитного зенита [3].
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 14-12-00556.
1.Gurevich A.V., Zybin K.P., Phys. Lett. A 358 159 (2006)
2.Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск, ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006, 480 с.
3.Фролов В.Л. [и др.]. Гирогармонические свойства генерации искусственных ионосферных неоднородностей. Известия высших учебных заведений. Радиофизика. Т.55 №06, с. 393-420