Исследование радио- и оптическими методами структуры и динамики области ионосферы, возмущенной мощным КВ радиоизлучением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Шиндин Алексей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИО- И ОПТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ СТРУКТУРЫ И ДИНАМИКИ ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ, ВОЗМУЩЕННОЙ МОЩНЫМ КВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЕМ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

005554558

6 НОЯ 2014

Нижний Новгород - 2014

) г-

005554558

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор С.М. Грач

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

С.А. Метелев, кандидат физико-математических наук М.В. Стародубцев

Ведущая организация: Институт земного магнетизма, ионосферы и

распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова (г. Троицк).

Защита состоится «24» декабря 2014 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.166.07 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп. 1 , ауд. 420.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного Университета им. Н.И. Лобачевского и на его официальном сайте (http://www.diss.unn.ru). Автореферат разослан « 31» сжт ¿др, 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., доцент

Черепенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Воздействие на верхние слои ионосферы мощным KB радиоизлучением может приводить к целому ряду эффектов, например: генерации различных плазменных мод, образованию неоднородностей плотности плазмы с масштабами от десятков сантиметров до десятков километров, генерации искусственного оптического и радиоизлучения, дополнительной ионизации и т.д. Изучение подобных эффектов происходит на нагревных стендах в ходе активных экспериментов. В настоящее время в мире существует несколько радиокомплексов, оснащенных оборудованием для создания и диагностики возмущений в ионосфере. Среди них: нагревный стенд «Сура» (ФГНБУ НИРФИ, р/п Васильсурск, Нижегородская область, Россия), EISCAT (European Incoherent Scatter Scientific Association, Тромсё, Норвегия), HAARP (High Frequency Active Auroral Research Program, Gakona, Alaska, на стадии консервации), стенд в районе г. Аресибо (Пуэрто-Рико, США, на стадии реконструкции).

Актуальность проблемы

Изучение природы эффектов воздействия KB радиоизлучения на ионосферу является фундаментальной задачей физики плазмы, позволяющей исследовать закономерности возбуждения турбулентности магнитоактивной плазмы мощным высокочастотным электромагнитным полем, а также моделировать различные естественные процессы. Исследования проводятся с целью детального изучения поведения волн и частиц в околоземной плазме, моделирования естественных процессов в ионосфере и магнитосфере при различных внешних воздействиях, например, под влиянием мощных солнечных вспышек и корональных выбросов массы и т.д. Задача диагностики ионосферных возмущений естественного и антропогенного характера выходит на первый план в вопросах дальнейшего развития систем наземной и спутниковой связи, а также космической безопасности. В этих вопросах также является актуальной задача разработки методов создания в ионосфере контролируемых возмущений с заданными параметрами, изучения возможностей управления космической погодой и дальним

распространением радиоволн.

Исследования явлений, происходящих в ионосфере и магнитосфере при воздействии на околоземное космическое пространство мощных KB

радиоволн, неизменно вызывают значительный интерес ученых ряда стран, в том числе России, США, Швеции, Великобритании, Норвегии, Украины, Японии, Бразилии, Франции, Канады, Финляндии, Китая. В Российской Федерации подобными исследованиями занимаются в ФГБНУ НИРФИ, ННГУ, ФИ РАН им. П.Н. Лебедева, ИЗМИРАН, ИДГ РАН, Казанском (Приволжском) Федеральном университете, Южном федеральном университете, Институте Арктики и Антарктики (ААНИИ), ПГИ КНЦ РАН, НПО «Тайфун» и др. Следует отметить, что работы проходят в тесной кооперации как внутри Российской Федерации, так и с зарубежными партнерами.

Проблема воздействия на ионосферу мощным радиоизлучением, обсуждается на специальных секциях на ассамблеях URSI, COSPAR, Всероссийских конференциях по распространению радиоволн, специальных конференциях и симпозиумах.

Состояние вопроса

Систематические исследования процессов взаимодействия мощного КВ радиоизлучения с околоземным космическим пространством (ионосферой и магнитосферой Земли) начались с 70-х гг. XX века. Рабочие частоты существующих нагревных стендов варьируются в пределах от 2.8 до 10 МГц, максимальная эффективная мощность излучения действующих стендов составляет от 160 до 3200 МВт. На момент 2014 г., после полного введения в строй в 2007 г., наиболее мощным нагревным стендом являлся стенд HAARP (в настоящее время проект законсервирован). Его эффективная мощность достигала 3200 МВт. Несомненным преимуществом стенда HAARP являлась возможность работы вблизи второй гармоники электронной циклотронной частоты (2/се -2,8 МГц), где многие эффекты должны заметно усиливаться, и возможность быстрого электронного сканирования диаграммы направленности (ДН). Стенд HAARP был оснащен наиболее современными средствами диагностики. На стенде EISCAT наименьшая частота воздействия на ионосферу близка к третьей электронной гирогармонике (3/се ~ 4,04 МГц), тогда как минимальная рабочая частота стенда «Сура» (4,3 МГц) заметно превышает 3/се. Стенд «Сура», единственная в настоящее время установка в России для создания искусственных ионосферных возмущений, уступает по свой мощности и оснащенности комплексам EISCAT и HAARP. В то же время, географическое положение стенда - в средних широтах - позволяет проводить исследования в более стабильных ионосферных условиях, чем в

приполярных районах. Поскольку физическая природа механизмов возбуждения искусственных ионосферных возмущений сходна в средних и высоких широтах, этот факт позволяет рассматривать эксперименты на стенде «Сура», как «эталонные» для отработки методик выделения эффектов техногенного происхождения на фоне естественных ионосферных возмущений в авроральной зоне и полярной шапке. Диагностика возмущенной области ионосферы осуществляется с помощью ее зондирования и просвечивания радиоволнами KB, УКВ и СВЧ диапазонов (пробные волны, ракурсное рассеяние, радары некогерентного рассеяния), а также при измерениях излучения из возмущенной области в оптическом и радио диапазонах. Ряд исследований был проведен при запусках геофизических ракет через возмущенную область. В экспериментах изучаются структура пространственного и частотного спектра плазменных волн; спектры и динамика низкочастотных возмущений; дополнительная ионизация и оптическое свечение, вызываемые ускоренными электронами; искажения (модификация) профиля электронной концентрации; искусственное радиоизлучение ионосферы (ИРИ) в KB и СВЧ диапазонах; влияние развития параметрических неустойчивостей на крупномасштабное расслоение ионосферной плазмы, проникновение возмущений, вызванных искусственной турбулентности плазмы, во внешнюю ионосферу и магнитосферу и др. При этом существенное внимание уделяется комплексному применению различных средств диагностики, например оптического свечения и радаров некогерентного рассеяния. В последние годы наиболее активные экспериментальные исследования ведутся в области изучения характеристик оптического свечения, измерений характеристик ИРИ с высоким временным разрешением, изучения характеристик крупномасштабного расслоения возмущенной области ионосферы при просвечивании сигналами ИСЗ, в частности, ГЛОНАСС/GPS сигналами, in situ исследования свойств ионосферной плазмы при пролетах ИСЗ над нагревными стендами. Среди недавних заметных экспериментальных достижений в области исследований воздействия мощного KB радиоизлучения на ионосферу следует отметить обнаружение существенного увеличения оптического свечения, а также электронной температуры при воздействии на ионосферу в направлении вдоль геомагнитного поля (эффект «магнитного зенита», МЗ, стенды EISCAT, HAARP и «Сура»), обнаружение структур с повышенной интенсивностью оптического свечения, вытянутых вдоль геомагнитного поля (стенды «Сура» и HAARP) в красной, зеленой, фиолетовой и инфракрасной линиях, обнаружение осцилляций фазы GPS

сигналов в такт с включением и выключением нагревного передатчика, появление резко ограниченных «дисков» оптического свечения, окруженных кольцами, отстоящими на 15-20° от центра пучка мощных радиоволн, появление новых следов на ионограммах, связанных с заметной дополнительной ионизацией ионосферной плазмы, при максимальных мощностях воздействия. Многие из перечисленных выше явлений, происходящих в возмущенной мощным КВ радиоизлучением области ионосферы, существенно зависят от соотношения частоты накачки /0 и кратного гирорезонанса и/се. Новые интересные данные о динамических свойствах различных спектральных компонент ИРИ при /0~«/сс и, соответственно, о нелинейных процессах, приводящих к возбуждению турбулентности и генерации ИРИ в условиях кратного гирорезонанса, получены в серии экспериментов по измерениям ИРИ с высоким временным разрешением при специальных схемах воздействия на ионосферу, выполненных на стенде «Сура». Все эти явления требуют дальнейшего систематического изучения.

Цель работы

Целью диссертационной работы являются экспериментальные исследования структуры и динамики области ионосферы, возмущенной мощным КВ радиоизлучением на различных нагревных стендах радио- и оптическими методами; совершенствование существующих и разработка новых методик диагностики ионосферной плазмы, получение новых сведений о явлениях в ионосфере, модифицированной мощным радиоизлучением.

Обоснование структуры работы

Структура работы определяется накопленными к настоящему моменту экспериментальными результатами по теме работы и используемыми методами диагностики ионосферных возмущений. Это, во-первых, результаты применения фазового метода зондирования резонансных областей возмущенной ионосферы короткими (до 200 мкс) импульсами, излучаемыми стендом «Сура» в экспериментах 2008, 2010 гг. Во-вторых, обнаружение искусственных ионосферных слоев дополнительной ионизации' на нагревном стенде HAARP в 2011 г. с помощью ИРИ, отраженных сигналов пробных волн и плазменной линии. В-третьих, результаты исследований искусственного оптического свечения ионосферы и сигналов 6

спутников навигационных систем, полученные на стенде «Сура» в 20102012 гг.

Научная новизна работы

Результаты, представленные в диссертационной работе, основаны на экспериментальных исследованиях, проведенных на стенде «Сура» в 2008, 2010, 2012 гг. и стенде HAARP в 2011 г. В ходе экспериментов с помощью радио- и оптических методов диагностики получена серия новых результатов, в том числе с использованием оригинальных, специально

разработанных методик. В том числе:

С помощью многочастотного фазового зондирования по данным экспериментов на стенде «Сура» в 2008 и 2010 гг. исследована динамика профиля электронной концентрации ионосферы при ВЧ воздействии на ионосферу, а также реконструировано поле вертикальных и горизонтальных движений. Разработанная методика восстановления профиля электронной концентрации в прирезонансной области магнитоактивной плазмы по данным импульсного зондирования Р2-слоя ионосферы позволяет, в отличие от ранее использовавшихся методик многочастотного доплеровского зондирования, с высоким временным и пространственным разрешением восстанавливать динамику развития возмущений плотности ионосферной плазмы вблизи точки отражения и верхнегибридного резонанса магнитоактивной плазмы. > В экспериментах на стенде HAARP по данным регистрации ИРИ,

отраженных от ионосферы сигналов пробных волн и сигналов радара, рассеянных на плазменных волнах (плазменная линия) обнаружены спускающиеся слои дополнительной искусственной ионизации. Слои дополнительной ионизации были обнаружены в экспериментах на стенде HAARP в 2009 г. при воздействии на частотах вблизи 2/се. Представленная в диссертационной работе методика, успешно апробированная в экспериментах 2011 г. на стенде HAARP, позволяет оперативно и наглядно отслеживать спуск слоя дополнительной ионизации и оценивать его скорость и величину. В ходе этих экспериментов был обнаружены образование и спуск слоя дополнительной ионизации при воздействии на ионосферу радиоизлучением на стенде HAARP на частотах вблизи 4/се. 3. На основе данных нагревных экспериментов, проведенных на стенде

«Сура» исследована структура и положение пятна искусственного

оптического свечения в красной линии (630 нм) атомарного кислорода при различных режимах воздействия на ионосферу, а также проанализирована зависимость свечения в красной и зеленой (557,7 нм) линиях атомарного кислорода от отстройки частоты волны накачки от 4/се.

4. Разработана методика и проведены первые эксперименты по совместной регистрации искусственного оптического свечения ионосферы и сигналов навигационных спутников. Цель таких экспериментов - сопоставить расположение области генерации искусственного оптического свечения с возмущениями электронной плотности, определяемыми по данным анализа сигналов навигационных спутников.

Практическая ценность работы

Анализ экспериментальных данных и их сопоставление с существующими теоретическими моделями - наиболее эффективный способ получения новых сведений о структуре возмущенной области ионосферы. Все полученные результаты в совокупности дают толчок к дальнейшему пониманию процессов, происходящих в верхних слоях ионосферы при воздействии на нее мощным КВ радиоизлучением, и могут послужить основой для решения задачи создания в ионосфере среды распространения радиоволн с заданными параметрами. Развитие используемых методов анализа данных расширяет возможности диагностики ионосферных возмущений естественной и антропогенной природы.

На публичную защиту выносятся следующие положения:

1. При воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением на стенде «Сура» наиболее интенсивные возмущения электронной плотности (до -1,5% от фоновых значений) сосредоточены в области плазменных резонансов волны накачки, начинаются вблизи точки отражения мощной радиоволны, и затем, с задержкой 2-3 с, в области верхнегибридного резонанса волны накачки.

2. На стенде HAARP при воздействии на частотах вблизи 4-й гармоники электронной циклотронной частоты/се в направлении магнитного зенита обнаружено и исследовано образование слоя искусственной ионизации, опускающегося на 5-30 км от уровня отражения волны накачки (h0 ~ 210 км) до высот локального двойного резонанса hD, где имеет место

совпадение частоты волны накачки /0 с верхнегибридной и кратной электронной циклотронной частотами.

3. С помощью регистрации оптического свечения на стенде «Сура» обнаружено, что при воздействии мощным КВ радиоизлучением и наклоне диаграммы направленности на юг пятно искусственного оптического свечения в большинстве случаев наблюдается в области магнитного зенита (МЗ, 18,5° на юг от вертикали), в то время как при вертикальном воздействии и увеличении высоты отражения волны накачки пятно свечения, напротив, смещается на север. При вертикальном излучении волны накачки развитие области искусственного свечения происходит в виде полос (страт), вытянутых вдоль проекций силовых линий геомагнитного поля на небосвод, при условии, что максимальный уровень яркости свечения не превышает 15 Рл.

4. В экспериментах на стенде «Сура» установлено, что при сближении частоты воздействия и критической частоты слоя ¥2 ионосферы менее чем на 0,5 МГц эффект появления искусственного оптического свечения сменяется эффектом подавления фонового свечения. Эти два эффекта могут наблюдаться одновременно, так как наблюдаемая область подавления свечения в несколько раз шире области его усиления.

5. Получены новые данные о зависимости интенсивности искусственного оптического свечения в красной (630 нм) и зеленой (557,7 нм) линиях атомарного кислорода от частоты воздействия /0 в области четвертой электронной гирогармоники 4/се. В красной линии явной зависимости свечения от расстройки частот 3/ = /0 - 4/се не обнаружено. В зеленой линии (557,7 нм) при вертикальном воздействии искусственное свечение регистрировалось в области частот ВН «под гармоникой» (д/ -54-15 кГц) и «в области сильного искусственного радиоизлучения» (<5/~ 220-^280 кГц), а при воздействии в магнитный зенит - только «над

гармоникой» (б/~ 15 кГц).

6. Разработана методика и проведены первые эксперименты по совместной регистрации искусственного оптического свечения и сигналов навигационных спутников. В ряде экспериментов наблюдалась пространственная корреляция области генерации искусственного оптического свечения и области пониженной электронной концентрации.

Апробация работы

Представленные результаты диссертационного исследования неоднократно докладывались на российских и международных конференциях и симпозиумах. В том числе лично были сделаны доклады на:

1. XIV и XV научных конференциях по радиофизике (Нижний Новгород) в 2010 и 2011 гг.

2. ^ XXIII Всероссийской конференции «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола) в 2011 г.

3. XXX Генеральной ассамблее 1Ж81 (Стамбул, Турция) в 2011 г.

4. 39 и 40 Научных ассамблеях СОБРАИ в 2012 г. (Майсур, Индия) и 2014 г. (Москва, Россия).

5. XIII Конференции молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом» (Иркутск) в 2013 г.

6. 8-я и 9-я конференции «Физика плазмы в Солнечной системе» в 2013 и 2014 гг. (ИКИ РАН, Москва).

Проведенные исследования были поддержаны стипендией Президента Российской Федерации для аспирантов в 2013-2014 гг., стипендией им. ак. Г.А. Разуваева для аспирантов в 2012-2014 гг., грантом для целевых аспирантов ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» в 2012-2013 гг. (соглашение № 14.132.21.1434), грантом РФФИ «Мой первый грант» № 14-02-31459-мол а.

Результаты исследований также использовались при выполнении работ по грантам РФФИ (09-02-01150, 11-02-00125, 11-02-00419, 12-02-00513 1302-12074, 13-02-97072).

Публикации

Результаты настоящей диссертационной работы изложены в 24 публикациях, из них 7 статей в рецензируемых журналах [1-7], 10 статей в сборниках трудов конференций [8-17] и 7 тезисов докладов [18-24].

Личный вклад автора

Автор подключился к исследованиям эффектов воздействия мощных КВ радиоволн на ионосферную плазму на стенде «Сура» с лета 2009 г. Он принял непосредственное участие в экспериментальных кампаниях на стенде в августе 2009 г., марте и сентябре 2010 г., в августе-сентябре 2011 г., в сентябре 2012 г. и в марте, мае, сентябре и ноябре 2013 г, августе 2014 г.' В марте-апреле 2011 г. и мае-июне 2014 г. автор принимал участие в

экспериментах на стенде HAARP и в настоящее время участвует в анализе данных этих экспериментов. Автор принимал участие в экспериментах по следующим направлениям: а) зондирование ионосферы короткими (до 200 мкс) сигналами (регистрация сигналов, анализ полученных данных), б) регистрация и анализ ИРИ, в) анализ данных измерений искусственного оптического свечения ионосферы под действием мощных радиоволн, г) анализ данных просвечивания ионосферы GPS-сигналами искусственных спутников Земли.

За время работы автор освоил практику работы по регистрации искусственного коротковолнового радиоизлучения из возмущенной области ионосферы с помощью специализированного приемника прямого усиления, предназначенного для параллельного анализа сигналов в широкой полосе частот с большим динамическим диапазоном, изучил программное обеспечение первичной обработки сигналов, регистрируемых с помощью этого приемника. Для анализа полученных данных по импульсному зондированию ионосферы автором было разработано программное обеспечение для восстановления динамики профиля электронной концентрации в ионосфере по данным измерений фазы зондирующих сигналов, которое позволяет исследовать пространственно-временные вариации профиля с существенно большей, по сравнению с ранее применявшимися методиками, точностью. По данным эксперимента сентября 2010 г. с применением разнесенного приема зондирующих сигналов автором проанализированы вариации трехмерного поля скоростей перемещения плазмы в возмущенной области ионосферы. Автор разработал методику и программное обеспечение для анализа данных измерений оптического свечения ночного неба, полученных с помощью фотометров и ПЗС-камер, а также программное обеспечение для сопоставления данных просвечивания возмущенной области сигналами навигационных спутников GPS и ГЛОНАСС с данными оптических измерений. Это позволило установить важные закономерности поведения оптического свечения ионосферы под действием мощных радиоволн и сделать существенный задел для дальнейших экспериментов, проведенных, в частности, в марте 2013 г.

Все представленные в главах 1-3 результаты исследований получены при непосредственном участии автора. Автором проведена обработка всех представленных в работе экспериментальных данных по методикам, разработанным им лично.

И

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 152 страницу, включая 70 рисунков. Библиография включает 142 наименований, в том числе работы автора.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, описано состояние вопроса, которому посвящено настоящее исследование, сформулированы цель и научная новизна работы, определена ее практическая ценность, представлены положения, выносимые на публичную защиту, кратко изложено содержание диссертации.

В главе 1 представлены результаты применения коротких (до 200 мкс) импульсов для зондирования возмущенной области ионосферы. В разделе 1.1 приведены основные сведения о процессах, протекающих при воздействии мощным КВ радиоизлучением на верхние слои ионосферы. Дано понятие многочастотного доплеровского зондирования (МДЗ). Кратко изложены результаты ранее проведенных МДЗ-экспериментов. Описана методика зондирования ионосферы мощными короткими импульсами, когда излучение передатчиков стенда «Сура» используется и для накачки и для зондирования ионосферы, приведены основные преимущества применения данной методики по сравнению с МДЗ-методиками, применявшимися ранее. Раздел 1.2 посвящен описанию экспериментов, проведенных в сентябре 2008 г. и сентябре 2010 г. Приведены схема излучения стенда «Сура», используемая в экспериментах, пример осциллограммы принятого во время квазинепрерывного воздействия сигнала, а также спектр сигнала первого отражения зондирующего импульса. Описана схема разнесенного приема сигнала на 3 антенны, используемая в эксперименте 2010 г для исследования перемещения ионосферных неоднородностей. В разделе 1.3 описана методика восстановления профиля электронной концентрации в ионосфере по измерениям фазы импульсных сигналов. Отдельно рассмотрены случаи изотропной и магнитоактивной плазмы. Для случая магнитоактивной плазмы рассмотрены регуляризирующие алгоритмы, разработанные А.Н.Тихоновым, а также принцип обобщённой невязки, позволяющий согласовать точность полученного решения (вариаций высоты отражения отдельных спектральных компонент зондирующего сигнала) с точностью определения фазы отраженного сигнала. Описана процедура восстановления 12

профиля электронной концентрации с помощью полученных вариаций высоты отражения и «базового» профиля, полученного по данным вертикального зондирования ионосферы. В разделе 1.4 представлены результаты восстановления профиля электронной концентрации по данным экспериментов 2008 и 2010 гг. На рисунках приведены исходные данные -вариации фазы отдельных спектральных компонент зондирующего импульса, полученные методом регуляризации вариации высот отражения, относительные вариации электронной концентрации, а также проиллюстрирована динамика изменений профилей концентрации в ходе экспериментов. Отмечено, что во время воздействия наиболее интенсивные возмущения плотности плазмы сосредоточены в области плазменных резонансов, имеют отрицательные значения и достигают -1,5% от фоновых значений, а характерные пространственные масштабы возмущений составляют 200-500 м. В разделе 1.5 приведены результаты вычислений вертикальных и горизонтальных скоростей в возмущенной области ионосферы. Вертикальные скорости, соответствующие скорости изменения высоты отражения спектральных компонент зондирующего сигнала, получены на основе данных раздела 1.4. Горизонтальные скорости, соответствующие скорости движения дифракционной картины в эксперименте 2010 г., получены с помощью корреляционного метода анализа данных разнесенного приема сигнала на 3 антенны. Результаты приведены в виде полноцветных изображений. Обнаружено, что уже в течение первой секунды воздействия наблюдаются возмущения вертикальных скоростей до ±40 м/с для спектральных компонент диагностических импульсов с частотами вблизи /0 (т.е. пробных волн, которые отражаются вблизи точки отражения ВН). В течение следующих 2-3 секунд область таких возмущений увеличивается, а далее возникают возмущения в области верхнего гибридного (ВГ) резонанса волны накачки (т.е. пробных волн с частотами / ~(/о2-/сс2)"2)- Также отмечено, что величина горизонтальной скорости уменьшается с увеличением высоты отражения спектральных компонент зондирующего сигнала. При включении и выключении воздействия величина горизонтального дрейфа дифракционной картины меняется слабо, в отличие от направления дрейфа. В разделе 1.6 приведены выводы по главе 1.

В главе 2 представлены результаты исследования искусственных слоев ионизации при воздействии на ионосферу КВ радиоизлучением стенда HAARP с помощью регистрации ИРИ, сигналов пробных волн и сигналов радара, рассеянных на плазменных волнах (плазменная линия, ПЛ). Воздействие мощной радиоволной осуществлялось на частотах вблизи 4-й

гармоники электронной циклотронной частоты. Раздел 2.1 представляет собой краткое введение, в котором, в частности, приведены параметры стенда HAARP и описаны результаты экспериментов 2009 г. вблизи 2-й гармоники электронной циклотронной частоты, где слои дополнительной ионизации были обнаружены впервые. Раздел 2.2 посвящен описанию постановки экспериментов, проведенных 28 марта 2011 г. Подробно изложены схема управления лучом диаграммы направленности, временная схема излучения волны накачки, расположение приемных пунктов, перечень используемого диагностического оборудования. Также приведена схема распространения волн в наблюдательных пунктах в случаях вертикального воздействия и воздействия в направлении геомагнитного поля (магнитный зенит, МЗ). Изложены основные особенности ИРИ, зависящие от отстройки частоты воздействия от электронной гирогармоники. В разделе 2.3 приведены спектрограммы ИРИ, зарегистрированного в ходе воздействия, временной ход действующих высот отражения диагностических импульсов. Установлено, что при МЗ-воздействии спектральная компонента ИРИ Broad Upshifted Maximum (BUM) разделяется на две составляющие, обозначенные как BUM, (стационарная компонента) и BUMD (динамическая компонента). Компонента BUMS не смещается по частоте так же, как и компонента BUM при вертикальном воздействии. Новая компонента BUMD со временем смещается к /0 (что соответствует снижению высоты ее генерации) до тех пор, пока ее частотная отстройка не достигнет -15 кГц, после чего эта компонента исчезает. Скорость частотного дрейфа компоненты BUMD составляет rf~ 1.2 - 1.4 кГц/с при всех использованных частот волны накачки /о >4/се. Вместе с тем, по измерениям действующей высоты отражения диагностических импульсов hw видно, что во время МЗ-воздействия К уменьшается по отношению к основному отражающему слою, т.е. наблюдается т.н. спускающийся слой отражения. Раздел 2.4 посвящен обсуждению результатов. Пояснено, как частотное смещение компоненты BUMD во время МЗ-воздействия можно связать с уменьшением высоты ее генерации. Таким образом, определена скорость снижения высоты генерации Vbum ~ 500 м/с. Показано, что высота исчезновения компоненты BUM D соответствует высоте двойного резонанса, когда ВГ резонанс совпадает с кратным циклоторнным. Отмечено, что снижение области генерации BUMC согласуется со снижением высоты отражения диагностических импульсов, а суммарное снижение действующей высоты спускающегося слоя может достигать 145 км в зависимости от частоты воздействия. Сделан вывод о том, что во время квазинепрерывного МЗ воздействия при /0 > 4/се наблюдаются

два отдельных слоя отражения радиоволн: фоновый и вновь образованный спускающийся. Далее полученные результаты сопоставлены с результатами наблюдений ПЛ с помощью радара MUIR, относительные мощности сигналов которой во время эксперимента приведены на рисунке. По этим данным также наблюдается уменьшение высоты области генерации сигнала со скоростью близкой к скорости снижения области генерации BUMD. Небольшая разница может быть обусловлена тем, что области генерации плазменной линии и компоненты BUM не совпадают. Плазменная линия генерируется на высоте совпадающей или слегка меньшей высоты отражения О-волны, в то время как компонента ПРИ генерируется либо вблизи ВГ резонанса при малых отстройках /0 - 4/се либо заметно ниже ВГ резонанса при больших отстройках. Здесь же приведены результаты второй части эксперимента 28 марта 2011 г., когда частота волны накачки /0 менялась со скоростью 5 кГц/сек. Представлена спектрограмма ПРИ одного из сеансов воздействия. Из спектрограммы видно, что при /0 > 4/« наряду с "традиционной" компонентой BUMX, максимальная интенсивность которой отмечена сплошной линией, генерируется BUMD, что соответствует появлению слоя дополнительной ионизации. Определены высоты сдвига слоя Ah ~ 8-10 км для различных частот воздействия. В данной постановке эксперимента дополнительный слой не успевает достичь высот двойного резонанса. В разделе 2.6 приведены выводы по главе 1. Кроме прочего отмечено, что зарегистрированная в случае /0 > 4/„ скорость спуска дополнительного слоя превышает скорость спуска слоя в случае/0 ~ 2/се в 2-КЗ раза.

В главе 3 представлены результаты исследований характеристик оптического свечения ионосферы при КВ воздействии на верхние слои ионосферы в ходе экспериментов, проведенных на стенде «Сура» в 2010 и 2012 гг. Глава разделена на три больших раздела.

Раздел 3.1 представляет собой обзор результатов исследований искусственного свечения под действием мощных радиоволн, проведённых на стенде «Сура» в 2010 году. В разделе 3.1.1 приведены основные понятия, а также история вопроса. В разделе 3.1.2 описана типичная постановка эксперимента, описание используемой диагностической радио- и оптической аппаратуры, приведены примеры данных, зарегистрированных с помощью фотометров, и изображений, зарегистрированных с помощью ПЗС-камер, описана используемая методика обработки данных и изображений. Обсуждены причины выбора того или иного режима воздействия с точки зрения процессов, протекающих в возмущенной области ионосферы, связь

между крупномасштабными неоднородностями электронной концентрации и структурой пятна свечения. В разделе 3.1.3 приведены результаты измерений искусственного оптического свечения в красной линии атомарного кислорода отдельно для случаев вертикального и наклонного излучения волны накачки. Оценены типичные времена развития (-100 с) и релаксации (-30 с) оптического свечения. Отмечено, что характерное время развития свечения близко к радиационному времени жизни тг(0('О)) возбуждённого уровня атомарного кислорода. Рассмотрены различные сценарии развития искусственного свечения в зависимости от высоты отражения и частоты волны накачки, размера и интенсивности пятна свечения. В том числе, представлены случаи смещения максимума пятна свечения в течение одного сеанса воздействия или от одного сеанса к другому, а также случаи появления т.н. страт (вытянутых вдоль геомагнитного поля полос) в структуре пятна свечения. Отмечено, что при высотах отражения ВН порядка 250 км область искусственного свечения расположена вблизи центра прямолинейной проекции ДН на небосвод. При увеличении высоты отражения пятно свечения смещается к северу, смещение может достигать 6° - 8. Отдельно исследованы случаи воздействия, когда центральный луч диаграммы направленности стенда наклонен в плоскости магнитного меридиана под углами 12° и 16° к югу от вертикали. Отмечено, что в ходе экспериментов по наклонному воздействию зарегистрировано 3 типа искусственного оптического свечения: 1) большое по площади пятно слабой интенсивности с центром вблизи направления центрального луча ДН; 2) компактное яркое пятно с центром в направлении МЗ (наиболее распространенный случай); 3) несколько пятен средней интенсивности, наиболее яркое из которых также расположено вблизи направления МЗ.' Кроме того, когда критическая частота ионосферы /0Р2 уменьшалась до значений, превышающих рабочую частоту стенда «Сура», не более чем на 0,5 МГц наблюдалось подавление естественного фона оптического свечения. Установлено, что в ряде сеансов воздействия наряду с генерацией свечения, на периферии возмущённой области наблюдалось подавление оптического фона. В разделе 3.1.4 приведены результаты регистрации искусственного оптического свечения в зеленой линии атомарного кислорода. Отмечено, что в экспериментах 2010 г. в ряде сеансов воздействия свечение в зеленой линии было зарегистрировано по данным фотометра в ряде сеансов как длительного, так и импульсного воздействия. Приведены яркостные характеристики этого свечения (максимальные значения интенсивности достигали -5% от фоновых значений, т.е. ~ 10 Рл). Описана процедура

выделения искусственного оптического свечения в зеленой линии во время импульсного воздействия. Раздел 3.1.5 посвящен обсуждению полученных результатов. Отмечено, что смещение пятна свечения относительно направления луча ДН может быть связано с изменением высоты генерации ускоренных электронов. Также пояснено, как стратификация пятен может быть обусловлена самофокусировочной неустойчивостью ВЫ, в результате которой в области существования плазменных волн образуются неоднородности концентрации плазмы с поперечными размерами 0,5 ч 5 км, причём ВН должна фокусироваться в областях пониженной концентрации плазмы. Проявление эффекта магнитного зенита объясняется усилением модификации ионосферы при запирании пучка мощных радиоволн, направленного вдоль магнитных силовых линий, в вытянутой вдоль магнитного поля каверне (полости) электронной концентрации вследствие самофокусировочной неустойчивости. Приведенные в разделе результаты траекторных расчетов показывают, что в плоскослоистой ионосфере не наблюдается каких-либо особенностей траекторий лучей, которые могли бы отклонить поток энергии ВН в сторону магнитного зенита. Обнаруженный эффект смены знака воздействия ВН на оптическое свечение ионосферы может быть объяснен при корректном учёте, наряду с ускорением электронов, нагрева плазмы мощной волной и температурной зависимости коэффициента диссоциативной рекомбинации аэф. В результате этого процесса также образуются атомы кислорода в возбуждённом состоянии. При снижении эффективности ускорения электронов уменьшение яркости во время воздействия мощной радиоволной объясняется уменьшением коэффициента аэф с ростом температуры электронов (аэф(Ге) ~ Те ), a последующее небольшое увеличение яркости обусловлено накоплением ионов молекулярного кислорода 02+ за время действия нагревной радиоволны.

Раздел 3.2 посвящен результатам поиска пространственной корреляции крупномасштабных неоднородностей плотности (по данным анализа GPS-сигналов) и искусственного оптического свечения в линии 630 нм в экспериментах, проведенных на стенде «Сура» в 2010 г. В разделе 3.2.1 показано, каким образом регистрация искусственного оптического свечения и сигналов навигационных спутников, пролетающих над возмущенной областью, может применяться для исследования крупномасштабных неоднородностей ионосферы. В разделе 3.2.2 приведены краткие физические основы получения данных о полном электронном содержании из анализа характеристик GPS сигналов, а также описаны основные сложности

постановки эксперимента. В разделе 3.2.3 описана специально разработанная методика сопоставления данных совместных измерений искусственного свечения и ПЭС. В разделе 3.2.4 приведены результаты экспериментов 15 и 17 марта 2010 г. Отмечено, что в эксперименте 15 марта при вертикальном нагреве, когда спутник пролетал непосредственно над стендом «Сура», критические частоты опустились ниже рабочей частоты стенда «Сура» раньше, чем спутник вылетел из поля зрения камеры. В этом случае однозначных выводов о корреляции ПЭС и яркости искусственного оптического свечения сделать нельзя. Можно утверждать, что минимум ПЭС имеет место вблизи максимума яркости свечения, зарегистрированного в течение 12 минут до влета спутника в поле зрения камеры. В эксперименте 17 марта при наклоне диаграммы направленности антенной системы нагревного стенда на 12° на юг имеет место совпадение максимальной интенсивности искусственного оптического свечения с минимумом ПЭС, измеренного с помощью сигналов ОРБ. В разделе 3.2.5 приведены выводы к разделу 3.2. В частности отмечено, что для однозначных выводов о корреляции ПЭС и интенсивности искусственного оптического свечения необходимо проведение дополнительных экспериментов и обработка результатов по разработанной методике.

В разделе 3.3 представлены результаты исследования искусственного

оптического свечения на длинах волн 630 и 557,7 нм при КВ воздействии на

ионосферу излучением стенда «Сура» в области 4-й гармоники электронного

гирорезонанса. В разделе 3.3.1 изложены основные понятия. В частности,

перечислены эффекты, связанные с воздействием мощных радиоволн на

ионосферу, чувствительные к соотношению между частотой ВН и

гирогармоникой. Отдельно выделена зависимость от гирогармоники ИРИ,

позволяющая достаточно точно оценивать отстройку (/0 - п/сс). В разделе

3.3.2 описана методика экспериментов, проведенных 11, 13 и 14 сентября

2012 г. на стенде «Сура». Значение 4/сс в ходе экспериментов определялось

одним из нескольких способов: 1) наиболее точно (погрешность 5-10 кГц )

по формуле (2.1) в области значений 4/се < /0 < 4/се + 100 кГц («над

гирогармоникой»), когда в спектрах ИРИ присутствуют достаточно

интенсивные компоненты ВЦМ и БМ; несколько менее точно (погрешность

10 - 15 кГц) в резонансной области при /о ~ 4/се, где компонента ОМ имеет

наименьшую интенсивность; в области 4/се - 50 кГц< /0 < 4/се (под

гирогармоникой, погрешность может достигать 15-20 кГц), где вновь

увеличивается интенсивность компоненты БМ и ее сателлитов 2БМ, ЗБМ и

т.д.; наименее точно при 4/се + 150 кГц </0 < 4/се +250 кГц в области сильного 18

излучения - по данным вертикального зондирования ионосферы (погрешность 20 - 30 кГц) и модели International Geomagnetic Reference Field. Также в разделе приведен список использованной оптической и другой диагностической аппаратуры. На рисунках приведены примеры зарегистрированных с помощью ПЗС-камер изображений искусственного оптического свечения, а также данные, полученные с помощью фотометров. В разделе 3.3.3 приведены результаты экспериментов. Отмечено, что по данным фотометра сигнал в красной линии уверенно наблюдался с характерными временами развития ~ 90 с и релаксации ~ 20 с, соответствующими полученным в предыдущих экспериментах на стенде «Сура». Сигнал в зеленой линии 557,7 нм с трудом различим на фоне сильно нерегулярного поведения свечения. Однако с помощью метода наложения эпох искусственное свечение удается выделить. В представленных экспериментах свечение в зеленой линии было зарегистрировано в течение нескольких последовательных сеансов непрерывного воздействия. Во время импульсного воздействия искусственное оптическое свечение зарегистрировано не было. В разделе приведены рисунки, иллюстрирующие зависимость максимальной интенсивности искусственного свечения от отстройки/о - 4/се отдельно для красной и зеленой линии. При/0 > 4/се, Sf=f0 - 4/се ~ 15-20 кГц яркость свечения в красной линии при воздействии в направлении магнитного зенита несколько (~ в 1.5 раза) превышает яркость при вертикальном воздействии. В зеленой линии при таких значениях Sf сигнал уверенно регистрировался только при воздействии в направлении магнитного зенита. При вертикальном воздействии какой либо регулярной зависимости яркости свечения от Sf в диапазоне -15 < Sf< 280 кГц отмечено не было, максимальная яркость наблюдалась в одном из сеансов при Sf~- -15-20 кГц. В зеленой линии свечение наблюдалось только в непосредственной близости от гармоники при -15 < Sf< +5 кГц и в области сильного излучения 230 < Sf < 280 кГц, причем во втором диапазоне Sf искусственное свечение в зеленой линии было наиболее сильным. При вертикальном (14.09) и наклонном (11.09, на 12° к югу в плоскости геомагнитного меридиана) воздействии обнаружена смена генерации искусственного свечения на подавление фонового свечения в красной линии при уменьшении критической частоты F2- слоя. По данным, полученным с помощью камеры, оснащенной сверхширокоугольным объективом, в эксперименте 11 сентября вдали от зарегистрированных пятен (в направлении до 18° (МЗ) от центра пятна свечения) имели место области подавления свечения. Интенсивность искусственного свечения в центре

пятна составляет ~ 5% над фоном, относительная величина подавления свечения на расстоянии -9° и 18° от центра пятна в направлении к вертикали составляла 1,6 и 1,4% соответственно. В экспериментах 13 и 14 сентября при вертикальном воздействии подобных эффектов не наблюдалось. Раздел 3.3.4 посвящен обсуждению результатов. Приведено сопоставление полученных результатов с результатами, полученными ранее в экспериментах на стендах Е^САТ и НАДИР.

В заключении приведены основные результаты работы. 1. Разработана методика восстановления профиля электронной концентрации в прирезонансной области магнитоактивной плазмы по данным импульсного зондирования Р2-слоя ионосферы. В отличие от ранее использовавшихся методик многочастотного доплеровского зондирования, данная методика позволяет с высоким временным и пространственным разрешением восстанавливать динамику развития возмущений плотности ионосферной плазмы вблизи точки отражения и верхнегибридного резонанса магнитоактивной плазмы. В проведенных экспериментах установлено, что при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением наиболее интенсивные возмущения электронной плотности (на стенде «Сура» - до -1,5% от фоновых значений) сосредоточены в области плазменных резонансов волны накачки, начинаются вблизи точки отражения мощной радиоволны, и затем, с задержкой 2-3 с, в области верхнегибридного резонанса волны накачки.

2. На стенде НААЯР при воздействии на частотах вблизи 4-й гармоники электронной циклотронной частоты/се в направлении магнитного зенита обнаружено и исследовано образование слоя искусственной ионизации, опускающегося на 5-30 км от уровня отражения волны накачки до высот локального двойного резонанса, где имеет место совпадение частоты волны накачки с верхнегибридной и кратной электронной циклотронной частотами.

3. С помощью регистрации оптического свечения на стенде «Сура» обнаружено, что при наклоне диаграммы направленности на юг пятно искусственного оптического свечения в красной линии (630 нм) в большинстве случаев наблюдается в области магнитного зенита (18,5° на юг от вертикали), в то время как при вертикальном воздействии и увеличении высоты отражения волны накачки пятно свечения, напротив, смещается на север. При вертикальном излучении волны накачки развитие области искусственного свечения происходит в виде полос

(страт), вытянутых вдоль проекций силовых линий геомагнитного поля на небосвод, при условии, что максимальный уровнень яркости свечения

не превышает 15 Рл.

4. В экспериментах на стенде «Сура» установлено, что при сближении частоты воздействия и критической частоты слоя F2 ионосферы менее чем на 0,5 МГц эффект появления искусственного оптического свечения сменяется эффектом подавления фонового свечения ночного неба. Эти два эффекта могут наблюдаться одновременно, так как наблюдаемая область подавления свечения в несколько раз шире области его усиления.

5. Получены новые данные о зависимости интенсивности искусственного оптического свечения в красной (630 нм) и зеленой (557,7 нм) линиях атомарного кислорода от частоты воздействия /0 в области четвертой электронной гирогармоники 4/се. В красной линии явной зависимости свечения от расстройки частот öf = /0 - 4/се не обнаружено. В зеленой линии (557,7 нм) при вертикальном воздействии искусственное свечение регистрировалось в области частот ВН «под гармоникой» (öf ~= -5-15 кГц) и «в области сильного искусственного радиоизлучения» (öf ~ 220-280 кГц), а при воздействии в магнитноый зенит - только «над

гармоникой» (öf~ 15 кГц).

6. Разработана методика и проведены первые эксперименты по совместной регистрации искусственного оптического свечения и GPS сигналов. В ряде экспериментов наблюдалась пространственная корреляция области генерации искусственного оптического свечения и области пониженной электронной концентрации.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Sergeev Е„ Grach S., Shindin A., Mishin Е„ Bernhardt P., Briczinski S„ Isham В., Broughton M„ LaBelle J., Watkins B. Artificial Ionospheric Layers during Pump Frequency Stepping Near the 4th Gyroharmonic at HAARP // Phys. Rev. Lett. 2013. Vol. 110. P. 065002.

2. Shindin A., Sergeev E., Grach S. Applications of Broadband Radio Signals for Diagnostics of Electron Density Profile Dynamics and Plasma Motion in the HF-pumped Ionosphere // Radio Science. 2012. Vol. 47, No. 6. P. RS0N04.

3. Грач C.M., Клименко B.B., Шиндин A.B., Насыров И.А., Сергеев E.H., Яшнов В.А., Погорелко H.A. Оптическое свечение при воздействии на ионосферу радиоизлучением стенда "Сура": результаты экспериментов 2010 года // Известия вузов. Радиофизика. 2012. Т. LV, № 1-2. С. 36-56.

4. Грач С.М., Сергеев E.H., Шиндин A.B., Мишин Е.В., Боткине Б. Искусственные ионосферные слои при частотах волны накачки в области 4-й электронной гирогармоники на стенде HAARP // Доклады Академии наук. 2014. Т. 454, № 5. С. 526-530.

5. Рябов A.B., Грач С.М., Шиндин A.B., Котик Д.С. Исследование характеристик крупномасштабных неоднородностей ионосферы, вызванных воздействием на нее мощного коротковолнового радиоизлучения, с помощью сигналов GPS // Известия вузов. Радиофизика. 2011. Т. 54, № 7. С. 485-496.

6. Шиндин A.B., Грач С.М., Сергеев E.H., Рябов A.B. Пространственная корреляция крупномасштабных неоднородностей плотности (по данным анализа GPS-сигналов) и искусственного оптического свечения в линии 630 нм в ионосфере, возмущенной мощной радиоволной //

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского 2012 №4(1) С. 105-113.

7. Шиндин A.B., Сергеев E.H., Грач С.М. Фазовый метод зондирования возмущенной области ионосферы с помощью широкополосных радиосигналов // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2010. № 6. С. 48-55.

8. Шиндин A.B., Сергеев E.H., Грач С.М. Фазовое зондирование возмущенной области ионосферы с помощью широкополосных радиосигналов // Труды XIV научной конференции по радиофизике. 2010. Нижний Новгород: ННГУ. С. 74-76.

9. Грач С.М., Клименко В.В., Насыров И.А., Гумеров Р.И., Сергеев E.H., Шиндин A.B. Предварительные результаты измерений искусственного оптического свечения ионосферы на длинах волн 630,0 и 557,7 нм на стенде «Сура» в марте 2010 г. // Труды XIV научной конференции по радиофизике. 2010. Нижний Новгород: ННГУ. С. 76-78.

10. Грач С.М., Исхаков A.C., Клименко В.В., Шиндин A.B. Исследования структуры возмущенной области ионосферы над стендом «Сура» с помощью искусственного оптического свечения в линии 630 нм // Труды XV научной конференции по радиофизике. 2011. Нижний Новгород-ННГУ. С. 51-52.

11. Шиндин A.B., Сергеев E.H., Грач С.М. Диагностика возмущений профиля электронной концентрации с помощью измерений фазы широкополосных радиосигналов // Сборник докладов XXIII Всероссийской

конференции «Распространение радиоволн». 2011. Йошкар-Ола-МГТУ Т 2

С. 301-304.

12. Сергеев E.H., Шиндин A.B., Грач С.М., Урядов В.П. Пространственное поле скоростей вертикальных и горизонтальных движений плазмы в возмущенной области ионосферы // Сборник докладов XXIII Всероссийской конференции «Распространение радиоволн». 2011. Йошкар-

Ола: МГТУ. Т. 2. С. 273-276.

13. Грач С.М., Клименко В.В., Сергеев E.H., Шиндин A.B., Шумилов В.Ю., Насыров И.А., Гумеров Р.И., Яшнов В.А., Погорелко H.A. Диагностика возмущенной области ионосферы над стендом «СУРА» с помощью искусственного оптического излучения - по данным экспериментов 2010 г. // Сборник докладов XXIII Всероссийской конференции «Распространение радиоволн». 2011. Йошкар-Ола: МГТУ. Т. 2. С. 214-218.

14. Клименко В.В., Грач С.М., Сергеев E.H., Шиндин A.B., Насыров И.А. Разделение эффектов омического нагрева и ускорения электронов при воздействии на Р2-область мощной радиоволной по данным оптических наблюдений в линии 630 нм на стенде "Сура" // Сборник докладов XXIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн. 2011. Йошкар-

Ола. Т. 2. С. 239-242.

15. Shindin A., Sergeev Е„ Grach S. Applications of Broadband Radio Signals for Diagnostics of Electron Density Profile Dynamics and Spatial Plasma Motion in the HF-Pumped Ionosphere // XXX URSI General Assembly and Scientific Symposium of International Union of Radio Science. Istanbul, Turkey.

2011. Abstract CD. Paper № HG3-3.

16. Насыров И.А., Грач C.M., Гумеров Р.И., Клименко В.В., Шиндин A.B., Насыров A.M. Предварительные результаты измерений стимулированного свечения ионосферы в зеленой линии оптического спектра (557.7 нм) при коротких временах воздействия на ионосферу мощным радиоизлучением стенда «Сура» // Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред. Материалы V Всероссийской научной конференции. 2012. Муром. С. 82-86.

17. Шиндин A.B., Грач С.М., Клименко В.В., Насыров И.А., Белецкий А.Б. Искусственное оптическое свечение на длинах волн 630 и 55737 нм при воздействии на ионосферу на частотах вблизи 4-й электронной гирогармоники на стенде "Сура" в сентябре 2012 г. // Труды XIII Конференции молодых ученых "Взаимодействие полей и излучения с веществом". 2013. Иркутск: ИСЗФ РАН. С. 218-220.

18. Grach S., Ryabov A., Kotik D„ Sergeev E., and Shindin A. Observations of the HF Induced Total Electron Content Variations Along the Paths

of the Gps Signals Above the Sura Facility // 38th COS PAR Scientific Assembly. 2010. Bremen, Germany. Paper № C52-00019-10.

19. Sergeev E„ Shindin A., and Grach S. Diagnostics of the Ionospheric Turbulence by Wide Band Radio Signals // 38th COSPAR Scientific Assembly. 2010. Bremen, Germany. Paper № C52-00036-10.

20. Shindin A., Grach S„ Sergeev E„ and Klimenko V. Airglow at 630 nm during ionospheric modifications at the "SURA" facility. Results of 2010 // 39th COSPAR Scientific Assembly. 2012. Mysore, India. Paper№ C5.1-0055-12.

21. Грач C.M., Клименко B.B., Шиндин A.B., Насыров И.А., Белецкий А.Б., Сергеев E.H., Погорелко H.A., Иванов Д.А., Яшнов В.А. Влияние мощного радиоизлучения стенда «Сура» на оптическое свечение ионосферы в красной (630 нм) и зеленой (557,7 нм) линиях атомарного кислорода // 8-я конференция «Физика плазмы в Солнечной системе». Сборник тезисов. 2013. Москва: ИКИ РАН. С. 57-58.

22. Сергеев E.H., Грач С.М., Шиндин A.B. Образование слоя искусственной ионизации при воздействии излучением стенда HAARP на ионосферную плазму в области 4-й гармоники электронного гирорезонанса // 8-я конференция «Физика плазмы в Солнечной системе». Сборник тезисов. 2013. Москва: ИКИ РАН. С. 84-85.

23. Shindin A., Grach S., Klimenko V., Nasyrov I., Beletsky A., and Sergeev E. Airglow at 630 and 557.7 nm during HF pumping of the Ionosphere near the 4th Gyroharmonic at the "Sura" Facility in September 2012 // 40th COSPAR Scientific Assembly. 2014. Moscow. Paper № C5.1-0004-14.

24. Grach S„ Mishin E„ Sergeev E„ Shindin A., Watkins В., Bernhardt P., Isham В., Broughton M„ Labelle J., and Briczinski S. Study of HF-induced plasma turbulence by SEE and ISR technique during 2011 HAARP experimental campaign // 40th COSPAR Scientific Assembly. 2014. Moscow Paper N° C5 10009-14.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. Зондирование возмущенной области ионосферы с помощьюкоротких радиоимпульсов...................................................................25

1.1. Основные понятия.................................................................................25

1.2. Постановка эксперимента.....................................................................26

1.3. Методика восстановления профиля электронной концентрации по измерениям фазы импульсных сигналов............................................................31

1.4. Результаты восстановления профиля электронной концентрации.. 36

1.5. Вертикальные и горизонтальные движения плазмы в области ионосферы, возмущенной ВЧ полем...................................................................42

1.6. Выводы по главе....................................................................................46

ГЛАВА 2. Искусственные ионосферные слои при частотах волны накачки в области 4-й электронной гирогармоники на стенде НАДИР...........................48

2.1. Основные понятия.................................................................................48

2.2. Постановка эксперимента.....................................................................49

2.3. Результаты эксперимента.....................................................................53

2.4. Обсуждение результатов......................................................................57

2.5. Выводы по главе....................................................................................60

ГЛАВА 3. Анализ характеристик оптического свечения при активном КВ воздействии на верхние слои ионосферы...........................................................62

3.1. Оптическое свечение при воздействии на ионосферу радиоизлучением стенда «Сура»: результаты экспериментов 2010 года.......64

3.1.1. Основные понятия.................................................................................64

3.1.2. Постановка эксперимента.....................................................................65

3.1.3. Результаты эксперимента: свечение в красной линии......................74

3.1.4. Результаты эксперимента: свечение в зеленой линии.......................80

3.1.5. Обсуждение результатов......................................................................

3.2. Пространственная корреляция крупномасштабных неоднородностей плотности (по данным анализа СРБ-сигналов) и искусственного оптического свечения в линии 630 нм....................................................................................................................93

3.2.1. Основные понятия...................................................................... 93

3.2.2. Искусственное оптическое свечение и измерение ПЭС как инструменты исследования крупномасштабных неоднородностей ионосферы..................................................................................

3.2.3. Методика сопоставления данных оптических измерений и данных измерений ПЭС......................................................................................................................................................д8

3.2.4. Результаты эксперимента............................................................ ¡02

3.2.5. Выводы................................................................................................................................................¡07

3.3. Оптическое свечение на длинах волн 630 и 557,7 нм при КВ воздействии на ионосферу излучением стенда «Сура» в области 4-й гармоники электронного гирорезонанса....................................................... 110

3.3.1. Основные понятия......................................................................... НО

3.3.2. Постановка эксперимента............................................................. щ

3.3.3. Результаты эксперимента............................................................. 121

3.3.4. Обсуждение результатов.............................................................. 126

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................. 132

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................

Подписано в печать 23.10.2014 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Гарнитура Тайме. Усл.-печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 619.

Отпечатано в РИУ ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 603000, Н. Новгород, ул. Б. Покровская, 37.