Схемы и параметры активных экспериментов

В этом разделе приведены требуемые параметры воздействия для наиболее реалистичных схем активных экспериментов.

Параметрическое воздействие на релаксационные колебания радиационных поясов  

Механизм воздействия связан с модуляцией периода релаксационных колебаний за счет изменения коэффициента отражения свистовых волн R при нагреве ионосферы. Характерный период релаксационных колебаний электронных радиационных поясов составляет

T ~ 102 с

глубина модуляции R, требуемая для реализации параметрической неустойчивости, связана с добротностью релаксационных колебаний соотношением

DR / R > 2Q-1 ~  0.2

Это соответствует глубине модуляции электронной температуры в ионосфере

DTe / Te ³  0.2-0.5

Указанные значения модуляции электронной температуры вполне достижимы в современных экспериментах по нагреву ионосферы мощным радиоизлучением.

Возбуждение УНЧ волн в ионосфере и магнитосфере  

Возбуждение сигналов с контролируемыми параметрами имеет неоценимое значение для целей диагностики. В схеме проекта <<Резонанс>> такие эксперименты позволят решить следующие задачи:

1. непосредственно оценить величину эффективного коэффициента отражения пакетов волн от ионосферы, т.е. долю их энергии, возвращаемую в область взаимодействия после одного прохода вдоль силовой трубки, и коэффициента прохождения волн в ионосферу в ионосферу (этот вопрос особенно интересен для УНЧ диапазона в связи с наличием резонансных процессов отражения и поглощения волн в ионосфере и магнитосфере);
2. изучить возможность стимулирования магнитосферных излучений в УНЧ диапазоне подобно триггерным ОНЧ излучениям, открытым группой Хелливелла в знаменитых экспериментах с установкой Siple;
3. проверить теоретические представления о природе квазипериодических шумовых излучений, в том числе, роль модуляции инкремента свистовых волн гидромагнитными волнами;
4. исследовать роль квазимонохроматических излучений в высыпании частиц из радиационных поясов.

Можно назвать две принципиально различные схемы возбуждения магнитосферных УНЧ волн с Земли.

1. Модулированный нагрев ионосферы. В этой схеме мощное ВЧ излучение, модулированное УНЧ сигналом, создает модулированный ток в ионосфере вследствие эффекта Гетманцева. Геометрия эксперимента показана на рис. 4. Для типичных параметров ионосферы параметры модулированного тока J в ионосфере можно оценить по формуле [14,]

dH_~ [нТ] ~ 3× 10^-4 (S/h²) P_погл [мВт];         (2)

где H _~ ' J /(h² c) - наземное магнитное возмущение без учета влияния ионосферного альвеновского резонатора, P_погл - эффективная мощность, поглощаемая в ионосфере. Эта оценка справедлива для концентрации электронов в ионосфере N_e ~ 10⁴ см^-3, частоты модуляции f ~ 0.3 Гц, скорости конвекции v_E ~ 50 м с^-1, интегральной педерсеновской проводимости ионосферы S_P ~ 30 Ом^-1.



Рис. 4: Схема возбуждения УНЧ волн при модулированном нагреве ионосферы

Отсюда при S/h² ~ 0.1-1 и P_погл ~ 10³  мВт, имеем dH _~ ~ 0.03-0.3 нТл.

Энергия волн, выходящих в магнитосферу, определяется их <<просачиванием>> через верхнюю стенку ионосферного альвеновского резонатора. Расчеты показывают, что в зависимости от параметров ионосферы, амплитуда магнитного поля волны в магнитосфере может изменяться в широких пределах:

HM ~ (0.01 - 0.3) dH ~  .

(3)

Следует отметить, что приведенные оценки основаны на предположении о поглощении модулированной ВЧ энергии в E-слое ионосферы, выше максимума ионосферной проводимости. В то же время, известно, что на возбуждение УНЧ волн оказывает большое влияние поглощение волн в D-слое. Однако, учет этого фактора требует проведения детальных расчетов, включающих вертикальное распределение модулированного тока и затухания УНЧ волн. Формулу (2) надо рассматривать как верхнюю оценку амплитуды возбуждаемых волн. В то же время, эта оценка неплохо согласуется с результатами реальных нагревных экспериментов в авроральных широтах [16].

Возбуждение УНЧ волн наземным излучателем. Успехи в экспериментах по прямому возбуждению УНЧ волн проводной антенной, в качестве которой использовался участок ЛЭП на Кольском п-ове, показывают реальную осуществимость эксперимента по инжекции контролируемого сигнала УНЧ диапазона в магнитосферу (УНЧ аналог известного эксперимента ``Siple''). Регистрация волн и энергичных частиц на спутниках <<Резонанс>> в силовой трубке, сопряженной с УНЧ генератором, даст чрезвычайно интересный материал по взаимодействию волн и частиц в магнитосфере. Геометрия излучателя показана на рис. 5.

Рис. 5: Схема возбуждения УНЧ волн наземным излучателем

При длине антенны l ~ 150 км, токе в цепи I ~ 10² А, расчеты дают следующую оценку амплитуды переменного магнитного поля в ионосфере: dH _~ ~ 0.2 нТл. Проникновение УНЧ волн в магнитосферу подчиняется тем же закономерностям, что и в схеме с модулированным нагревом, и амплитуда волн в магнитосфере оценивается формулой (3).

 

Возбуждение мелкомасштабных альвеновских вихрей в ионосфере и магнитосфере.  

Отдельного упоминания заслуживают эксперименты по модификации/стимуляции авроральных явлений. Как показано на предыдущем этапе НИР, высокая переменность авроральных процессов осложняет постановку координированных измерений, в том числе, и задачу привязки траектории спутника к данной силовой линии, поскольку из-за искажения магнитных силовых линий само их направление меняется в пространстве и во времени; кроме того, конвекция выносит силовую трубку вместе с плазмой из области видимости наземного пункта. Тем не менее, представляется важным указать возможные схемы и параметры воздействия на авроральные и субавроральные процессы, результаты которого наилучшим образом можно было бы наблюдать со спутника, находящегося в одной силовой трубке с областью воздействия.

К таким экспериментам в первую очередь относятся попытки возбуждения мелкомасштабных альвеновских вихрей в ионосфере. Такие возмущения естественной природы играют важную роль в авроральных процессах ускорения частиц и, возможно, в происхождении суббурь. Искусственное создание альвеновских вихрей в заданный момент времени, позволит провести более детальное изучение их эволюции и проявлений и достичь лучшего понимания взаимосвязей между авроральными явлениями.

Для возбуждения мелкомасштабных альвеновских вихрей к настоящему времени предложены две качественно различные схемы [14].

Рис. 6: Схема возбуждения альвеновских вихрей в ионосфере при модулированном нагреве

1. Возбуждение антенны бегущей волны (разнесенный нагрев).

В этой схеме используются две ВЧ антенны, разнесенных на расстояние d (рис. 6) и излучающих на близких частотах w₁ и w₂, так чтобы разностная частота W = w₂ - w₁ была близка к собственной частоте ионосферного альвеновского резонатора (W ~  0.5 Гц). Детектирование разностного сигнала в ионосфере приводит к образованию ионосферной УНЧ <<антенны>> [14], которая наиболее эффективно взаимодействует с возмущениями, имеющими пространственный масштаб


При h @  100 км и w/ 2p ~  5 МГц, имеем l_^ ~  1 км.

Действие такой антенны может привести к спонтанному возбуждению альвеновских вихрей при наличии жесткого режима их генерации. Существование такого режима предсказывается теорией [14], но детально этот вопрос к настоящему времени не исследован. Требуемая в этой схеме мощность нагрева (поглощаемая в E-слое) по порядку величины равна [14]

Pпогл ~ 102 мВт  .

2. Локальное увеличение скорости конвекции.

В этой схеме предполагается создание локальных условий для мелкомасштабной неустойчивости магнитосферной конвекции [13] за счет создания вытянутой области повышенной ионизации (рис. 7). В окрестности малого радиуса кривизны этой области квазистационарное электрическое поле превышает фоновое значение, и это превышение может быть достаточным для спонтанного возбуждения альвеновских вихрей. Оценки показывают [14], что этот способ требует примерно на порядок большей мощности нагрева, чем предыдущий:

Pпогл ~ 103 мВт

Однако методологически он существенно проще.

Рис. 7: Схема возбуждения альвеновских вихрей в ионосфере при нагреве пространственно вытянутой области.