Пространственная корреляция крупномасштабных неоднородностей плотности (по данным анализа GPS-сигналов) и искусственного оптического свечения в линии 630 нм в ионосфере, возмущенной мощной радиоволной

Радиофизика

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

УДК 533.9.082

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ПЛОТНОСТИ (ПО ДАННЫМ АНАЛИЗА GPS-СИГНАЛОВ) И ИСКУССТВЕННОГО ОПТИЧЕСКОГО СВЕЧЕНИЯ В ЛИНИИ 630 НМ В ИОНОСФЕРЕ, ВОЗМУЩЕННОЙ МОЩНОЙ РАДИОВОЛНОЙ

© 2012 г. А.В. Шиндин 1, С.М. Грач 1, Е.Н. Сергеев 2, А.В. Рябов 2

freaz@bk.ru

Пкступила в редакцию 17.02.2012

Разработана методика сопоставления положения крупномасштабных неоднородностей плотности ионосферной плазмы, возмущенной мощным радиоизлучением, и областей генерации искусственного оптического свечения. В эксперименте положение крупномасштабных неоднородностей определялось по данным измерений полного электронного содержания на трассе распространения сигналов GPS, положение областей генерации свечения - по данным регистрации снимков ночного неба с помощью ПЗС камеры в линии 630 нм. Из анализа пробных экспериментов следует, что наиболее вероятной областью генерации свечения является область пониженной концентрации ионосферной плазмы.

Ключевые слква: ионосфера, оптическое свечение, крупномасштабные неоднородности, GPS сигналы, мощные радиоволны.

Введение

При воздействии на ионосферу мощным коротковолновым радиоизлучением в области отражения образуются неоднородности электронной концентрации с размерами от десятков сантиметров до десятков километров [1]. Диагностика крупномасштабной (более 0.5 км) структуры возмущённой мощной радиоволной области ионосферы осуществляется с помощью просвечивания ионосферы декаметровым радиоизлучением космических радиоисточников, с помощью ракурсного рассеяния радиоволн КВ и УКВ диапазонов, просвечивания возмущённой области УКВ сигналами низкоорбитальных спутников и геостационарных спутников, с помощью спутниковой радиотомографии, измерений электронной плотности in situ при пролёте космических аппаратов и геофизических ракет через возмущённую область и над ней (см. [1, 2] и цитированную там литературу).

Крупномасштабные неоднородности с размерами 5-50 км могут также эффективно изучаться с помощью двухчастотного радиопросвечивания сигналами спутников систем GPS или ГЛОНАСС микроволнового диапазона. При распространении через возмущённую область у таких сигналов появляется дополнительный набег фазы, обусловленный дисперсией радиоволн в ионосферной плазме и линейно связанный с полным электронным содержанием

(ПЭС) на траектории распространения [3, 4]. С начала 80-х годов данный метод используется для определения ПЭС в ионосфере в естественных условиях, а с 2007 года началось активное использование спутников системы GPS для определения полного электронного содержания в ионосфере во время экспериментов по воздействию на ионосферу мощным коротковолновым радиоизлучением. Такие исследования проводились на стендах HAARP [5] и «Сура» [2, 6, 7].

Другим эффективным методом исследования крупномасштабной структуры возмущенной области является измерение искусственного оптического свечения ионосферы в линии O(D) (X = 630 нм). Как показали измерения с помощью ПЗС-камер с соответствующими светофильтрами, портреты возмущенной области в красной линии обладают ярко выраженной крупномасштабной структурой с угловыми размерами порядка 2-10° (это соответствует размерам 9-44 км на высоте 250 км над Землей), часто перемещающейся (дрейфующей) в пространстве при длительном нагреве [8-13].

В настоящей статье описывается методика и приводятся результаты одновременных исследований структуры возмущенной области с помощью сигналов GPS и измерений искусственного оптического свечения ионосферы, проведенных на нагревном стенде «Сура» (р/п Ва-сильсурск, Нижегородская область, географические координаты: 56.15° с.ш., 46.10° в.д., восточное магнитное склонение ~ 10.5°, магнитное наклонение ~ 71.5°). Целью работы является обнаружение пространственной корреляции интенсивности искусственного оптического свечения и ПЭС.

Ниже в разделе 1 приводятся краткие физические основы и методика эксперимента. В разделе 2 описана методика обработки данных. В разделе 3 приведены результаты экспериментов. В заключении сделаны краткие выводы.

Как известно, оптическое излучение возникает в результате возбуждения соответствующих уровней атомов молекул и ионов при столкновениях с электронами, энергия которых превышает потенциал возбуждения соответствующих линий, а также может быть связно с появлением возбужденных атомов в результате диссоциативной рекомбинации молекул. Появление быстрых (надтепловых) электронов связано с ускорением последних плазменными волнами, возникающими при развитии различных параметрических неустойчивостей, вызванных накачкой О-поляризации. Одной из целей измерений искусственного оптического свечения является изучение крупномасштабной структуры возмущенной области, которая хорошо видна на зарегистрированных портретах ночного неба. Основные измерения проводятся в красной (630 нм) и зеленой (557.7 нм) линиях атомарного кислорода, связанных с излучением уровней O(&D) и O(&S) с энергиями возбуждения 1.96 и 4.17 эВ и радиационными временами жизни 107 с и 0.7 с, соответственно. В рассматриваемых ниже экспериментах, выполненных 15 и 17 марта 2010 г., измерения проводились с помощью ФПЗС-камеры S1C/079-FP(FU), оснащенной светофильтром на X = 630 нм и светосильным объективом NC-2 с полем зрения 20.6°. Регистрация портретов ночного неба проводилась с выдержкой 15 с с использованием бинирования 2^2, размер кадров составлял 288^288 пикселей [8, 9].

В этих же экспериментах с помощью приемника Prego-T регистрировались GPS-сигналы спутников системы GPS, пролетавших во время сеансов воздействия над возмущенной областью ионосферы [7]. При распространении через возмущенную область у таких сигналов появляется дополнительный набег фазы, обусловленный дисперсией радиоволн в ионосферной плазме и линейно связанный с ПЭС на траектории распространения. Значение величины ПЭС на траектории сигналов спутника определяется формулой [7]:

I = 1 f 2 f 2

(LX -L2X2) + const, (1)

K J1 J 2

где J1 = 1575.42 МГц, J = 1227.60 МГц - частоты сигналов спутника, K = 40.308 х 1016 м-2, X1, X2 и L1, L2 - длины волн и набеги фаз, соответствующие сигналам на частотах J1 и f2, const -константа неопределённости, связанная с тем, что фаза принимаемого сигнала измеряется относительно опорного сигнала, генерируемого приёмником, который никак не синхронизован с оборудованием на спутнике. Аппаратные средства приёмника Prego-T позволяют измерять также псевдодальность P = c At + ст, где At - время распространения сигнала через ионосферу, т — отклонение часов приёмника от системного времени GPS [3], Pi = LiXi + ст, i = 1,

Ip ~K К - f2

[P - P2 ].

Приёмник определяет фазу сигнала и псевдодальность независимо для каждой частоты. В силу конструктивных особенностей приёмника и его собственных алгоритмов обработки, фазовые измерения существенно более точны по сравнению с измерениями псевдодальности. Поэтому полное электронное содержание на пути следования сигнала определялась в [7] с помощью выражения (1), а формулу (2) будем использовать для нахождения константы неоп-ределённости

const = N£(Ipi -Ibi). (3)

Здесь суммирование проводится по всей реализации, N — общее число отсчётов, регистрируемых с частотой повторения 1 Гц.

Для сопоставления с оптическим излучением из хода вариаций ПЭС необходимо удалить естественный тренд, связанный с изменением зенитного угла спутника и, следовательно, длины участка траектории сигнала спутника, проходящего через ионосферную плазму. Для этого использовалось вычитание скользящего среднего с использованием линейной весовой функции:

rn, ]=iVj ] - K Е

JJlE ( K - In - jO

I[t„] &

где 1Щ - исходная временная зависимость ПЭС, d/ — колебания ПЭС относительно среднего уровня, К - параметр усреднения, отвечающий числу отсчетов во временной выборке 1001 с.

В работе [7] отмечается корреляция между воздействием на ионосферу мощных радиоволн и вариациями в ПЭС. Величины вариаций ПЭС достигают при этом 0.3 ТЕСи (ТЕСи - общепринятая единица измерения ПЭС, 1 ТЕСи = = 1016 м-2). Периоды вариаций ПЭС составляют от 400 до 1200 с, что в отсутствие ветровых движений соответствует масштабам неоднородностей поперек луча зрения 20-60 км. Эти масштабы примерно соответствуют поперечным размерам крупномасштабных пятен искусственного оптического свечения ионосферы. В связи с этим представляет интерес задача сопоставления вариаций ПЭС при пролете спутника над возмущенной областью ионосферы и, следовательно, при перемещении области пересечения траектории сигнала с возмущенной областью, с пространственным положением пятен оптического свечения на зарегистрированных изображениях.

Следует отметить, что крупномасштабные неоднородности плотности электронной концентрации в ионосфере образуются в результате эффекта самофокусировки мощной радиоволны [14-16]. Предполагается, что наиболее сильное электрическое поле волны накачки и, соответственно, наиболее сильные плазменные волны, ускоряющие электроны до потенциала возбуждения оптических уровней, сосредоточены в области пониженной электронной концентрации. Описанные ниже совместные измерения могут подтвердить или опровергнуть тот факт, что искусственное оптическое излучение идет из этих областей пониженной электронной концентрации. Заметим также, что при достаточно быстром перераспределении электронной плотности во времени или, если спутниковый сигнал пересекает несколько крупномасштабных неоднородностей, вытянутых вдоль геомагнитного поля, эффект «замазывается», т.е. вариации ПЭС уменьшаются. Кроме того, в случае использования передатчиков большой мощности возможно проявление эффектов сильной дополнительной ионизации, т.е. увеличение электронной концентрации в областях сильного электрического поля (такой эффект наблюдается на стенде НААИР, [17]). Мощности передатчиков нагревного стенда «Сура» недостаточно для появления этого эффекта.

Сложность выявления корреляции между ПЭС и искусственным свечением в эксперименте заключается в необходимости одновременного соблюдения нескольких условий. Во-первых, для возбуждения параметрической неустойчивости, плазменных волн и, следовательно, для наблюдения искусственного оптического свечения, как и для многих других эффектов взаимодействия мощной радиоволны с плазмой необходимо, чтобы частота волны накачки была меньше критической частоты ионосферы, измеряемой с помощью ионозонда. Во-вторых, использование сигналов спутника GPS для просвечивания возмущенной области предполагает, что спутник пройдет над возмущенной областью ионосферы и, следовательно, через диаграмму направленности антенной системы на-гревного стенда. И, в-третьих, любые оптические измерения требуют ясного неба в момент измерения. За три экспериментальные кампании 2010 года на стенде «Сура» было зарегистрировано несколько сотен изображений ночного неба с выраженным искусственным оптическим свечением [8, 9]. При этом совпадение с пролетом спутников GPS через диаграмму направленности антенной системы имело место лишь для двух дней наблюдений (15, 17 марта 2010 года). В эти дни воздействие на ионосферу осуществлялось на частотах J = 4300 кГц в режиме чередования непрерывного излучения волны накачки (ВН) в течение 2-3 минут и паузы. Период следования нагревных импульсов составлял 6 минут. Необходимо отметить, что режим работы нагревного стенда выбирался исходя из того, чтобы использовать для диагностики максимальное число методов. Оптимальным режимом для выявления пространственной корреляции вариаций ПЭС и структуры пятна искусственного оптического свечения является непрерывное воздействие. Но такой режим исключает применение других методов диагностики возмущенной области, таких, как измерение динамических свойств искусственного радиоизлучения ионосферы и эффектов самовоз-действия волны накачки. Наблюдаемые вариации ПЭС могут быть обусловлены как пространственными характеристиками крупномасштабных неоднородностей, так и изменением электронной концентрации во времени. В обоих сеансах наблюдений нагрев ионосферы начинался задолго до влета спутника в диаграмму направленности антенной системы. Поскольку времена релаксации крупномасштабных неоднородностей с размерами 10-50 км после выключения воздействия мощной радиоволны могут составлять 20 и более минут, то мы можем утверждать, что к моменту влета спутника в диаграмму направленности антенной системы интенсивность крупномасштабных неоднородностей достигала стационарного уровня и не изменялась в паузах между воздействиями. Далее, из данных оптических измерений следует, что передвижений пятна свечения по полю снимка между последовательными сеансами воздействия не наблюдалось [7]. Это позволяет

Рис. 1. Результат пространственной и временной привязки. Изображения звездного неба, полученные с помощью ПЗС-камеры 15 марта 2010 г. в момент 20:20:48 LT (слева) и 17 марта 2010 г. в момент 21:13:16 LT (справа) 2010 года, с нанесенными на них: горизонтальной топоцентрической системой координат, траекториями спутников GPS (G08 и G28, соответственно). Азимутальные и горизонтальные линии нанесены на изображения с шагами 10° и 3°, соответственно. Положение спутника на траектории в соответствующий момент времени отмечено квадратом

также предположить, что горизонтальных перемещений крупномасштабных неоднородностей по небосводу в наших экспериментах не было.

Задача сопоставления данных измерений ПЭС и оптического свечения должна решаться в 4 этапа.

Пространственная и временная привязка изображений и траекторий спутников осуществлялась следующим образом. Данные ПЭС изначально привязаны к координатам спутника на небесной сфере в определенный момент времени. Временная привязка изображений не составляет труда, так как во время съемки очередного кадра фиксируется точное время. Пространственная привязка в рамках конкретной задачи заключается в том, чтобы нанести траекторию спутника на серию изображений, которые регистрировались каждые 15 с. Это достигается путем определения взаимно-однозначного соответствия между двумерной системой координат изображения и горизонтальной системой координат небесной сферы. Другими словами, нужно знать, каким угловым горизонтальным координатам соответствует каждый пиксель на снимке.

Во время каждого из экспериментов

Для выделения искусственного оптического свечения производилась следующая обработка снимков ночного неба. Первый и обязательный этап обработки изображений - вычитание медианного среднего темнового кадра, взятого по набору снимков, снятых с закрытой крышкой объектива при той же экспозиции, что и другие снимки. Эта процедура уменьшает искажения, связанные с темновым током и шумами считывания ПЗС-матрицы.

После вычитания темнового кадра средний фон на снимках составлял 150-300 единиц АЦП камеры, средняя дисперсия - 25-50 единиц АЦП, а подъем интенсивности во время искусственного оптического свечения не превышает 20-30 единиц АЦП. Естественное свечение неба может изменяться от кадра к кадру, тем самым изменяя уровень фона на снимках. Дисперсию, в основном, формируют звезды, попавшие в кадр, а также переменная влажность атмосферы. Изменение естественного фона и свечение от звезд необходимо компенсировать, чтобы определить основные параметры пятна искусственного свечения (максимальную интенсивность, угловые размеры и т.д.).

Рис. 2. Проиллюстрирована процедура выделения искусственного оптического свечения на примере изображения, полученного во время одного из сеансов нагрева 17 марта 2010 г. в 20:33:46 LT. Панель (а). Исходное изображение ночного неба после вычитания темнового кадра. Панель (Ь). Опорный кадр, полученный из соответствующих «преднагревных» снимков. Панель (с). Результат вычитания изображения с панели (Ь) из изображения с панели (а). Панель ^). Результат усреднения с шагом 33 пикселя изображения с панели (с). Координаты по осям указаны в градусах поля зрения камеры, яркость - в единицах АЦП камеры

Обычно процедура компенсации изменений фона состоит в вычитании постоянной составляющей из изображений. Но для выделения именно «нагревных» эффектов более эффективно вычитать из всех изображений соответствующие «преднагревные» изображения (т.е. изображения, снятые непосредственно перед нагревом) или их комбинацию. Выполнять такую процедуру мешают изображения звезд, которые, согласно законам небесной механики, двигаются вокруг полюса Мира, и поэтому при простом вычитании кадров свет от них не только не компенсируется, но оставляет характерный след. Знание законов движения звезд и предварительная пространственная привязка изображений дают возможность компенсировать смещение звезд от снимка к снимку путем поворота изображений на определенный угол.

В итоге обработка изображений сводится к следующему. Во-первых, из всего набора снимков выбираются «преднагревные» изображения, полученные непосредственно перед включением излучения стенда «Сура», на которых заведомо нет искусственного свечения. Эти изображения являются опорными для всех остальных снимков данного цикла воздействия. Во-вторых, для всех остальных снимков подготавливаются изображения для вычитания - темно-вые кадры. Они формируются из двух ближайших опорных кадров, каждый из которых поворачивается на соответствующий угол, чтобы положение звезд на них совпало с положением звезд на анализируемом снимке, из которого происходит вычитание темнового кадра. Для формирования итогового темнового кадра уже повернутая пара опорных кадров складывается с весами, которые определяются интервалами времени между анализируемым снимком и

опорными кадрами. Таким образом, достигается плавная компенсация фона и звезд. И, наконец, в-третьих, для получения изображения всего пятна искусственного свечения и оценки его параметров без учета тонкой структуры проводится текущая медианная фильтрация изображения. Методика выделения пятна искусственного оптического свечения продемонстрирована на рисунке 2.

Для устранения влияния шумов и мелкомасштабных вариаций в возмущенной области ионосферы каждому значению ПЭС ставилось в соответствие медианное значение яркости свечения по квадрату шириной 16 пикселей на определенном снимке, что соответствует линейному размеру ~ 5 км на высоте 300 км с центром в точке, где находился в данный момент спутник. Этот размер приблизительно в 6 раз больше эквивалентного расстояния на снимке, которое преодолевает спутник за время экспозиции камеры (15 с).

На рисунке 3 представлена серия изображений, полученных 17.03.2010, соответствующих максимумам интенсивности искусственного оптического свечения во время окончания двухминутных циклов воздействия, после выполнения процедуры выделения свечения.

Во время экспериментов на стенде «Сура» в марте 2010 г. в течение двух вечеров (15.03 и 17.03) во время пролета спутников (соответственно G8 и G28) наблюдалось искусственное оптическое свечение в линии О(&-О) атомарного кислорода с длиной волны Х=630 нм. Использовался 6-минутный цикл излучения стенда (2 или 3 минуты - излучение, 4 или 3 минуты - пауза).

Рис. 3. Серия усредненных портретов ночного неба для сопоставления с данными измерений ПЭС, полученных 17 марта 2010 г. На изображения нанесены траектория и положение спутника G28 в соответствующий момент времени, а также сечение диаграммы направленности антенной системы нагревного стенда на уровне половинной мощности. Направления на север, юг, восток и запад обозначены буквами N S, Е, W соответственно. Координаты по осям указаны в градусах поля зрения камеры, яркость - в единицах АЦП камеры

Эффективная мощность излучения составляла 120 МВт, частота излучения ^0=4300 кГц. 15.03.2010 диаграмма направленности стенда была ориентирована вертикально вверх, 17.03.2010 диаграмма была наклонена на 12° к югу от вертикали в направлении магнитного меридиана.

Время, 1_Т

Рис. 4. Данные совместных измерений ПЭС и искусственного оптического свечения в эксперименте 17 марта 2010 г. Панель (а). Детрендированная временная зависимость вариаций ПЭС. Панель (Ь). Динамика средней интенсивности оптического свечения из области изображения, соответствующей положению спутника в этот момент. Панель (с). Динамика средней интенсивности оптического свечения для реконструированного набора изображений. Для всех панелей: временной интервал 20:50-21:40 на графиках соответствует интервалу пролета спутника через поле зрения камеры. Интервал времени между серыми вертикальными штриховыми прямыми соответствует времени пролета спутника через диаграмму направленности антенны стенда

мальная яркость свечения в линии 630 нм достигается только к концу 2-минутного непрерывного воздействия (характерное время сопоставимо с радиационным временем жизни уровня О(^) ~ 107 с), а характерное время релаксации излучения после выключения волны накачки, определенное по данным фотометра, составило во время наблюдений ~ 22 с. Поэтому для сравнения данных оптического свечения и измерений ПЭС использовался набор реконструированных средних изображений пятна свечения. Реконструкция изображений проводилась следующим образом. В качестве опорных брались изображения, зарегистрированные в моменты максимальной интенсивности свечения, изображенные на рисунке 3. Далее, путем линейной интерполяции по времени, восстанавливались изображения, зарегистрированные во временных интервалах между опорными изображениями. Таким образом мы убираем из графика средней интенсивности свечения вдоль траектории спутника осцилляции, связанные с включением/выключением мощного воздействия. На рисунке 4с показана зависимость интенсивности свечения от такого реконструированного пятна вдоль проекции траектории спутника на изображение. Из сопоставления рис. 4а и 4с видно, что максимальное значение интенсивности свечения имеет место вблизи минимального значения ПЭС.

Время, 1_Т

Рис. 5. Данные совместных измерений ПЭС и искусственного оптического свечения в эксперименте 15 марта 2010 г. Панель (а). Детрендированная временная зависимость вариаций ПЭС. Панель (Ь). Динамика средней интенсивности оптического свечения для реконструированного среднего изображения пятна свечения из области пролета спутника. Для всех панелей: временной интервал 20:11-20:55 на графиках соответствует интервалу пролета спутника через поле зрения камеры. Интервал времени между серыми вертикальными штриховыми прямыми соответствует времени пролета спутника через диаграмму направленности антенны стенда

оптического свечения и ПЭС мы использовали зависимость яркости свечения на траектории спутника, полученную путем усреднения по трем последним сеансам воздействия, когда наблюдалось свечение (сеансы нагрева 21:01, 21:07, 21:13). При этом учитывался тот факт, что пятно свечения оставалось практически неподвижным в направлении восток-запад на траектории спутника во время этих сеансов, и предполагалось, что неоднородности концентрации в этом случае также оставались неподвижными в этом направлении в течение периода времени с 21:01 по 21:25. Результат такой экстраполяции представлен на рисунке 5b. Из сопоставления рисунков 5 а и 5b видно, что максимальные значения интенсивности свечения, так же, как в эксперименте 17.03.2010, могут иметь место в области максимального спада ПЭС.

Заключение

Разработана методика сопоставления данных измерений ПЭС и искусственного оптического излучения. Проанализировано 2 сеанса измерений: 15 и 17 марта 2010 г. Показано, что 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 GPS. 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. Наблюдаемое несовпадение связано с возможным смещением неоднородной структуры ионосферы в восточнозападном направлении. Для однозначных выводов о корреляции ПЭС и интенсивности искусственного оптического свечения необходимо проведение дополнительных экспериментов и обработка результатов по разработанной методике.

Коллектив авторов выражает благодарность Д. С. Котику за обсуждение постановки задачи. Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 11-02-00125-а, № 12-02-00513-а, № 11-02-00419-а, а также Министерства образования и науки Российской Федерации, государственный контракт № 16.518.11. 7066.

Список литературы

Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37. L02106,

doi: 10.1029/2009GL041895.

SPATIAL CORRELATION OF LARGE-SCALE PLASMA DENSITY INHOMOGENEITIES (MEASURED BY GPS SIGNAL ANALYSIS) AND REGIONS OF 630 NM ARTIFICIAL OPTICAL EMISSIONS IN THE HF-PUMPED IONOSPHERE

A V. Shindin, S.M. Grach, E.N. Sergeev, A. V. Ryabov

A technique to compare large-scale plasma density inhomogeneities and regions of artificial optical emission generation in the ionospheric plasma pumped by a powerful HF radio wave has been developed. In the experiment, the positions of large-scale inhomogeneities were determined by measuring total electron content along the GPS signal paths; the positions of optical emission generation regions were determined according to the night sky images recorded by a CCD camera in the 630 nm line. From the analysis of test experiments, it follows that the most probable regions of glow generation are those ones with plasma density depletions in the ionospheric pumped volume.