Анализ данных измерений искусственного оптического свечения ионосферы - Дипломная работа

Исследования поведения ионосферной плазмы при воздействии мощного КВ радиоизлучения с использованием нагревных стендов ведутся уже около 40 лет. Одна расположена в России (стенд «Сура» в р/п Васильсурск Нижегородской области), две в Европе (EISCAT, в Тромсе (Северная Норвегия) и SPEAR на о. Следует отметить, что на Земле действуют много вещательных и других радиостанций, мощность которых не меньше мощности установок воздействия на ионосферу, а нередко и превосходит ее. В результате в области резонанса происходит возбуждение собственных колебаний плазмы, развивается плазменная турбулентность, что и служит причиной заметного нагрева электронов, их ускорения вплоть до энергий порядка 30 ЭВ, структуризации плазмы, генерации искусственного радиоизлучения и ряда других интересных физических явлений [1,2].Искусственное оптическое излучение возникает в результате возбуждения соответствующих уровней атомов, молекул и ионов при столкновениях с электронами, энергия которых превышает потенциал возбуждения соответствующих линий, и по измерениям такого излучения можно судить о функции распределения и концентрации электронов, ускоренных плазменными волнами, возникающими в результате воздействия. Измерения искусственного оптического свечения проводятся также для изучения крупномасштабной структуры возмущенной области, а также сравнения эффективности возбуждения свечения в различных линиях [9]. Интенсивность излучения 1 R соответствует эмиссии 106 фотонов за одну секунду в столбе сечением 1 см?. Интенсивность в рэлеях численно равна световому потоку (выражаемому в миллионах фотонов в секунду), приходящему на 1 см? нормальной к лучу зрения площадки из телесного угла в один стерадиан.Для изучения крупномасштабной структуры возмущенной области с помощью искусственного оптического свечения и сравнения эффективности возбуждения свечения в различных линиях используются цифровые видео-и фотокамеры с широким обзором, c помощью которых получают «портреты» ночного неба. Искусственное оптическое свечение появляется, как уже указывалось, вследствие появления возбужденных частиц при столкновениях атомов, молекул или ионов с энергичными электронами, ускоренными плазменными волнами или нагретыми до соответствующих температур.Вследствие воздействия мощной КВ радиоволны обыкновенной поляризации (волны накачки) на плазму F-слоя ионосферы в ней возникает плазменная турбулентность (искусственная ионосферная турбулентность). К искусственной ионосферной турбулентности относят собственные высокочастотные плазменные волны (ленгмюровские, верхнегибридные) с частотами f ~ f0, (f0 - частота волны накачки), а также различные низкочастотные возмущения: ионно-звуковые и нижнегибридные волны, вынужденные ионно-звуковые колебания, неоднородности концентрации плазмы различных масштабов (от нескольких см до десятков км), вытянутые вдоль геомагнитного поля [1,2]. Она развивается вследствие выдавливания плазмы из областей с повышенной интенсивностью электрического поля E (усредненная высокочастотная сила, действующая на заряженную частицу ), значении электрического поля волны накачки Е0>Епс - некоторого порогового поля и приводит к возбуждению ленгмюровских волн и ионно-звуковых колебаний. За время порядка 0.5-5 с после включения волны накачки в F-области ионосферы развивается тепловая параметрическая неустойчивость (ТПН) - параметрическая неустойчивость, обусловленная омическим нагревом плазмы в суммарном поле волны накачки и плазменных волн. ТПН приводит к возникновению плазменных волн локализованных вблизи уровня верхнего гибридного резонанса волны накачки (верхнегибридных волн) и мелкомасштабных (<?0 = c/f0) неоднородностей плотности плазмы сильно вытянутых вдоль геомагнитного поля с широким спектром поперечных геомагнитному полю масштабов от долей метра до десятков метров - «верхнегибридной» турбулентности.Для создания возмущенной области ионосферы (генерации искусственного оптического свечения и радиоизлучения) с помощью излучения мощной коротковолновой радиоволны использовался радиопередающий комплекс стенда «Сура» (географические координаты 56,13° с.ш, 46,10° в.д, восточное магнитное склонение ? 10,5°, магнитное наклонение ? 71.5°). Первые эксперименты на стенде проводились в 80-х годах [3] с помощью оптического телескопа Казанского государственного университета, в 90-х годах - с использованием цифровых ФПЗС-камер американских и английских ученых [8,11]. В течение 2006-2008 г.г. на стенде «Сура» был создан собственный комплекс аппаратуры для исследований искусственного оптического свечения. Эксперимент проводился следующим образом: стенд «Сура» излучал вертикально вверх или под углом 12° к югу от вертикали в плоскости магнитного меридиана мощную радиоволну на частоте 4.3 МГЦ. Воздействие на ионосферу осуществлялось во временном режиме чередования длинных импульсов с короткими паузами и коротких импульсов, в темное время суток, в период новолуния при критической частоте F-области ионосферы, превышающей значение 4.3 МГЦ - минимальную рабочую часто

Оглавление оптическое свечение ионосфера радиоволна

Введение

Глава 1. Оптическое свечение ионосферы при воздействии мощными радиоволнами (краткий обзор)

1.1 Искусственное оптическое свечение ионосферы

1.2 Эффекты воздействия

Глава 2. Постановка эксперимента

Глава 3 Обработка данных эксперимента

Глава 4. Анализ данных эксперимента, проведенного в марте 2010 г.

4.1 Результаты эксперимента 15 марта 2010 г.

4.2 Результаты эксперимента 16 марта 2010 г.

4.3 Результаты эксперимента 17 марта 2010 г.

Заключение

Список использованных источников

Исследования поведения ионосферной плазмы при воздействии мощного КВ радиоизлучения с использованием нагревных стендов ведутся уже около 40 лет. В настоящее время экспериментальные исследования проводятся на 5 действующих нагревных установках. Одна расположена в России (стенд «Сура» в р/п Васильсурск Нижегородской области), две в Европе (EISCAT, в Тромсе (Северная Норвегия) и SPEAR на о. Шпицберген) и две в США (HAARP и HIPAS на Аляске).

Следует отметить, что на Земле действуют много вещательных и других радиостанций, мощность которых не меньше мощности установок воздействия на ионосферу, а нередко и превосходит ее. Разница заключается в том, что радиоизлучение станций воздействия специально сфокусировано вблизи вертикального направления. Это дает возможность радиоволнам достичь области плазменного резонанса в окрестности точки отражения мощной волны (волны накачки) обыкновенной поляризации.

Наиболее интенсивные эффекты имеют место в F-слое ионосферы, на высотах 200-300 км. Концентрация электронов в максимуме слоя варьируется в пределах от 105 до 106 электронов в 1 см-3 в зависимости от времени суток и солнечной активности. Эффективность воздействия является следствием близости частоты возбуждающей волны с частотами собственных колебаний плазмы. В результате в области резонанса происходит возбуждение собственных колебаний плазмы, развивается плазменная турбулентность, что и служит причиной заметного нагрева электронов, их ускорения вплоть до энергий порядка 30 ЭВ, структуризации плазмы, генерации искусственного радиоизлучения и ряда других интересных физических явлений [1,2].

Диагностика возмущенной области ионосферы осуществляется с помощью радиозондирования и просвечивания возмущенной области ионосферы пробными радиоволнами различных диапазонов (КВ, УКВ, СВЧ), а также при измерениях излучения из возмущенной области в оптическом и радио диапазонах [3-7]. Наблюдения искусственного оптического свечения используются для изучения характеристик ускорения электронов, а также для картографирования ионосферных возмущений, в частности перемещения плазменных неоднородностей [8].

В дипломной работе представлены результаты исследований искусственного оптического свечения ночного неба в диапазоне красного видимого света (длина волны ?=630 нм), выполненных на стенде «Сура» в марте 2010 г.