Сравнение характеристик явлений в F-области высокоширотной ионосферы при излучении мощных КВ радиоволн антеннами с узкой и широкой диаграммой направленности

Выполнено сравнение характеристик искусственных ионосферных возмущений в F-области высокоширотной ионосферы при излучении мощных коротких радиоволн нагревного стенда EISCAT/ Heating (г. Тромсё, Норвегия) фазированными антенными решетками (ФАР) с узкой (5–6°) и широкой (10–12°) диаграммами направленности (антенны А1 и А3 соответственно). Рассмотрены характеристики, поведение и пространственная структура электронной концентрации и температуры, продольных плазменных волн (ленгмюровских и ионно-акустических), мелкомасштабных искусственных магнито-ориентированных неоднородностей и искусственного узкополосного (в полосе ±1 кГц относительно частоты нагрева) радиоизлучения ионосферы, вызванных воздействием мощных КВ радиоволн необыкновенной (Х-мода) и обыкновенной (О-мода) поляризаций при их излучении антеннами А1 и А3 в направлении магнитного зенита.

1. Благовещенская Н.Ф., Борисова Т.Д., Калишин А.С., Егоров И.М., Загорский Г.А. Влияние ширины диаграммы направленности антенны КВ нагревного стенда EISCAT/Heating на характеристики искусственных возмущений в высокоширотной верхней ионосфере (F-область). В кн.: Всероссийские открытые Армандовские чтения. Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн, Муром, 27–29 июня 2023 г. Муром: 2023. С. 75–82.

2. Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере. Успехи физических наук. 2007; 177(11): 1145–1177. Gurevich A.V. Nonlinear effects in the ionosphere. Physics-Uspekhi. 2007; 50: 1091–1121.

3. Streltsov A.V., Berthelier J.-J., Chernyshov A.A., Frolov V.L., Honary F., Kosch M.J., McCoy R.P., Mishin E.V., Rietveld M.T. Past, present and future of active radio frequency experiments in space. Space Sci. Rev. 2018; 214: 118. https://doi.org/10.1007/s11214-018-0549-7

4. Leyser T.B. Stimulated electromagnetic emissions by high-frequency electromagnetic pumping of the ionospheric plasma. Space Science Reviews. 2001; 98: 223–328. https://doi.org/10.1023/a:1013875603938

5. Gurevich A.V., Carlson H.C., Medvedev Yu.V., Zybin K.R. Langmuir turbulence in ionospheric plasma. Plasma Phys. Rep. 2004; 30: 995–1005.

6. Kuo S. Ionospheric modifications in high frequency heating experiments. Phys. Plasmas. 2015; 22: 012901. https://doi.org/10.1063/1.4905519

7. Mishin E., Watkins B., Lehtinen N, Eliasson B., Pedersen T., Grach S. Artificial ionospheric layers driven by high-frequency radiowaves: An assessment. J. Geophys. Res.: Space Physics. 2016; 121: 3497–3524. https://doi.org/10.1002/2015JA021823

8. Carlson H. C., Djuth F.T., Zhang L.D. Creating space plasma from the ground. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016; 122. https://doi.org/10.1002/2016JA023380

9. Pedersen T., Gustavsson B., Mishin E., Kendall E., Mills T., Carlson H.C., Snyder A.L. Creation of artificial ionospheric layers using high-power HF waves. Geophys. Res. Lett. 2010; 37: L02106. https://doi.org/10.1029/2009GL041895

10. Stubbe P. Review of ionospheric modification experiments at Tromso. J. Atmos. Terr. Phys. 1996; 58: 349–368.

11. Robinson T.R. The heating of the high latitude ionosphere by high power radio waves. Physics Reports. 1989; 179: 79–209.

12. Blagoveshchenskaya N.F. Perturbating the high-latitude upper ionosphere (F region) with powerful HF radio waves: a 25-year collaboration with EISCAT. Radio Science Bulletin. 2020; 373(June 2020): 40–55. https://doi.org/10.23919/URSIRSB.2020.9318436

13. Blagoveshchenskaya N.F., Borisova T.D., Yeoman T., Rietveld M.T., Ivanova I.M., Baddeley L.J. Artificial field-aligned irregularities in the high-latitude F region of the ionosphere induced by an X-mode HF heater wave. Geophys. Res. Lett. 2011; 38: L08802. https://doi.org/10.1029/2011GL046724

14. Blagoveshchenskaya N.F., Borisova T.D., Yeoman T.K., Häggström I., Kalishin A.S. Modification of the high latitude ionosphere F region by X-mode powerful HF radio waves: Experimental results from multi-instrument diagnostics. J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2015; 135: 50–63. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2015.10.009

15. Blagoveshchenskaya N.F., Borisova T.D., Kosch M., Sergienko T., Brändström U., Yeoman T.K., Häggström I. Optical and ionospheric phenomena at EISCAT under continuous X-mode HF pumping. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2014; 119: 10483–10498.

16. Blagoveshchenskaya N.F., Borisova T.D., Kalishin A.S., Yeoman T.K., Häggström I. Distinctive features of Langmuir and ion-acoustic turbulences induced by O- and X-mode HF pumping at EISCAT. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2020; 125(7). https://doi.org/10.1029/2020JA028203

17. Kalishin A.S., Blagoveshchenskaya N.F., Borisova T.D., Yeoman T.K. Ion gyro‐harmonic structures in stimulated emission excited by X‐mode high power HF radio waves at EISCAT. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2021; 126(8). https://doi.org/10.1029/2020JA028989

18. Rietveld M.T., Senior A., Markkanen J., Westman A. New capabilities of the upgraded EISCAT high-power HF facility. Radio Sci. 2016; 51(9): 1533–1546.

19. Rishbeth H., van Eyken T. EISCAT: Early history and the first ten years of operation. J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 1993; 55: 525–542.

20. Lester M., Chapman P.J., Cowley S.W.H., Crooks S., Davies J.A., McWillaims K., Milan S.E., Parsons M., Payne D., Thomas E.C., Thornhill J., Wade N.M., Yeoman T.K., Barnes R.J. Stereo CUTLASS: A new capability for the SuperDARN radars. Ann. Geophys. 2004; 22: 459–473.

21. Калишин А.С., Благовещенская Н.Ф., Борисова Т.Д., Рогов Д.Д. Дистанционные методы диагностики эффектов воздействия высокоширотных нагревных комплексов. Метеорология и гидрология. 2021; 4: 22–36. Kalishin A.S., Blagoveshchenskaya N.F., Borisova T.D. Rogov D.D. Remote diagnostics of effects induced by high-latitude heating facilities. Russ. Meteorol. Hydrol. 2021; 46: 231–240. https://doi.org/10.3103/S1068373921040038

22. Lehtinen M.S., Huuskonen A. General incoherent scatter analysis and GUISDAP. J. Atmos. SolarTerr. Phys. 1996; 58: 435–452.

23. Blagoveshchenskaya N.F., Borisova T.D., Kalishin A.S., Egorov I.M. Artificial ducts created via high-power HF radio waves at EISCAT. Remote Sens. 2023; 15(9): 2300. https://doi.org/10.3390/rs15092300

24. Борисова Т.Д., Благовещенская Н.Ф., Калишин А.C. Особенности возбуждения искусственной ионосферной турбулентности при О- и Х-нагреве вблизи критической частоты слоя F2. Солнечно-земная физика. 2023; 9(1): 22–32. https://doi.org/10.12737/szf-91202303 Borisova T.D., Blagoveshchenskaya N.F., Kalishin A.S. Features of artificial ionosphere turbulence induced by the O- and X-mode HF heating near the F2-layer critical frequency. Solar-Terrestrial Physics. 2023; 9(1): 21–30. https://doi.org/10.12737/stp-91202303

25. Rietveld M. T., Senior A. Ducting of incoherent scatter radar waves by field-aligned irregularities. Ann. Geophys. 2020; 38: 1101–1113.

26. Rietveld M.T., Kosch M.J., Blagoveshchenskaya N.F., Kornienko V.A., Leyser T.B., Yeoman T.K. Ionospheric electron heating, aurora and striations induced by powerful HF radio waves at high latitudes: aspect angle dependence. J. Geophys. Res. 2003; 108(A4): 1141. https://doi.org/10.1029/2002 JA 009543

27. Грач С.М., Трахтенгерц В.Ю. О параметрическом возбуждении ионосферных неоднородностей, вытянутых вдоль магнитного поля. Изв. вузов. Радиофизика. 1975; 18(9): 1288–1296. Grach S.M., Trakhtengerts V.Yu. Parametric excitation of ionospheric irregularities extended along the magnetic field. Radiophys. Quantum Electron. 1975; 18(9): 951–957.

28. Васьков В.В., Гуревич А.В. Нелинейная резонансная неустойчивость плазмы в поле обыкновенной электромагнитной волны. ЖЭТФ. 1975; 69(1): 176−178. Vas’kov V.V., Gurevich A.V. Nonlinear resonance instability of plasma in the reflection region of ordinary electromagnetic wave. Sov. Phys. JETF. 1975; 42(1): 91–103.

29. Kelley M.C. The Earth’s ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics. San Diego, CA, USA: Academic Press; 1989. 556 p.

30. Калишин А.С., Благовещенская Н.Ф., Борисова Т.Д., Егоров И.М. Сравнение спектральных характеристик узкополосного искусственного радиоизлучения ионосферы при Х-нагреве высокоширотной F-области ионосферы на частотах ниже и выше критической частоты Х-компоненты слоя F2. Метеорология и гидрология. 2022; 12: 21–34. https://doi.org/10.52002/0130-2906-2022-12-21-34 Kalishin A.S., Blagoveshchenskaya N. F., Borisova T. D., Egorov I. M. Comparison of spectral features of narrowband stimulated electromagnetic emission excited by an extraordinary pump wave in the high-latitude ionospheric F region at frequencies below and above the F2 layer X-component critical frequency. Russian Meteorology and Hydrology. 2022; 47(12): 921–930. https://doi.org/10.3103/S1068373922120032

31. Shukla P.K., Stenflo L. Stimulated Brillouin scattering of electromagnetic waves in magnetized plasmas. Journal of Plasma Physics. 2010; 76: 853–855. https://doi.org/10.1017/s0022377810000504

32. Bernhardt P.A., Selcher C.A., Lehmberg R.H., Rodriguez S.P., Thomson J.F., Groves K.M., McCarrick M.J., Frazer G.J. Stimulated Brillouin Scatter in a magnetized ionospheric plasma. Physics Review Letters. 2010; 104(16): 165004. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.165004

33. Mahmoudian A., Scales W.A., Bernhardt P.A., Fu H., Briczinski S.J., McCarrick M.J. Investigation of ionospheric stimulated Brillouin scatter generated at pump frequencies near electron gyroharmonics. Radio Science. 2013; 48: 685–697. https://doi.org/10.1002/2013RS005189

34. Bernhardt P.A., Selcher C.A., Kowtha S. Electron and ion Bernstein waves excited in the ionosphere by high power EM waves at the second harmonic of the electron cyclotron frequency. Geophysical Research Letters. 2011; 38: L19107. https://doi.org/10.1029/2011GL049390

35. Mahmoudian A., Scale, W.A., Bernhardt P.A., Samimi A., Kendall E., Ruohoniemi J.M., Isham B., Vega-Cancel O., Bordikar M. Ion gyro-harmonic structuring in the stimulated radiation spectrum and optical emissions during electron gyro-harmonic heating. Journal of Geophysical Research: Space Physics. 2013; 118: 1270–1287. https://doi.org/10.1002/jgra.50167

36. Samimi A., Scales W. A., Bernhardt P. A., Briczinski S. J., McCarrick M. J. Ion gyroharmonic structures in stimulated radiation during second electron gyroharmonic heating: 2. Simulations. Journal of Geophysical Research: Space Physics. 2014; 119: 462–478. https://doi.org/10.1002/2013JA019341