Spatial Structure of Plasma Density Perturbations Excited at Altitudes of the Upper and Outer Ionosphere During F2-Layer Heating by Powerful HF Radio Waves

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The results of measurements of the spatial structure of variations in the electron concentration excited at altitudes of the Earth’s upper and outer ionosphere by modification of the F2-layer of the mid-latitude ionosphere by powerful HF radio waves of O-polarization radiated by the SURA heating facility are analyzed. The results were obtained by the method of low-orbit satellite radio tomography. The characteristics of a cavity with a reduced plasma concentration formed at altitudes near the height of reflection of a powerful radio wave, ducts with an increased plasma concentration formed at altitudes of the external ionosphere due to the displacement of plasma from the region of its strong heating along the geomagnetic field, and various wave disturbances HF-induced at ionospheric altitudes are considered. In addition, the properties of detected plasma density disturbances of a special nature, revealed in a vertical column above the SURA facility, were also studied. The sizes of studied irregularities are from several tens to several hundred kilometers, and the area of their registration extends far beyond the region of resonant interaction of a powerful O-polarized radio wave with the ionospheric plasma near the height of its reflection, where the most intense artificial ionospheric turbulence is excited.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. L. Frolov

Radio Physical Research Institute in NNSU by N.I. Lobachvsky; Kazan Federal University

Author for correspondence.
Email: frolov@nirfi.unn.ru
Russian Federation, Nizhny Novgorod;

E. S. Andreeva

Moscow State University by M.V. Lomonosov

Email: es_andreeva@mail.ru
Russian Federation, Moscow

A. M. Padokhin

Moscow State University by M.V. Lomonosov; Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation RAS

Email: padokhin@physics.msu.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow, Troitsk

References

  1. Афраймович Э.Л., Астафьева Э.И., Воейков С.И. Генерация ионосферных неоднородностей при распространении уединенной внутренней гравитационной волны во время мощной магнитной бури 29–31 октября 2003 года // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 49. № 2. С. 89‒104. 2006.
  2. Беликович В.В., Грач С.М., Караштин А.Н., Котик Д.С., Токарев Ю.В. Стенд “Сура”: исследование атмосферы и космического пространства // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 5. № 7. С. 545‒576. 2007.
  3. Бойко Г.Н., Васьков В.В., Голян С.Ф. и др. Исследование дефокусировки радиоволн в ионосфере при воздействии мощного радиоизлучения // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 28. № 8. С. 960‒971. 1985.
  4. Васьков В.В., Комраков Г.П., Рябова Н.А. Тепловые возмущения околоземной плазмы, создаваемые мощным радиоизлучением комплекса “Сура” // Геомагнетизм и аэрономия. T. 35. № 5. C. 75‒82. 1995.
  5. Вертоградов Г.Г., Вертоградова Е.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г., Комраков Г.П., Крашенинников И.В., Черкашин Ю.Н., Валов В.А., Бредихин Д.В., Макаров А.В. Кластерная структура искусственной ионосферной турбулентности по данным радарных измерений с помощью ионозонда-радиопеленгатора // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 55. № 1‒2. С. 1‒13. 2012.
  6. Гершман Б.Н. О влиянии перемещающихся возмущений на возникновение дополнительных ионосферных неоднородностей в области F // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 32. № 12. С. 1571. 1989.
  7. Григорьев Г.И. Акустико-гравитационные волны в атмосфере Земли (обзор) // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 42. № 1. С. 3‒25. 1999.
  8. Гуревич А.В., Шварцбург А.Б. Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере. М.: Наука, 272 c. 1973.
  9. Гуревич А.В., Зыбин К.П., Карлсон Х.С. Эффект магнитного зенита // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 48. № 9. С. 772‒787. 2005.
  10. Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере // УФН. Т. 177. № 11. С. 1145‒1177. 2007.
  11. Демехов А.Г. Формирование крупномасштабных возмущений при высокочастотном нагреве ионосферы: зависимость характеристик возмущений от частоты и мощности высокочастотного излучения // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 65. № 2. С. 79‒95. 2022. https://doi.org/10.52452/00213462_2022_65_02_79
  12. Ерухимов Л.М., Метелев С.А., Мясников Е.Н., Митяков Н.А., Фролов В.Л. Искусственная ионосферная турбулентность (обзор) // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 30. № 2. С. 208‒225. 1987.
  13. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С. Радиотомография ионосферы. Москва: Физматлит, 255 с. 2007.
  14. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С., Григорьев В.Ф., Романова Н.Ю., Назаренко М.О., Вапиров Ю.М., Иванов И.И. Трансконтинентальная радиотомографическая система. Результаты первых ионосферных измерений // Вестн. Московского ун-та. Серия 3: Физика, астрономия. № 6. С. 102–104. 2009
  15. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Курс теоретической физики. Т. 6. Гидродинамика. М.: Наука, 733 с. 1988.
  16. Ружин Ю.Я., Кузнецов В.Д., Пластинин Ю.А., Карабаджак Г.Ф., Фролов В.Л., Комраков Г.П., Парро М. Авроральная активность, вызванная мощным радиоизлучением стенда “Сура” // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 53. № 1. С. 46‒52. 2013. https://doi.org/10.7868/S0016794013010173
  17. Троицкий А.В., Фролов В.Л., Востоков А.В., Ракуть И.В. Радиоизлучение ридберговских атомов верхней атмосферы при ее модификации мощными КВ радиоволнами // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 62. № 10. С. 759‒768. 2019.
  18. Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Понятов А.А., Вертоградов В.Г., Кубатко С.В., Черкашин Ю.Н., Крашенинников И.В., Комраков Г.П., Валов В.А. О структуре и динамике области ионосферы с искусственными мелкомасштабными неоднородностями по данным комплексных измерений характеристик рассеянных радиосигналов // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 51. № 12. С. 1011‒1025. 2008.
  19. Фролов В.Л., Бахметьева Н.В., Беликович В.В. и др. Модификация ионосферы Земли мощным КВ радиоизлучением // УФН. Т. 177. № 3. С. 330‒340. 2007. https://doi.org/10.3367/UFNr.0177.200703j.0330
  20. Фролов В.Л. Пространственная структура возмущений плотности плазмы, индуцируемых в ионосфере при ее модификации мощными КВ радиоволнами: обзор результатов экспериментальных исследований // Солнечно-земная физика. Т. 1. № 2. С. 22‒45. 2015. https://doi.org/10.12737/10383
  21. Фролов В.Л., Рапопорт В.О., Шорохова Е.А., Белов А.С., Парро М., Рош Ж.-Л. Характеристики электромагнитных и плазменных возмущений, индуцируемых на высотах внешней ионосферы Земли при модификации F2-области мощным КВ радиоизлучением стенда СУРА // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 59. № 3. С. 198‒222. 2016.
  22. Фролов В.Л. Искусственная турбулентность среднеширотной ионосферы. Нижний Новгород: Изд. ННГУ, 468 с. 2017.
  23. Фролов В.Л., Лукьянова Р.Ю., Белов А.С., Болотин И.А., Добровольский М.Н., Рябов А.О., Шорохова Е.А. Характеристики плазменных возмущений, возбуждаемых на высотах 450–500 км при работе стенда СУРА // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 45. № 5. С. 359‒373. 2018.
  24. Фролов В.Л., Лукьянова Р.Ю., Рябов А.О., Болотин И.А. Спутниковые измерения плазменных возмущений и электрических токов, индуцируемых в среднеширотной ионосфере при ее модификации мощными КВ радиоволнами // Космические исследования. Т. 59. № 4. С. 275‒295. 2021. https://doi.org/10.31857/S0023420621040014
  25. Фролов В.Л., Андреева Е.С., Падохин А.М. Пространственная структура сверхкрупномасштабных возмущений плотности плазмы на ионосферных высотах // XXVIII Всероссийская открытая научная конференция “Распространение радиоволн”. 16–19 мая 2023 г. г. Йошкар-Ола. Тезисы докладов. С. 627‒630. 2023.
  26. Черногор Л.Ф., Фролов В.Л. Перемещающиеся ионосферные возмущения, генерируемые периодическим нагревом плазмы мощным высокочастотным радиоизлучением // Изв. вузов Радиофизика. Т. 55. № 1‒2. С. 14‒36. 2012.
  27. Черногор Л.Ф. Физика мощного радиоизлучения в геокосмосе. Харьков: Изд. ХНУ им. В.Н. Каразина, 541 с. 2014.
  28. Черногор Л.Ф., Фролов В.Л. Вариации уровня и спектра геомагнитных пульсаций, сопровождавшие воздействие на ионосферу мощным радиоизлучением стенда “Сура” // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 57. № 5. С. 378‒399. 2014.
  29. Черногор Л.Ф., Панасенко С.В., Фролов В.Л., Домнин И.Ф. Волновые возмущения в ионосфере, сопровождавшие воздействие на околоземную плазму мощным радиоизлучением: результаты наблюдений на харьковском радаре некогерентного рассеяния // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 58. № 2. С. 85‒99. 2015.
  30. Черногор Л.Ф., Гармаш К.П., Фролов В.Л. Крупномасштабные возмущения в нижней и средней ионосфере, сопровождавшие воздействие на нее радиоизлучением стенда “Сура” // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 62. № 6. С. 440‒459. 2019.
  31. Черногор Л.Ф., Фролов В.Л. Особенности крупномасштабных возмущений, индуцируемых в ионосфере мощным декаметровым радиоизлучением во время умеренных магнитных бурь // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 61. № 5. С. 618‒640. 2021. https://doi.org/10.31857/S0016794021040039
  32. Шерстюков Р.О., Фролов В.Л., Акчурин А.Д. Контроль возмущенности ионосферы над стендом “СУРА” с помощью построения двумерных карт вариаций полного электронного содержания // Изв. вузов. Физика. Т. 59. № 12‒3. С. 23‒27. 2016.
  33. Andreeva E.S., Frolov V.L., Kunitsyn V.E., Kryukovskii A.S., Lukin D.S., Nazarenko M.O., Padokhin A.M. Radiotomography and HF ray tracing of the artificially disturbed ionosphere above the SURA heating facility // Radio Sci. V. 51. № 6. P. 638‒644. 2016. https://doi.org/10.1002/2015RS005939
  34. Chernogor L.F., Blaunstein N. Radiophysical and geomagnetic effects of rocket burn and launch in the near the Earth environment. New York: Taylor and Francis Group, 542 p. 2013.
  35. Fallen C.T., Secan J.A., Watkins B.J. In situ measurements of topside ionosphere electron density enhancements during an HF-modification experiment // Geophys. Res. Lett. V. 38. № 8. ID L08101. 2011. https://doi.org/10.1029/2011GL046887
  36. Frolov V.L., Troitsky A.V. HF-induced artificial injection of energetic electrons from the Earth’s radiation belt as a powerful source for modification of ionized and neutral components of the Earth’s atmosphere // Atmosphere. V. 14. № 5. ID 843. 2023. https://doi.org/10.3390/atmos14050843
  37. Gurevich A.V. Nonlinear phenomena in the ionosphere. New York: Springer, 372 p. 1978.
  38. Hansen J.D., Morales G.J., Maggs J.E. Large-scale HF-induced ionospheric modifications: theory and modeling // J. Geophys. Res. ‒ Space. V. 97. N 11. P. 17019‒17032. 1992. https://doi.org/10.1029/92JA01603
  39. Kunitsyn V.E., Andreeva E.S., Frolov V.L., Komrakov G.P., Nazarenko M.O., Padokhin A.M. Sounding of HF heating-induced artificial ionospheric disturbances by navigation satellite radio transmissions // Radio Sci. V. 47. № 4. ID RS0L15. 2012. https://doi.org/10.1029/2011RS004957
  40. Lukianova R., Frolov V., Ryabov A. First SWARM observations of the artificial ionospheric plasma disturbances and field-aligned currents induced by the SURA power HF heating // Geophys. Res. Lett. V. 46. № 22. P. 12731–12738. 2019. https://doi.org/10.1029/2019GL085833
  41. Medvedev A.V., Ratovsky K.G., Tolstikov M.V., Oinats A.V., Alsatkin S.S., Zherebtsov G.A. Relation of internal gravity wave anisotropy with neutral wind characteristics in the upper atmosphere // J. Geophys. Res. ‒ Space. V. 122. № 7. P. 7567‒7580. 2017. https://doi.org/10.1002/2017JA024103
  42. Milikh G.M., Mishin E., Galkin I., Vartanyan A., Roth C., Reinisch B.W. Ion outflows and artificial ducts in the topside ionosphere at HAARP // Geophys. Res. Lett. V. 37. № 18. ID L18102. 2010. https://doi.org/10.1029/2010GL044636
  43. Milikh G.M., Demekhov A., Vartanyan A., Mishin E.V., Huba J. A new model for formation of artificial ducts due to ionospheric HF-heating // Geophys. Res. Lett. V. 39. № 10. ID L10102. 2012. https://doi.org/10.1029/2012GL051718
  44. Mishin E., Sutton E., Milikh G., Galkin I., Roth C., Forster M. F2-region atmospheric gravity waves due to high-power HF heating and subauroral polarization stream // Geophys. Res. Lett. V. 39. № 11. ID L11101. 2012. https://doi.org/10.1029/2012GL052004
  45. Pradipta R., Lee M.C., Cohen J.A., Watkins B.J. Generation of artificial acoustic-gravity waves and travelling ionospheric disturbances in HF heating experiments // Earth Moon Planets. V. 116. № 1. P. 67‒78. 2015. https://doi.org/10.1007/s11038-015-9461-2
  46. Rietveld M.T., Kosch M.J., Blagoveshchenskaya N.F., Kornienko V.A., Leyser T.B., Yeoman T.K. Ionospheric electron heating, optical emissions, and striations induced by powerful HF radio waves at high latitudes: Aspect angle dependence // J. Geophys. Res. ‒ Space. V. 108. № 4. ID 1141. 2003. https://doi.org/10.1029/2002JA009543
  47. 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. V. 214. № 8. ID 118. 2018. https://doi.org/10.1007/s11214-018-0549-7
  48. Vartanyan A., Milikh G.M., Mishin E., Parrot M., Galkin I., Reinisch B., Huba J., Joyce G., Papadopoulos K. Artificial ducts caused by HF heating of the ionosphere by HAARP // J. Geophys. Res. ‒ Space. V. 117. № 10. ID A10307. 2012. https://doi.org/10.1029/2012JA017563
  49. Vas’kov V.V., Dimant Y.S., Ryabova N.A. Magnetospheric plasma thermal perturbations induced by resonant heating of the ionospheric F-region by high-power radio waves // Adv. Space Res. V. 13. № 10. P. 1025‒1033. 1993. https://doi.org/10.1016/0273-1177(93)90047-F
  50. Zhang X., Frolov V., Shen X., Wang Y., Zhou C., Lu H., Huang J., Ryabov A., Zhai D. The electromagnetic emissions and plasma modulations at middle latitudes related to SURA-CSES experiments in 2018 // Radio Sci. V. 55. № 8. ID e2019RS007040. 2020. https://doi.org/10.1029/2019RS007040

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Radio tomogram obtained on 18.08.2011 at 22:48 Moscow time (bottom). The four upper panels show the electron concentration profiles at altitudes of 300, 400, 600 and 800 km (top to bottom).

Download (654KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Radio tomogram obtained on September 9, 2014 at 00:45 Moscow time. The four upper panels show the electron concentration profiles at altitudes of 310, 410, 610 and 810 km (from top to bottom).

Download (600KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Radio tomogram obtained on 21.08.2010 at 20:24 Moscow time. The four upper panels show the electron concentration profiles at altitudes of 300, 420, 600 and 810 km (from top to bottom).

Download (592KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Radio tomogram obtained on September 25, 2017 at 18:37 Moscow time. The four upper panels show the electron concentration profiles at altitudes of 310, 410, 610 and 810 km (from top to bottom).

Download (559KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Radio tomogram obtained on March 25, 2014 at 22:49 Moscow time. The four upper panels show the electron concentration profiles at altitudes of 300, 400, 600 and 800 km (from top to bottom).

Download (645KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences