Parameters of large-scale thermal disturbances of near-Earth plasma during implementation of promising power levels of the Sura mid-latitude heating facility
- Authors: Belov A.S.1
-
Affiliations:
- Branch of FSUE RFNC-VNIIEF «NIIIS named after Yu.E. Sedakov»
- Issue: Vol 28, No 3 (2025)
- Pages: 80-88
- Section: Articles
- URL: https://journal-vniispk.ru/1810-3189/article/view/343633
- DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2025.28.3.80-88
- ID: 343633
Cite item
Full Text
Abstract
Background. The generation and development of experimental facilities for research in the field of near-Earth plasma physics is an extremely urgent task. The Sura short-wave heating stand is the only operating mid-latitude research facility in the world on the active effect on the Earth’s ionosphere. The new physical results obtained at the HAARP, which has a higher transmitter radiation power, stimulate work to assess the possibilities of upgrade and determine the achievable parameters of near-Earth plasma perturbations for other facilities including the Sura stand. Aim. Numerical simulation and analysis of achievable parameters of large-scale thermal disturbances of near-Earth plasma during facility upgrading and promising power levels implementation of the Sura stand. Methods. The simulation was conducted using open source SAMI2 code supplemented by an upgraded heating source model using direct calculation of the abnormal absorption coefficient to approximate the cold plasma at the Gaussian spectrum of elongated inhomogeneities. Results. Exposure results for both daytime and late evening hours were investigated. For daytime conditions it was obtained that the promising power levels implementation at the Sura facility results in an almost twofold increase of the density and electrons temperature perturbations in the artificial duct region at the Earth’s outer ionosphere heights. For late evening conditions it is obtained that the upgrade of the heating facility also results in a twofold increase of electron temperature perturbations. At the same time, the increase of the electron density relative perturbations level is not so significant and at most 20% relative to the actual facility characteristics. Conclusion. It has been shown that the generated thermal perturbation parameters are non-linearly dependent on the radiation power of the pump wave and their growth is saturated due to the plasma redistribution in the abnormal absorption region.
Full Text
Введение
Создание и развитие установок для исследований в области физики околоземной плазмы является крайне актуальной задачей. Интерес к данному направлению обусловлен как разнообразными практическими приложениями, включающими активную диагностику и мониторинг состояния околоземного пространства, задачи телекоммуникаций и радиолокации, так и необходимостью решения фундаментальной задачи построения полной физической картины развивающихся явлений в неоднородной магнитоактивной плазме [1; 2].
В настоящее время коротковолновый нагревный стенд «Сура» [3] (56,15° N, 46,11° E) является единственной в мире действующей среднеширотной исследовательской установкой по активному воздействию на околоземную плазму. Расположение стенда в средних широтах позволяет обеспечить высокую воспроизводимость и достоверность получаемых результатов, т. к. экваториальная и высокоширотная области ионосферы Земли значительно сильнее подвержены разнообразным геофизическим возмущениям [4; 5].
Действующий нагревный стенд «Сура» включает в себя три коротковолновых передатчика ПКВ-250 с непрерывной мощностью излучения 250 кВт каждый 750 кВт), нагруженных на фазированную антенную решетку, состоящую из 144 горизонтальных скрещенных широкополосных вибраторов. Максимальная эффективная излучаемая мощность стенда в диапазоне частот 4,3–9,5 МГц составляет 80–280 МВт соответственно.
В последнее время на нагревном стенде HAARP был получен ряд новых эффектов [6; 7], обусловленных в значительной мере более высокой мощностью излучения передатчиков стенда 3,6 МВт, 400–3000 МВт).
Таким образом, планка научных достижений, реализованных на установке HAARP, стимулирует работы по оценке возможностей модернизации и других существующих исследовательских установок, в том числе нагревного стенда «Сура».
В работе [8] на основе анализа существующей инфраструктуры и имеющихся научно-технологических возможностей определены облик и практически реализуемые технические характеристики нагревного стенда «Сура».
Одним из наиболее значимых эффектов воздействия мощного КВ-радиоизлучения на околоземную плазму является формирование вытянутых вдоль геомагнитного поля крупномасштабных искусственных плазменно-волновых структур (дактов плотности), оказывающих существенное влияние на распространение низкочастотных радиоволн.
Целью настоящей работы является проведение численного моделирования и анализ достижимых параметров таких крупномасштабных возмущений околоземной плазмы при проведении модернизации установки и реализации перспективных уровней мощности излучения стенда «Сура».
Для проведения анализа целесообразно выбрать характерный день, соответствующий спокойным геомагнитным условиям. В качестве этого дня был определен сеанс 13 марта 2023 г., характеризуемый очень низким значением суммарного планетарного индекса геомагнитной возмущенности При этом отдельно рассмотрены эффекты воздействия в дневных условиях (09:00 UT соответствует 12:00 LT) и условиях, соответствующих поздним вечерним часам (18:00 UT, 21:00 LT).
1. Расчетная ионосферная модель
Несмотря значительное разнообразие численных моделей ионосферы Земли, практически все исследования по моделированию эффектов ее нагрева мощным КВ-радиоизлучением [9–12], проводимые в последние два десятилетия, базировались на двухмерной модели SAMI2 [13], обладающей открытым исходным программным кодом и позволяющей описывать динамику околоземной плазмы в области всей возмущенной геомагнитной силовой трубки.
Данная двухмерная ионосферная модель SAMI2, дополненная модифицированной моделью источника нагрева [14], использующей непосредственный расчет коэффициента аномального поглощения для приближения холодной плазмы при гауссовом спектре вытянутых неоднородностей, использована и в настоящей работе.
Для сеанса 13.03.2023 значения основных параметров моделирования, определяющих состояние ионосферы, составляют: планетарный магнитный индекс индекс солнечной активности 100. Параметры расчетной сетки, описывающие, соответственно, количество ячеек вдоль геомагнитного поля и число силовых линий составляют (801, 402), что позволяет обеспечить компромисс между вычислительными возможностями и достигаемым пространственным разрешением.
Моделирование источника нагрева проводилось для мелкомасштабных неоднородностей гауссовой формы с величиной возмущения концентрации характерным масштабом 0,2 м и значением расстояния между неоднородностями 1,2 м. Данные параметры неоднородностей обеспечивают аномальное поглощение мощной радиоволны накачки за счет локального возбуждения необыкновенной Z-моды и коротковолновых плазменных колебаний [15].
В качестве характеристик воздействующего КВ-радиоизлучения в модели выступают: мощность передатчиков нагревного стенда частота излучения и угловой поперечный размер области нагрева время нагрева.
При проведении моделирования нагревный стенд «Сура» включался на 20 мин в 09:00 UT для дневных условий и в 18:00 UT для условий, соответствующих поздним вечерним часам. Это значение времени нагрева в соответствии с [16; 17] является достаточным для развития искусственной ионосферной турбулентности не только в области аномального поглощения волны накачки, но и на высотах внешней ионосферы Земли.
Численное моделирование запускалось на 26 часов. Для уменьшения влияния инициализации дополнительный источник нагрева в уравнении теплопроводности для электронов «включался» через 22 часа по отношению к началу моделирования.
2. Результаты численного моделирования крупномасштабных тепловых возмущений околоземной плазмы в дневных условиях
Следует отметить, что ранее при действующих характеристиках нагревного стенда «Сура» для дневных сеансов крупномасштабные плазменно-волновые возмущения на высотах внешней ионосферы Земли не регистрировались.
Для 13.03.2023 и момента времени 09:00 UT критическая частота F2-области ионосферы = 12 МГц, поэтому воздействие целесообразно проводить на максимальной рабочей частоте стенда 9,5 МГц.
Для действующих параметров стенда мощность излучения передатчиков на данной частоте 750 кВт, а размер области нагрева на высоте отражения волны накачки 240 км составляет 0,12°.
После проведения модернизации ожидается, что мощность излучения передатчиков на частоте 9,5 МГц будет составлять 2400 кВт, а = 0,1°.
На рис. 1 и 2 представлены полученные при моделировании распределения плотности и температуры электронов для различных моментов времени (кривая (1) – непосредственно перед включением источника нагрева 09:00:00 UT, кривая (2) – 09:10:00 UT, кривая (3) – выключения нагрева 09:20:00 UT, кривая (4) – спустя 10 мин после выключения источника нагрева 09:30:00 UT) во внешней ионосфере Земли на высотах 700 и 1500 км. В левом столбце рис. 1 и 2, а и б представлены результаты моделирования для действующих параметров нагрева, а в правом столбце (в и г) – для параметров после проведения модернизации стенда.
Рис. 1. Широтные профили распределений плотности (а и в) и температуры электронов (б и г) на h=700 км для следующих моментов времени: 09:00:00 UT (1), 09:10:00 UT (2), 09:20:00 UT (3) и 09:30:00 UT (4)
Fig. 1. Latitudinal profiles of density (a and c) and electron temperature (b and d) distributions at h=700 km for the following time points: 09:00:00 UT (1), 09:10:00 UT (2), 09:20:00 UT (3) and 09:30:00 UT (4)
Рис. 2. Широтные профили распределений плотности (а и в) и температуры электронов (б и г) на h=1500 км для тех же моментов времени, что и на рис. 1
Fig. 2. Latitudinal profiles of density (a and c) and electron temperature (b and d) distributions at h=1500 km for the same time points as in Fig. 1
В дневных условиях критическая частота F2-области ионосферы значительно превышает частоту воздействующего КВ-радиоизлучения, что приводит к тому, что нагрев осуществляется на существенно меньших высотах, чем максимум F2-области, и «пробоя» ионосферы в результате воздействия не наблюдается.
Во внешней ионосфере Земли возмущения плотности и температуры электронов реализуются в виде локализованной структуры (дакта) с повышенными относительно фонового уровня значениями и
В соответствии с представленными на рис. 1 и 2 данными, видно, что уровень возмущений как для действующих параметров стенда, так и после проведения модернизации является достаточно малым.
Максимальные значения за время нагрева относительных возмущений плотности
и температуры электронов
– максимальные значения плотности и температуры электронов в возмущенной области, а – их фоновые значения) для высоты 700 км составляют для действующих параметров стенда (см. рис. 1): 1,2 %, а 1,7 %. Характерный поперечный размер дакта плотности плазмы на высоте 700 км – порядка 70 км. Столь малые значения возмущений при действующих характеристиках нагревного стенда «Сура» и обусловили тот факт, что они терялись в уровне шумовых сигналов.
После реализации перспективных уровней мощности нагревного стенда «Сура» значения относительных возмущений плотности и температуры электронов составят: 2,3 %, а 3 %. Данные параметры возмущений, вероятно, будет уже возможно зарегистрировать при проведении непосредственных in situ измерений с помощью высокочувствительной аппаратуры искусственных спутников Земли (для утренних сеансов воздействия мощного КВ-радиоизлучения нагревного стенда «Сура» экспериментально зарегистрированы с использованием спутников серии DMSP относительные возмущения плотности плазмы величиной ~ 3 % [16]).
При увеличении значения высоты во внешней ионосфере Земли возмущения продолжают наблюдаться в виде такого же локализованного дакта. Для высоты 1500 км (см. рис. 2) значения максимальных относительных возмущений плотности и температуры электронов составляют: 0,6 % и 0,6 %, а после проведения модернизации: = 1,5 % и 1,8 %. Характерный поперечный размер дакта несколько увеличивается, достигая на высоте 1500 км величины 80–90 км.
Приведенные на рис. 1 и 2 (кривые 4) результаты моделирования показывают, что возмущения температуры успевают релаксировать после прекращения нагрева за время порядка 10 мин, в свою очередь, с возмущениями плотности электронов этого не происходит (время релаксации возмущений составляет более 30 мин).
3. Результаты численного моделирования крупномасштабных тепловых возмущений околоземной плазмы в ночных условиях
Поздние вечерние (ночные) часы являются оптимальным временем суток для формирования искусственных дактов плотности плазмы [16].
Для момента времени 18:00 UT 13.03.2023 критическая частота F2-области ионосферы составляет 5,9 МГц. В целях обеспечения нагрева в отсутствии пробоя ионосферы воздействие целесообразно проводить на нижней рабочей частоте стенда 4,3 МГц.
Для действующих параметров стенда размер области нагрева на высоте отражения волны накачки 260 км составляет 0,27°, а после проведения модернизации при увеличении мощности излучения передатчиков с 700 кВт до = 2400 кВт характерный поперечный размер зоны воздействия 0,23°.
На рис. 3 и 4 представлены полученные при моделировании распределения плотности и температуры электронов для различных моментов времени (кривая (1) – непосредственно перед включением источника нагрева 18:00:00 UT, кривая (2) – 18:10:00 UT, кривая (3) – выключения нагрева 18:20:00 UT, кривая (4) – спустя 10 мин после выключения источника нагрева 18:30:00 UT) во внешней ионосфере Земли на высотах 700 и 1500 км. В левом столбце рис. 3 и 4, а и б представлены результаты моделирования для действующих параметров нагрева, а в правом столбце (в и г) – для параметров после проведения модернизации стенда, аналогично как и для рис. 1 и 2.
Рис. 3. Широтные профили распределений плотности (а и в) и температуры электронов (б и г) на h=700 км для следующих моментов времени: 18:00:00 UT (1), 18:10:00 UT (2), 18:20:00 UT (3) и 18:30:00 UT (4)
Fig. 3. Latitudinal profiles of density (a and c) and electron temperature (b and d) distributions at h=700 km for the following time points: 18:00:00 UT (1), 18:10:00 UT (2), 18:20:00 UT (3) and 18:30:00 UT (4)
Рис. 4. Широтные профили распределений плотности (а и в) и температуры электронов (б и г) на h=1500 км для тех же моментов времени, что и на рис. 3
Fig. 4. Latitudinal profiles of density (a and c) and electron temperature (b and d) distributions at h=1500 km for the same time points as in Fig. 3
В соответствии с представленными на рис. 3 и 4 данными видно, что уровень возмущений как для действующих параметров стенда, так и после проведения модернизации значительно вырос по сравнению с дневными часами.
Для высоты 700 км возмущения плотности и температуры электронов наблюдаются в течение всего времени нагрева в виде локализованной структуры (дакта) с повышенными относительно фонового уровня значениями и Максимальные значения за время воздействия (для = 18:20:00 UT) относительных возмущений плотности и температуры электронов на высоте 700 км составляют для действующих параметров стенда (см. рис. 3): 19 % и 27 %. Характерный поперечный размер дакта плотности плазмы на высоте 700 км также возрос по сравнению с дневными часами (видимо, из-за увеличения размера источника нагрева в F2-области ионосферы) и составляет порядка 130 км.
После реализации перспективных уровней мощности излучения стенда «Сура» расчетные значения возмущений для той же высоты и момента времени составят: 23 % и 55 %, а ширина дакта 140 км. Таким образом, модернизация нагревного стенда приводит к двукратному возрастанию возмущений температуры электронов в области искусственного дакта плотности на данной высоте. В то же время увеличение уровня относительных возмущений плотности электронов не столь значительное и составляет не более 20 % относительно действующих характеристик стенда.
Для больших значений высот во внешней ионосфере Земли возмущения плотности плазмы продолжают наблюдаться в виде локализованного дакта, однако со структурой, изменяющейся в течение времени нагрева и носящей более сложный характер.
В верхней части внешней ионосферы на высоте 1500 км в первой фазе нагрева (длительностью порядка 10 мин) за счет вытеснения плазмы из области аномального поглощения волны накачки в F2-области ионосферы возмущения плотности наблюдаются в виде дакта с повышенными относительно фонового уровня значениями. Максимальные значения относительных возмущений плотности и температуры электронов составляют для действующих параметров стенда: 3 % и 4 %, а после проведения модернизации: 5 % и 9 %.
Далее, вероятно, из-за того, что на данных высотах основной вклад в плотность плазмы вносят ионы H+ и He+, вытеснение этих ионов из возмущенной области за счет возрастания температуры электронов уже не компенсируется более тяжелыми компонентами O+ и NO+, приходящими с более низких высот ионосферы. В результате это приводит к формированию на данных высотах области с пониженной плотностью плазмы. К моменту окончания нагрева для 18:20:00 UT величина относительного уровня понижения плотности электронов составляет для действующих параметров стенда –4 %, а после проведения модернизации –11 %. При этом в возмущенной области наблюдается рост температуры электронов, достигающий 6 % для действующих и 15 % для перспективных параметров нагревного стенда «Сура».
Локализованные в области данной силовой трубки геомагнитного поля возмущения плотности и температуры плазмы распространяются далее и на большие высоты в ионосфере и магнитосфере Земли, формируя таким образом крупномасштабную плазменно-волновую неоднородную структуру, существенным образом влияющую на трансионосферное прохождение низкочастотных волн, возбуждаемых наземными (передатчиками) или атмосферными (грозами) источниками [18; 19].
Заключение
По результатам численного моделирования исследованы параметры крупномасштабных тепловых возмущений околоземной плазмы, индуцируемых мощным коротковолновым радиоизлучением нагревного стенда «Сура» в околоземной плазме при проведении его модернизации и реализации перспективных уровней мощности. С целью проведения сравнительного анализа моделирование выполнено также и для действующих характеристик стенда.
Численное моделирование тепловых возмущений проводилось с помощью двухмерной ионосферной модели SAMI2, дополненной модифицированной моделью источника нагрева.
Рассмотрены эффекты воздействия как в дневные часы, так и в условиях, соответствующих позднему вечернему времени.
Для дневных условий показано, что увеличение мощности передатчиков нагревного стенда «Сура» более чем в 3 раза влечет практически двукратное возрастание возмущений плотности и температуры электронов в области искусственного дакта на высотах внешней ионосферы Земли. Однако данные параметры возмущений, вероятно, будет уже возможно зарегистрировать при проведении непосредственных in situ измерений с помощью высокочувствительной аппаратуры искусственных спутников.
Моделирование для условий позднего вечернего времени показало, что осуществление модернизации нагревного стенда приводит также к двукратному возрастанию возмущений температуры электронов. При этом увеличение уровня относительных возмущений плотности электронов не столь значительное и составляет не более 20 % относительно действующих характеристик стенда.
Финансирование
Работа выполнена в рамках научной программы Национального центра физики и математики (направление «Ядерная и радиационная физика», этап 2023–2025).
About the authors
Alexey S. Belov
Branch of FSUE RFNC-VNIIEF «NIIIS named after Yu.E. Sedakov»
Author for correspondence.
Email: alexis-belov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0533-3771
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, deputy head of the Research Division – Head of the Research Department,
Research interests: radiophysics, applied electrodynamics, active impacts on the near-earth plasma
Russian Federation, 47, Tropinin Street, Nizhny Novgorod, 603137References
- V. G. Mizonova, E. G. Degterev, and G. M. Sokolova, “Influence of density variations of ionosphere plasma on the conditions of electromagnetic whistler waves propagation in the ionosphere,” Physics of Wave Processes and Radio Systems, vol. 27, no. 3, pp. 7–16, 2024, doi: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2024.27.3.7-16. (In Russ.)
- A. S. Belov, “Features of generation and propagation of the extremely low frequency waves excited in the ionosphere under the powerful HF radioemission influence,” Physics of Wave Processes and Radio Systems, vol. 24, no. 4, pp. 53–62, 2021, doi: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2021.24.4.53-62. (In Russ.)
- V. V. Belikovich et al., “The “Sura” facility: Study of the atmosphere and space (a review),” Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Radiofizika, vol. 50, no. 7, pp. 545–576, 2007, url: https://www.elibrary.ru/iciqaz. (In Russ.)
- B. G. Fejer, “The equatorial ionospheric electric fields: A review,” Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, vol. 43, no. 5, pp. 377–386, 1981, doi: https://doi.org/10.1016/0021-9169(81)90101-x.
- R. T. Tsunoda, “High-latitude F region irregularities: a review and synthesis,” Reviews of Geophysics, vol. 26, no. 4, pp. 719–760, 1988, doi: https://doi.org/10.1029/RG026i004p00719.
- T. Pedersen et al., “Creation of artificial ionospheric layers using high-power HF waves,” Geophysical Research Letters, vol. 37, no. 2, p. L02106, 2010, doi: https://doi.org/10.1029/2009GL041895.
- D. Piddyachiy et al., “DEMETER observations of an intense upgoing column of ELF/VLF radiation excited by the HAARP HF heater,” Journal of Geophysical Research, vol. 113, no. A10, p. A10308, 2008, doi: https://doi.org/10.1029/2008JA013208.
- S. D. Snegirev et al., The concept of the FGBNU NIRFI to modernize the Sura stand, preprint no. 548. Nizhniy Novgorod: FGBNU NIRFI, 2013. (In Russ.)
- R. P. Perrine et al., “An interhemispheric model of artificial ionospheric ducts,” Radio Science, vol. 41, no. 4, p. RS4002, 2006, doi: https://doi.org/10.1029/2005RS003371.
- G. M. Milikh et al., “Model for artificial ionospheric duct formation due to HF heating,” Geophysical Research Letters, vol. 37, no. 7, p. L07803, 2010, doi: https://doi.org/10.1029/2010GL042684.
- G. M. Milikh et al., “A new model for formation of artificial ducts due to ionospheric HF-heating,” Geophysical Research Letters, vol. 39, no. 10, p. L10102, 2012, doi: https://doi.org/10.1029/2012GL051718.
- A. G. Demekhov, “The formation of large-scale disturbances with high-frequency heating of the ionosphere: The dependence of the characteristics of disturbances on the frequency and power of high-frequency radiation,” Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Radiofizika, vol. 65, no. 2, pp. 79–95, 2022, doi: https://doi.org/10.52452/00213462-2022-65-02-79. (In Russ.)
- J. D. Huba et al., “Sami2 is another model of the ionosphere (SAMI2): A new low-latitude ionosphere model,” Journal of Geophysical Research, vol. 105, no. A10, pp. 23035–23053, 2000, doi: https://doi.org/10.1029/2000JA000035.
- A. S. Belov, “Modeling large-scale disturbances of near-Earth plasma when exposed to powerful short -wave radio radiation of the heating stand “Sura”,” Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Radiofizika, vol. 64, no. 6, pp. 430–444, 2021, doi: https://doi.org/10.52452/00213462-2021-64-06-430. (In Russ.)
- V. V. Vas’kov and N. A. Ryabova, “Anomalous absorption of radio waves by small-scale magnetic-field-aligned irregularities,” Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Radiofizika, vol. 48, no. 3, pp. 181–197, 2005, url: https://www.elibrary.ru/hmrgdt. (In Russ.)
- V. L. Frolov et al., “Density ducts formed by heating the Earth’s ionosphere with high-power HF radio waves,” Pis’ma v ZhETF, vol. 88, no. 12, pp. 908–913, 2008, url: https://www.elibrary.ru/mtyksv. (In Russ.)
- V. L. Frolov et al., “Features of the electromagnetic and plasma disturbances induced at the altitudes of the Earth’s outer ionosphere by modification of the ionospheric F2 region using high-power radio waves radiated by the SURA heating facility,” Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Radiofizika, vol. 59, no. 3, pp. 198–222, 2016, url: https://www.elibrary.ru/whenif. (In Russ.)
- V. O. Rapoport et al., “VLF electromagnetic field structures in ionosphere disturbed by Sura RF heating facility,” Journal of Geophysical Research, vol. 115, no. A10, p. A10322, 2010, doi: https://doi.org/10.1029/2010JA015484.
- J. R. Woodroffe et al., “Whistler propagation in ionospheric density ducts: simulations and DEMETER observations,” Journal of Geophysical Research, vol. 118, no. 11, pp. 7011–7018, 2013, doi: https://doi.org/10.1002/2013JA019445.
Supplementary files






