Химическая физика, 2022, T. 41, № 10, стр. 38-64

Характеристики стенда СУРА

Уже в первых экспериментах по модификации ионосферы, начатых в 1961 г. на стенде НИИ Радио (Москва, СССР) [17] и продолженных в 1970 г. на стендах “Боулдер” (Колорадо, США) [18, 19] и “Аресибо” (Пуэрот-Рико, США) [2] и в 1973 г. на стенде “Зимёнки” (Горький, СССР) [20], помимо ожидаемых изменений температуры и концентрации плазмы в масштабе диаграммы направленности излучения пучка мощных радиоволн, был обнаружен ряд новых явлений, связанных, в первую очередь, с генерацией искусственных высокочастотных плазменных колебаний и искусственных ионосферных неоднородностей (ИИН) различных масштабов. Выполненные широкомасштабные исследования характеристик и свойств ИИТ, возбуждаемой в ионосфере при воздействии на нее мощными радиоволнами коротковолнового (КВ) диапазона, позволили установить, что, помимо ожидаемых омического нагрева плазмы и самофокусировочной неустойчивости мощной радиоволны, в областях плазменных резонансов вблизи уровня отражения волны накачки (ВН) обыкновенной поляризации развиваются стрикционная и тепловая (резонансная) параметрические неустойчивости. Это приводит к возбуждению интенсивных высокочастотных плазменных колебаний, сильному разогреву в этой резонансной области электронов и генерации ИНН концентрации плазмы с размерами l_⊥ поперек линий геомагнитного поля от долей метра до десятков метров, которые оказывают существенное влияние на свойства распространяющихся через возмущенную область (ВО) ионосферы радиоволн различных диапазонов [1, 2, 4, 17–20].

В 1981 г. вступили в строй стенд EISCAT-heater (Северная Норвегия) в авроральных широтах и стенд СУРА (Н. Новгород, Россия) в средних широтах; с конца 90-х годов начались эксперименты на высокоширотном стенде HAARP (Аляска, США). Описание этих стендов приведено в обзоре [6]. В проводимых на этих стендах экспериментах, в частности, было показано, что при модификации ночной F2-области ионосферы мощными радиоволнами в центральной части возмущенной области (ВО_ц) ионосферы в области магнитного зенита наблюдаются разогрев электронов плазмы в 2–3 раза (до 3000 К) и формирование полости с уменьшенной на ~20% концентрацией плазмы (фокусирующей линзы) [6, 13]. Выталкивание плазмы вверх вдоль силовых линий геомагнитного поля является причиной формирования на высотах внешней ионосферы дакта (крупномасштабной неоднородности) с увеличенной плотностью плазмы [21, 22]. Перераспределение плазмы при ее разогреве мощными радиоволнами приводит к возбуждению электрических токов, втекающих в центральной части ВО ионосферы и вытекающих по ее периферии [23, 24]. Такая картина отвечает униполярной диффузии электронов и ионов, когда электроны движутся вдоль силовых линий геомагнитного поля, формируя продольные компоненты токов, а ионы – поперек, формируя их поперечные компоненты; внизу поперечные токи замыкаются в высокопроводящей Е-области ионосферы, а вверху – по фоновой плазме верхней и внешней ионосферы. В дневных условиях разогрев плазмы на высотах 130–170 км приводит здесь к росту концентрации плазмы и формированию дефокусирующей линзы [1].

В последние годы нагревные эксперименты по модификации ионосферы мощными радиоволнами КВ-диапазона активно проводятся на трех стендах: на стенде СУРА в средних широтах, на стенде HAARP (Аляска, США) в высоких широтах в зоне главного ионосферного провала и на стенде “EISCAT-heater” в авроральных широтах. Их характеристики и полученные на них наиболее важные результаты исследований так же приведены в обзоре [6].

Продолжающиеся уже более чем 50 лет целенаправленные исследования в области взаимодействия мощного КВ-радиоизлучения с плазмой, проводимые в России, США и странах Западной Европы, позволили выявить основные закономерности развития ИИТ и построить эмпирические и теоретические модели развития основных ее компонент. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что наиболее эффективное ее возбуждение наблюдается при модификации F2-области ионосферы волнами обыкновенной поляризации, когда имеет место их резонансное взаимодействие с магнитоактивной плазмой, характеризующееся возбуждением стрикционной и тепловой (резонансной) параметрических неустойчивостей [1]. Был обнаружен и изучен эффект “магнитного зенита” – эффект усиления генерации ИИТ при распространении мощной радиоволны вдоль силовых линий геомагнитного поля в области ее взаимодействия с плазмой [5, 6, 13]. Полученные здесь результаты, в первую очередь, касаются ВО_ц, положение и размеры которой в горизонтальной плоскости определяются диаграммой направленности излучения мощной радиоволны; на уровне F2-слоя размеры ВО_ц ионосферы в зависимости от частоты и мощности излучения ВН составляют 50–100 км. Размер ВО_ц по вертикали (правильнее – вдоль геомагнитного поля) при модификации F2-области составляет от нескольких сот метров до десятков километров в зависимости от типа возбуждаемой турбулентности [5].

Выполненные в последние годы на стенде СУРА эксперименты позволили обнаружить и исследовать эффект искусственной инжекции энергичных электронов из радиационного пояса Земли на ионосферные высоты за счет влияния на ионосферно-магнитосферные связи генерации ИИТ при модификации F2-области ионосферы. В разд. 2 работы будут подробно рассмотрены характеристики такой инжекции и ее влияние на свойства ионизированной и нейтральной компонент атмосферы Земли.

Все рассматриваемые в данной работе эксперименты были выполнены на нагревном стенде СУРА в НИРФИ ННГУ им. Н.И. Лобачевского (г. Н. Новгород, Россия). Стенд расположен приблизительно в 100 км к востоку от г. Н. Новгород; его координаты: 56.15° с.ш., 46.1° в.д. (параметр Мак-Илвайна L ≈ 2.7). Стенд имеет трехмодульную структуру. Каждый модуль состоит из генерирующего ВЧ-мощность до 250 кВт радиопередатчика ПКВ-250, который нагружен на свою антенную решетку, состоящую из 12 × 4 широкополосных скрещенных диполей и вытянутую поперек геомагнитного меридиана. Стенд может излучать волны обыкновенной (О) и необыкновенной (Х) поляризаций в диапазоне частот от 4.3 до 9.5 МГц. Модули стенда могут работать независимо или объединяться в режиме когерентного излучения любыми двумя или всеми тремя модулями вместе. В последнем случае решетка состоит из 144 диполей, занимающих площадь 300 × 300 м². Максимальная эффективная мощность излучения стенда при этом составляет P_ef = P₀G ≈ 80 МВт (P₀ – максимальная мощность, генерируемая передатчиками стенда; G – коэффициент усиления передающей антенны стенда) на частотах ƒ_ВН ≈ 4300 кГц и ∼280 МВт на частотах ƒ_ВН ≈ 9300 кГц, увеличиваясь с ростом частоты ВН. Диаграмма направленности антенны стенда в плоскости магнитного меридиана может отклоняться от вертикали в пределах ±40°. Для увеличения эффективности взаимодействия мощной радиоволны с плазмой за счет эффекта “магнитного зенита” [13] часто используется модификация ионосферы не вертикальным, а наклоненным на 12°–14° от вертикали на юг пучком мощных радиоволн. При таком наклоне координаты центра пятна засвеченной мощными радиоволнами области ионосферы на высоте 250 км составляют φ = 55.7° с.ш. и λ = 46° в.д.; само пятно засветки ионосферы мощными радиоволнами при ƒ_ВН ≈ ≈ 4300 кГц имеет диаметр ~60 км по уровню 0.5Р_max. Более подробные характеристики стенда приведены в работе [25].

Стенд СУРА является на сегодня единственной в мире действующей установкой, расположенной в средних широтах, где сильные естественные геомагнитные возмущения являются достаточно редким событием. Этим он отличается от стендов EISCAT-heater и HAARP, расположенных на более высоких широтах, в которых сильные естественные возмущения в ионосфере и магнитосфере Земли значительно затрудняют проведение экспериментов и усложняют интерпретацию наблюдаемых явлений. Надо также иметь в виду, что стенд HAARP по своему положению попадает в область главного ионосферного провала со своими специфическими свойствами ионосферы.

2.1. Характеристики инжекции энергичных электронов из радиационного пояса Земли на высоты ионосферы в условиях модификации ее F₂-области мощными радиоволнами КВ-диапазона. Измерения в поздние вечерние и ночные часы

Эти измерения были выполнены в 2005–2010 гг. в рамках программы СУРА–DEMETER. Спутник пролетал над стендом СУРА около 18:30 UT или в поздние вечерние или ночные часы в зависимости от сезона, когда проводились эксперименты. На рис. 1 приведен пример регистрации 14 мая 2010 г. высокого уровня искусственной инжекции энергичных электронов на ионосферные высоты. Этот сеанс измерений проводился в спокойных геомагнитных условиях с ΣK_р = 4–5 и АЕ ≤ 100 нТл. Внизу черным треугольником отмечено время и координаты, когда спутник пролетал наиболее близко к центру возмущенной магнитной силовой трубки (приблизительно в 28 км от него). В этом эксперименте условия модификации ионосферной плазмы были близки к оптимальным, и на ионограммах наблюдалось развитие F-рассеяния (F_spread) и эффекта аномального ослабления интенсивности ветвей для их О-моды [1, 5, 6], а приборами спутника на высоте h = 660 км регистрировалось формирование дакта с относительным увеличением концентрации плазмы в нем ~10% [21]. Видно усиление в дакте потока электронов F с Е ≈ 100 кэВ. Эти измерения проводились через 12 дней после сильной магнитной суббури с K_р ≈ 5–6, во время которой происходила интенсивная накачка радиационного пояса Земли энергичными электронами и, следовательно, выполнялись условия для более интенсивной их последующей искусственной инжекции.

Рис. 1.

Пример регистрации искусственной инжекции энергичных электронов, выполненной 14 мая 2010 г. с помощью спутника DEMETER. Цветом на рисунке отражена интенсивность потока энергичных электронов (шкала справа) для выбранных их энергий (вертикальная шкала слева). Черным треугольником отмечено время и координаты пролета спутника через центр возмущенной магнитной силовой трубки.

На основе всех измерений, выполненных в рамках программы СУРА–DEMETER [39–41], были сформулированы признаки искусственного характера высыпаний энергичных электронов при модификации ионосферы мощными радиоволнами КВ-диапазона в поздние вечерние и ночные часы. Это:

1) максимум интенсивности инжекции наблюдается, как правило, внутри возмущенной магнитной силовой трубки, опирающейся на ВО_ц ионосферы, где вблизи высоты отражения ВН имеют место наиболее интенсивная генерация ИИТ и наиболее сильный разогрев ионосферной плазмы;

2) наблюдается увеличение интенсивности инжекции электронов в дакте;

3) интенсивность инжекции увеличивается с ростом геомагнитной активности, во время которой происходит наполнение радиационного пояса Земли энергичными электронами;

4) слабая интенсивность искусственной инжекции или ее отсутствие после длительного периода низкой геомагнитной активности (больше 10–14 дней) определяется низким содержанием или отсутствием энергичных электронов в магнитной силовой трубке радиационного пояса Земли с L ≈ 2.7;

5) максимальные потоки инжектируемых энергичных электронов с F ≈ 100 электрон/с ⋅ см² ⋅ ср ⋅ кэВ наблюдались для их энергий Е ≈ 100 кэВ;

6) в северном полушарии на высоте орбиты спутника h ≈ 660 км область инжекции вдоль геомагнитного меридиана имеет размеры до 900 км к северу от центра возмущенной магнитной силовой трубки и до 400 км к югу от него, намного превышая размер ВО_ц ионосферы. При этом наблюдается более плавное падение плотности потока F к северу от центра возмущенной магнитной силовой трубки, чем к югу. Размер области инжекции в ортогональном к меридиану направлении оценивается в 400–500 км, что также значительно превышает поперечный размер возмущенной магнитной силовой трубки;

7) было установлено, что в условиях “холодного старта” (после длительной, более 10–15 мин, паузы излучения ВН, когда ИИТ практически полностью релаксирует) характерное время роста интенсивности потока инжектируемых электронов после начала модификации ионосферы равно 1–7 мин и зависит от геофизических условий проведения эксперимента; время перехода к естественному фоновому уровню потока после выключения ВН составляет до 10–15 мин;

8) проведенные исследования позволили установить, что искусственная инжекция энергичных электронов, хотя и более слабого уровня, наблюдается в условиях, когда частота ВН может немного превышать критическую частоту fоF2, но только если ее верхнегибридная частота остается меньше fоF2. Этот результат прямо указывает, что развитие тепловой (резонансной) параметрической неустойчивости [1, 6] должно играть определяющую роль в механизме стимуляции инжекции;

9) проведенные эксперименты показали, что искусственная инжекция энергичных электронов в магнитно-сопряженную область (МСО) ионосферы, имела следующие характеристики:

а) в спокойных геомагнитных условиях максимальная энергия высыпающихся электронов составляет Е ≈ 100–150 кэВ при величине их потока F до 100–200 электрон/с ⋅ см² ⋅ ср ⋅ кэВ;

б) максимум интенсивности инжекции, как правило, наблюдается внутри возмущенной магнитной силовой трубки;

в) в области инжекции (в интервале широт 46°–53° ю.ш.) наблюдается более резкое уменьшение энергии высыпающихся частиц и их интенсивности при смещении от центра МСО в сторону экватора, чем при смещении в сторону южного полюса;

г) пространственные размеры зоны стимулированной модификацией ионосферы инжекции энергичных электронов в МСО могут достигать 2200 км вдоль геомагнитного меридиана и ~500 км поперек его;

д) интенсивность инжекции в южном полушарии заметно выше, чем в северном, что объясняется влиянием Южно-Атлантической магнитной аномалии.

2.2. Характеристики искусственной инжекции энергичных электронов в дневные и вечерние часы по результатам измерений с помощью бортовой аппаратуры спутников серии NOAA

По сравнению с ночными часами измерений, результаты которых приведены выше в п.2.1, эксперименты в дневные и вечерние часы проводятся с дополнительным линейным поглощением мощных радиоволн в нижних (D и E) слоях ионосферы. Поскольку в поздние вечерние и ночные часы линейное поглощение малó и в большинстве случаев может не учитываться, в приведенных выше измерениях эффективная мощность излучения ВН для стенда СУРА составляет Р_ef = Р₀G, где Р₀ ≈ ≈ 500–600 кВт – ВЧ-мощность, генерируемая тремя передатчиками стенда, а G ≈ 160–300 – коэффициент усиления излучающей антенны стенда в диапазоне f_ВН = 4300–6800 кГц, увеличивающийся с ростом частоты ВН. В спокойных геомагнитных условиях линейное поглощение радиоволн более сильное в полуденные часы, когда в ионосфере наблюдаются наиболее плотные D- и E-слои. Это приводит к заметному уменьшению в дневных условиях транспортируемой в F2-слой энергии мощной радиоволны и, следовательно, к уменьшению эффективности генерации и интенсивности ИИТ в верхней ионосфере. В наших экспериментах величина линейного поглощения радиоволн не определялась и для нахождения приведенной (с учетом линейного поглощения) эффективной мощности излучения ВН, $P_{{ef}}^{*},$ выполнялась оценка поглощения с использованием имеющихся в литературе данных. В дневные часы величина этого поглощения на пути от поверхности земли до высоты отражения ВН в спокойных геомагнитных условиях на частотах 4–5 МГц составляет примерно 5–10 дБ; более высокое поглощение имеет место в полуденные часы летних месяцев на более низких частотах ВН [43]. Это соответствует для таких частот уменьшению приведенной мощности ВН $P_{{ef}}^{*}$ до 10–30 МВт по сравнению с эффективной мощностью излучения стенда СУРА Р_ef ≈ 80–120 МВт для ночных измерений в отсутствие линейного поглощения. В утренние и ранние вечерние часы величина поглощения может уменьшаться до 3–5 дБ ($P_{{ef}}^{*}$ ≈ 20–50 МВт). В возмущенных условиях линейное поглощение радиоволн может значительно возрастать, приводя к понижению $P_{{ef}}^{*}$ до значения в несколько МВт в зависимости от стадии развития возмущенности и ее уровня.

При проведении измерений в дневной ионосфере необходимо также принимать во внимание возможность образования дефокусирующей линзы на высотах 130–170 км, если эффективная мощность излучения ВН превышает 30 МВт [1]. Это еще больше уменьшает поток энергии ВН вблизи высоты ее отражения и, следовательно, интенсивность генерируемой ИИТ. Кроме того, наличие спорадического E_s-слоя может приводить к частичной экранировке верхней ионосферы и к уменьшению транспортируемой в верхнюю ионосферу мощности ВН. Для плотных E_s-слоев в его отдельных локальных областях возможна полная экранировка верхней ионосферы, когда через них модификация F2-слоя становится невозможной.

Для определения характеристик инжекции энергичных электронов из радиационного пояса Земли во внешнюю ионосферу в дневные и вечерние часы проведения измерений использовались метеоспутники США NOAA-18 и NOAA-19. Потоки энергичных электронов определялись с помощью двух ортогонально расположенных на корпусе спутника детекторов (Д-0 и Д-90), проводящих детектирование в четырех диапазонах энергий электронов Е: Е₁ = 40–130 кэВ, Е₂ = 130–287 кэВ, Е₃ = 287–612 кэВ и Е₄ ≥ 612 кэВ. Выполненные измерения показали, что в возмущенной магнитной силовой трубке плотность потока искусственно инжектируемых при нагреве ионосферы энергичных электронов с Е ≥ 287 кэВ (в третьем и четвертом диапазонах) всегда была ниже порогового уровня их обнаружения: F_пор ≈ ≈ 10² электрон/см² ⋅ с ⋅ ср.

В качестве примера на рис. 2 приведены результаты сеанса измерений, выполненного 3 июня 2019 г. в спокойных геомагнитных условиях (индекс АЕ ≤ ≤  50 нТл, ΣK_р = 6; последняя суббуря была 29 мая с K_р до 4). На этом рисунке приведены результаты измерения детекторами Д-0 и Д-90 величины потока F энергичных электронов в двух диапазонах наиболее низких энергий их регистрации: Е₁ = = 40–130 кэВ (верхняя панель) и Е₂ = 130–287 кэВ (средняя панель); на нижней панели показано изменение во времени широты орбиты спутника. Спутник в Т* = 12:57:12 UT = 15:57:12 мск (это время отмечено на рисунке вертикальной линией) пролетал наиболее близко к центру возмущенной магнитной силовой трубки в еще дневной ионосфере, когда имело место высокое линейное поглощение радиоволн в ее нижних слоях. Стенд в этом сеансе работал на частоте 4300 кГц при критической частоте fоF2 ≈ 4.4 МГц с достаточно низкой эффективной мощностью излучения ВН: Р_ef ≈ 25 МВт. С учетом условий проведения этих измерений значение приведенной мощности $P_{{ef}}^{*}$ не превышало 5 МВт. На еще большее уменьшение мощности проходящего в верхнюю ионосферу излучения ВН влияло присутствие во время измерений Е_s-слоя с критической частотой до 4 МГц. При этом ионограммы вертикального зондирования показывали, что после включения ВН в Е_s наблюдалось развитие слоя E_s,spread, что указывает на генерацию в нем искусственных неоднородностей концентрации плазмы с l_⊥ порядка нескольких сотен метров. Из этого можно заключить, что, помимо ожидаемого эффекта частичной экранировки, в E_s  должно было иметь место дополнительное нелинейное поглощение энергии мощной радиоволны, связанное с нелинейным взаимодействием ВН с плазмой. С учетом всего вышесказанного можно оценить значение приведенной эффективной мощности излучения ВН $P_{{ef}}^{*},$ составляющее не более 3 МВт. При такой низкой мощности $P_{{ef}}^{*}$ в этом сеансе ожидаемо не обнаруживалась генерация искусственного слоя F_spread на ионограммах вертикального зондирования, определяемого генерацией интенсивных среднемасштабных искусственных ионосферных неоднородностей с l_⊥ ≈ 0.5–2 км в результате развития самофокусировочной неустойчивости мощной радиоволны в ВО ионосферы и эффекта аномального ослабления, связанного с генерацией мелкомасштабных неоднородностей с l_⊥ ≤ 50 м при развитии тепловой параметрической неустойчивости, а также рассеяния в свою моду на неоднородностях с l_⊥ ≈ ≈ 100–200 м [1, 5, 6, 20]. Все это свидетельствует о низком уровне интенсивности ИИТ. Однако, как следует из рис. 2, даже в таких условиях проведения измерений и при таком слабом взаимодействии мощной радиоволны с ионосферной плазмой детектором Д-90 регистрировалась стимулированная нагревом ионосферы искусственная инжекция энергичных электронов с Е₁ = 40–130 кэВ и достаточно высокой плотностью их потока F(1) ≈ 3 ⋅ 10³ электрон/см² ⋅ с ⋅ ср; лишь немного выше порога обнаружения регистрировались электроны с энергиями Е₂ = 130–287 кэВ, для которых F(2) ≈ 2 ⋅ 10² электрон/см² ⋅ с ⋅ ср. В этом сеансе южная граница регистрации естественных авроральных высыпаний находилась на широте ~62° с.ш., вблизи которой все еще обнаруживается присутствие искусственной инжекции в ионосферу энергичных электронов.

Рис. 2.

Пример регистрации искусственной инжекции энергичных электронов, выполненной 3 июня 2019 г. с помощью спутника NOAA. На верхней и средней панелях рисунка показаны интенсивности потоков энергичных электронов, измеренные с помощью детекторов Д-90 и Д-0 для диапазона энергий Е₁ = 40–130 кэВ и Е₂ =130–287 кэВ соответственно. На нижней панели показано изменение во времени широты орбиты спутника. Вертикальной линией отмечено время пролета спутника через центр возмущенной магнитной силовой трубки.

На основе всех полученных экспериментальных данных следует заключить, что интенсивность искусственной инжекции энергичных электронов из радиационного пояса Земли в ионосферу должна в бóльшей степени определяться уровнем их содержания в радиационном поясе, чем интенсивностью развития ИИТ.

2.3. Энергетические характеристики искусственной инжекции энергичных электронов из радиационного пояса Земли на ионосферные высоты

Рассмотренные выше результаты экспериментальных исследований позволяют оценить полную мощность, вносимую в ионосферу Земли обоих полушарий высыпающимися энергичными электронами. В приведенных ниже оценках учитывалось наличие всех электронов с энергий Е ≥ 20 кэВ, для которых, согласно изложенному в работах [35, 36, 38], максимум их спектральной плотности имеет место при Е ≈ 20 кэВ. Предполагается степенной характер спектра электронов со значениями показателя спектра ~1 и ~2.5, характерными соответственно для ночных и полуденных часов проведения измерений в оптимальных условиях нагрева ионосферной плазмы с достаточно высоким содержанием энергичных электронов в радиационном поясе Земли. Зная энергетический спектр электронов, инжектируемых в результате модификации ионосферы мощными радиоволнами, и полагая площади областей высыпаний равными (500 км × 1000 км) = 5 ⋅ 10⁵ км² = = 5 ⋅ 10¹⁵ см² в северном полушарии и (500 км × × 1500 км) = 7.5 ⋅ 10⁵ км² = 7.5 ⋅ 10¹⁵ см² в южном полушарии, а также более высокую интенсивность инжекции в южном полушарии, можно оценить полную мощность W, вносимую этими электронами в ионосферу обоих полушарий. По данным измерений в спокойных геомагнитных условиях, полученным с помощью спутников NOAA, в полуденные часы она, как правило, не превышает 0.1 кВт; в вечерние часы она составляет около 1 кВт, достигая величины 5–10 кВт в возмущенных геомагнитных условиях. Напомним, что измерения в ранние вечерние и особенно в дневные часы выполняются в условиях повышенного или даже высокого уровня линейного поглощения энергии ВН в нижней ионосфере, когда значение приведенной мощности излучения ВН $P_{{ef}}^{*}$ не превышает 3–10 МВт и имеет место развитие ИИТ слабого уровня. В этих условиях интенсивные потоки высыпающихся энергичных электронов могут наблюдаться только при высоком уровне их содержания в радиационном поясе Земли. Принимая во внимание результаты отдельных экспериментов, следует полагать, что в утренние часы инжекция энергичных электронов будет приблизительно такого же уровня, как и в ранние вечерние часы.

В ночное время суток в спокойных геомагнитных условиях при выполнении оптимальных условий взаимодействия мощной радиоволны с ионосферной плазмой оценка полной мощности высокоэнергичных электронов, инжектируемых из радиационного пояса Земли в ионосферу обоих полушарий, может составлять 50–100 кВт; в возмущенных геомагнитных условиях мощность высыпаний может быть в несколько раз больше и достигать величины W ≈ 500 кВт. Эта величина для условий проводимых измерений близка к генерируемой передатчиками стенда ВЧ-мощности: Р₀ ≈ 450–600 кВт. Такая большая величина мощности инжектируемых в ионосферу Земли энергичных электронов является индикатором сильного влияния на ионосферно-магнитосферные связи модификации среднеширотной ионосферы мощными радиоволнами КВ-диапазона.

Представленные выше результаты выполненных на стенде СУРА исследований позволяют заключить, что искусственная инжекция энергичных электронов из радиационного пояса Земли на ионосферные высоты благодаря ее высокой энергетике и возможности использования в различное время суток и в различных геофизических условиях может с успехом применяться для изучения протекающих в магнитосфере процессов и оказания влияния на ионосферно-магнитосферные связи; она также может рассматриваться как мощный источник генерации вторичных возмущений в ионосферной плазме и в нейтральной атмосфере. Ниже (в разд. 3) будут продемонстрированы некоторые примеры такого влияния энергичных электронов.

2.4. Механизм стимуляции искусственной инжекции энергичных электронов в ионосферу при излучении мощной радиоволны в режиме “несущая”

Выполненные измерения продемонстрировали, что высыпание энергичных электронов регистрируется и в условиях, когда частота ВН немного превышает критическую частоту fоF2 (в режиме “нагрева на просвет”), если при этом верхнегибридная частота для мощной радиоволны остается ниже критической частоты fоF2 [44]. Этот факт является прямым доказательством того, что тепловая (резонансная) параметрическая неустойчивость через развитие тепловых компонент ИИТ и генерацию верхнегибридных и нижнегибридных плазменных колебаний должна лежать в основе механизма стимуляции инжекции энергичных электронов из радиационного пояса Земли на высоты ионосферы. Важно, что в ВО_ц имеет место трансформация этих нижнегибридных колебаний на искусственных ионосферных неоднородностях в ОНЧ-волны, которые уходят в магнитосферу, где они, взаимодействуя с энергичными электронами радиационного пояса Земли, способны изменять их питч-угловое распределение и вызывать их искусственную инжекцию в ионосферу, как это рассматривалось, например, в работах [6, 22, 45–47]. Такая схема генерации ОНЧ-волн при модификации ионосферной плазмы мощными радиоволнами КВ-диапазона дает возможность использовать излучение ВН в режиме “несущая” для стимуляции высыпания энергичных электронов помимо прямой их генерации за счет излучения наземными ОНЧ-передатчиками [26–28] или за счет нелинейной демодуляции модулированной по амплитуде мощной радиоволны КВ-диапазона (эффект Гетманцева) [29, 30, 48–50].

В предложенном выше механизме генерации ОНЧ-излучений существует, однако, одна проблема, которая требует своего разрешения. Известно, что время затухания естественных ОНЧ-излучений на трассе их многоскачкового распространения между магнитно-сопряженными областями ионосферы, как правило, не превышает 10–30 с, что намного короче времени уменьшения потока искусственной инжекции энергичных электронов до его естественного уровня после выключения ВН, которое составляет от нескольких минут до 10–15 мин в зависимости от условий проведения измерений. Такое сильное различие в значений времен релаксации ОНЧ-излучений и установления невозмущенного уровня потоков энергичных электронов требует включения специального механизма поддержания на более длительном временнóм интервале интенсивности этих излучений, если оставаться в рамках модели инжекции энергичных электронов из радиационного пояса Земли через изменение их питч-углового распределения за счет взаимодействия волна–частица. Здесь может рассматриваться механизм их циклотронного усиления при распространении ОНЧ-излучений в магнитосфере Земли при наличии крупномасштабных плазменных неоднородностей (дактов плотности плазмы) [51, 52], либо следует допускать, что развивающиеся при модификации ионосферы мощными радиоволнами КВ-диапазона дакты с увеличенной концентрацией плазмы захватывают в себя естественные ОНЧ-излучения, многократно увеличивая при этом их интенсивность, как это наблюдалось, например, в работе [53] и следует из результатов численного моделирования [54], с последующим каналированием их в область экватора возмущенной магнитной силовой трубки, поддерживая таким образом высокий уровень высыпаний энергичных электронов после выключения ВН. Согласно [21, 22], время релаксации дактов составляет от нескольких минут до 10–20 мин, что соответствует измеренному времени уменьшения интенсивности инжекции до ее невозмущенного уровня. Сделанные предположения требуют, однако, дальнейшего изучения и всесторонней экспериментальной проверки.

3.1. Ионизация атмосферы Земли энергичными электронами

Представленные в настоящей работе результаты измерений убедительно демонстрируют, что модификация среднеширотной ионосферы мощными радиоволнами КВ-диапазона в определенных условиях стимулирует интенсивную инжекцию (высыпание) энергичных электронов с энергиями Е ≈ 100–150 кэВ и плотностью их потока до 100–200 электрон/с ⋅ см² ⋅ ср ⋅ кэВ из радиационного пояса Земли в ионосферу. Установлено, что зона их высыпаний в оптимальных условиях проведения экспериментов имеет большие пространственные размеры: ~1500 км вдоль геомагнитного меридиана с большей ее протяженностью на север от стенда и ~500 км поперек меридиана с максимальной интенсивностью высыпаний, как правило, в возмущенной магнитной силовой трубке, опирающейся на ВО_ц ионосферы. Важно также, что высыпания наблюдаются в обеих магнитно-сопряженных областях ионосферы, положение которых определяется геометрией возмущенной магнитной силовой трубки. Инжектируемые в ионосферу электроны способны вызывать дополнительную ионизацию плазмы на высотах ее D- и Е-областей (на высотах h ≈ 70–130 км), что приводит к увеличению в них поглощения радиоволн [9, 36, 55, 56].

Изменение величины поглощения на высотах нижней ионосферы достаточно легко детектируется в экспериментах по ослаблению интенсивности ветвей ионограмм на частотах меньше 2–3 МГц (или по вариациям минимальной регистрируемой частоты следов на ионограммах), а также по ослаблению интенсивности кратных отражений, что может служить диагностическим признаком появления высыпаний энергичных электронов из радиационного пояса Земли. В отличие от спутниковых измерений регистрация этого эффекта с помощью станций вертикального зондирования ионосферы позволяет получить информацию не только об условиях появления высыпаний, но и о размерах области их появления и, что очень важно, о характерных временах развития и релаксации искусственной инжекции, если используется 1-минутный режим съема ионограмм. В экспериментах на стенде СУРА такие измерения были выполнены с помощью ионосферной станции КазФУ, расположенной вблизи г. Казань на расстоянии ~170 км к востоку от стенда [39, 40]. Анализ полученных в них экспериментальных данных, относящихся к вечерним и ночным часам проведения измерений, показал, что в условиях “холодного старта” (модификация невозмущенной ионосферы) характерное время развития поглощения интенсивности сигнала ионозонда (или появления энергичных электронов) после первого включения ВН составляет от нескольких до 10–12 мин, однако такое поглощение начинает регистрироваться существенно быстрее (уже через 1–2 мин) после включения ее второго импульса, если пауза между импульсами ВН не превышала 10–15 мин.

По результатам выполненных измерений можно также заключить, что для 3-го и следующих импульсов включения мощной радиоволны четкая корреляция подавления интенсивности зондирующего сигнала с включением ВН нарушалась: сигнал мог иметь малую интенсивность или, наоборот, свой максимум как во время ее излучения, так и во время паузы. Это указывает на наложение влияния эффектов накопления и последействия от разных циклов излучения ВН, которые особенно сильно проявляются при достаточно коротких временах ее излучения и паузы (например, при работе стенда в циклическом режиме [1–5 мин – излучение, 1–5 мин – пауза]). Сейчас ясно, что на эволюцию плазменных возмущений на временах 10–20 мин после выключения ВН оказывает влияние не только вынос плазмы из ВО_ц, как это считалось раньше, но и воздействие на ионосферу высыпающимися в нее энергичными электронами. Совокупное их влияние приводит к большому разбросу результатов измерений и усложнению интерпретации изучаемых явлений.

Несмотря на отмеченные выше сложности, перспективность ионозондовых измерений очевидна. С их помощью, используя рутинные измерения, можно изучать динамические характеристики высыпаний и их вариации в течение суток, зависимость их свойств от геомагнитной активности и степени возмущенности ионосферы, от характеристик мощной радиоволны (ее мощности, поляризации, угла наклона диаграммы направленности излучения, высоты отражения ВН) и т.д. Важно, что уже накопленный обширный банк экспериментальных данных позволяет выполнить часть этой работы без проведения новых широкомасштабных нагревных экспериментов.

В работах [55, 57] было установлено, что дополнительная искусственная ионизация атмосферы на высотах h ≤ 120 км энергичными электронами, инжектируемыми в ионосферу при работе стенда СУРА, может обнаруживаться на расстоянии до 1000 км и более от стенда. При этом для обеспечения необходимой степени ионизации плазмы нижней ионосферы по сделанным в работе [55] оценкам плотность потока электронов с энергиями Е ≈ 100 кэВ должна составлять величину, превышающую 10⁷ электрон/м² ⋅ с. Это позволяет дать независимую оценку полной мощности, которую энергичные электроны вносят в ионосферу Земли: W ≥ 250 кВт, что хорошо соответствует приведенным в п. 2.3 данным.

Рассмотренные в настоящей работе результаты исследований по стимуляции высыпаний энергичных электронов из радиационного пояса Земли и их влияния на нижнюю ионосферу позволяют дать интерпретацию до сих пор необъясненного эффекта, обнаруженного в работе [58] еще в первых нагревных экспериментах на стенде “Боулдер” (Колорадо, США) при измерении величины индуцированного нагревом поглощения радиоволн в D-области ионосферы. В этой работе было продемонстрировано, что после продолжительного, 10-минутного нагрева ионосферы мощными радиоволнами наблюдалась длительная (до 10 мин) релаксация поглощения пробных радиоволн, которая никогда не регистрировалась при коротких (до 5 мс) импульсах излучения ВН; для них характерные времена роста и ослабления поглощения не превышали нескольких десятков миллисекунд, соответствуя результатам измерений в естественных условиях. Кроме того, нагрев ионосферы мощными радиоволнами О-поляризации здесь был неожиданно более эффективен по сравнению с волнами Х-поляризации. Эти результаты не укладывались в рамки принятых представлений о модификации нижней ионосферы мощными радиоволнами. Сейчас ясно, что наблюдаемые эффекты могут быть связаны со стимулированным мощной радиоволной высыпанием энергичных электронов, влияние которых на нижнюю ионосферу может продолжаться до 10–15 мин; при этом стимуляция высыпаний при модификации ионосферной плазмы мощными радиоволнами О-поляризации должна быть более эффективной из-за резонансного характера взаимодействия ВН с плазмой и более интенсивной генерации ИИТ.

3.2. Генерация плазменных возмущений во внешней ионосфере и в магнитно-сопряженной стенду СУРА области ионосферы

Генерация во внешней ионосфере дактов с увеличенной плотностью плазмы при модификации F2-слоя ионосферы мощными радиоволнами О-поляризации было надежно установлено в экспериментах по зондированию ионосферной плазмы аппаратурой, расположенной на борту спутников DEMETER и DMSP. Измерения выполнялись как на стенде СУРА, так и на стенде HAARP; их результаты суммированы в работах [21, 22] соответственно. Было установлено, что они обнаруживаются на высотах h ≥ 500 км; при оптимальных условиях модификации ионосферы мощными радиоволнами увеличение концентрации плазмы в них может составлять до 40% относительно фонового ее значения. Поперечные к геомагнитному полю размеры дактов равны 60–150 км, увеличиваясь с ростом высоты. Численными методами на основе модели SAMI2 было показано, что такие дакты образуются за счет выноса плазмы из области ее сильного разогрева вблизи высоты отражения ВН во внешнюю ионосферу вдоль силовых линий геомагнитного поля [22, 59, 60]. В работе [53] было продемонстрировано, что такие дакты способны каналировать ОНЧ-излучения с увеличением их интенсивности в дакте на 20–30% относительно фонового ее значения вне его. При благоприятных ионосферных условиях и при выполнении оптимальных условий для взаимодействия мощной радиоволны с ионосферной плазмой [21] их формирование при модификации F2-слоя ионосферы мощными радиоволнами является обычным явлением, поэтому их генерацию можно использовать для воздействия на ионосферно-магнитосферные связи.

Помимо указанных выше, отметим работу [61]. В ней приведены данные о регистрации ОНЧ-сигналов на частотах f ≤ 10 кГц в пункте, расположенном в 30 км от нагревного стенда СУРА, излучавшего в режиме [2 мин – излучение, 8 мин – пауза]. Контроль за состоянием возмущенной магнитной силовой трубки осуществлялся по прохождению через нее “свистящих атмосфериков” (диапазон ОНЧ-радиоволн). Эти исследования показали, что при возмущении F2-слоя ионосферы полем мощной радиоволны КВ-диапазона имеет место возникновение каналов (дактов), ответственных за распространение ОНЧ-радиоволн вдоль силовых линий геомагнитного поля между магнитно-сопряженными областями ионосферы. В таком достаточно коротко импульсном режиме периодического излучения ВН измеренные характерные времена развития и релаксации таких каналов составляли ∼1 мин и 2–4 мин соответственно. Столь короткие времена исключают возможность их формирования за счет термодиффузионных процессов распространения плазменных возмущений от области взаимодействия ВН с плазмой в F2-области до магнитно-сопряженной к ней ионосфере. В этой работе предполагалось, что развитие таких каналов (дактов) на длине всей возмущенной магнитно-силовой трубки должно быть связано с воздействием на плазму пучков сверхтепловых электронов, ускоренных в резонансных областях развития плазменных неустойчивостей.

По ряду причин измерения характеристик плазменных возмущений в возмущенной магнитной силовой трубке и в магнитно-сопряженной к ВО_ц ионосфере до сих пор на стенде СУРА носили лишь эпизодический характер. Можно указать только на несколько публикаций, в которых приведены результаты таких исследований.

Появление плазменных возмущений и КНЧ–ОНЧ-излучений во внешней ионосфере регистрировалось в 1991 г. с помощью аппаратуры, размещенной на борту спутника “Космос-1809” [62]. Было определено, что размеры области с повышенной интенсивностью ОНЧ-излучений на высоте его орбиты h ≈ 960 км могут достигать 500–700 км, что намного превышает размер области нагрева плазмы в поле пучка мощных радиоволн вблизи высоты их отражения: ∼100 км, и больше соответствует размерам зоны искусственной инжекции энергичных электронов в ионосферу. В этих областях наблюдали повышение температуры электронов и развитие неоднородностей плотности плазмы с размерами вдоль орбиты спутника ∼80 км, которые вызывают мерцания проходящих через них сигналов спутниковых радиомаяков.

В работе [63] приведены результаты измерения ОНЧ–КНЧ-радиоволн, которые регистрировались на высотах внешней ионосферы (на высотах 500–1000 км) при модификации ночной F2-области ионосферы мощными радиоволнами О-поляризации, излучаемыми стендом СУРА. Регистрация этих радиоволн выполнялась с помощью размещенных на борту спутника Интеркосмос-24 приборов. Во время нагрева ионосферной плазмы была зарегистрирована генерация низкочастотных излучений в диапазоне 10 Гц–1.5 кГц (в диапазоне КНЧ) с максимумом их интенсивности на частотах 50–70 Гц и в диапазоне 7.5–15 кГц (в ОНЧ-диапазоне) с максимумом на частотах 8–10 кГц. Такие излучения обнаруживались, когда орбита спутника проходила на расстоянии меньше 100 км от центра возмущенной магнитной силовой трубки, опирающейся на ВО_ц. Следовательно, эти волны возбуждались в трубке диаметром 100–200 км и потом распространялись вдоль силовых линий геомагнитного поля. Отмечается, что эксперименты по возбуждению КНЧ–ОНЧ-радиоволн в дневных условиях не дали положительных результатов, что было позднее подтверждено в экспериментах со спутником DEMETER [21]. В работе [63] усиление КНЧ-шумов объяснялось воздействием на плазму сверхтепловыми электронами, ускоренными в области резонансного взаимодействия ВН с плазмой; генерация ОНЧ-радиоволн объяснялась трансформацией нижнегибридных плазменных колебаний, возбуждаемых при развитии тепловой (резонансной) параметрической неустойчивости, в свистовую моду распространения на мелкомасштабных неоднородностях концентрации плазмы, которые также создаются при развитии этой неустойчивости (см. выше п. 2.4).

Ряд измерений в магнитно-сопряженной стенду СУРА области ионосферы был проведен с использованием бортовой аппаратуры спутника DEMETER [40]. Важно, что аппаратура этого спутника позволяла одновременно измерять как вариации плотности и температуры плазмы, так и потоки высыпающихся энергичных электронов. Недавно выполненная дополнительная обработка полученных экспериментальных данных показала, что в магнитно-сопряженной стенду СУРА области ионосферы обнаруживаются вариации концентрации электронов N_e с δN_е ≈ 10% с пространственным масштабом флуктуаций ∼90 км вдоль орбиты спутника, которые регистрировались на расстоянии ∼370 км. Прибор IDP спутника DEMETER зарегистрировал в этой области сильную искусственную инжекцию энергичных электронов на ионосферные высоты с максимумом их плотности потока до 800 электрон/см² ⋅ с ⋅ ср ⋅ кэВ для электронов с энергиями Е ≈ 100–120 кэВ; максимальная энергия инжектируемых электронов достигала значений Е ≈ 300 кэВ. Вариации температуры электронов Т_е с δТ_е ≈ 2–3% слабо выделялись на фоновом уровне естественных флуктуаций, что не позволяет уверенно говорить об их искусственном характере. Эти результаты обсуждались в докладе [64].

Анализ результатов измерений, выполненных в магнитно-сопряженной к стенду СУРА области ионосферы, приводит к выводу, что искусственные вариации электронной концентрации плазмы N_e, если и регистрировались на фоне их естественных флуктуаций, то только в тех сеансах, когда имело место интенсивное высыпание энергичных электронов из радиационного пояса Земли в ионосферу. Это позволяет предположить, что генерация таких возмущений N_e определяется инжектируемыми в ионосферу энергичными электронами. Здесь важно подчеркнуть, что размеры области генерации возмущений N_e намного превышают поперечные размеры возмущенной магнитной силовой трубки, опирающейся на ВО_ц, и более соответствуют размерам области высыпаний энергичных электронов. В подтверждение сделанного вывода о возможной связи генерации плазменных возмущений с высыпанием энергичных электронов из радиационного пояса Земли укажем на работу [65], в которой обнаружена такая связь для генерации естественных неоднородностей в F-слое ионосферы. Развитие интенсивной радиоавроры при вторжении в ионосферу потоков энергичных электронов обсуждается в работе [51].

Поскольку энергичные электроны одновременно высыпаются в ионосферу обоих полушарий, естественно допускать, что они могут вызывать развитие аналогичных возмущений плотности и температуры плазмы и в северном полушарии или усиливать уже существующие в области высыпаний крупномасштабные искусственные ионосферные неоднородности. Не исключено, что именно такого рода вариации плотности плазмы регистрировались в отмеченных выше экспериментах [62]. Важно указать, что из-за более слабой естественной возмущенности ионосферной плазмы и более низкого уровня естественных высыпаний энергичных электронов в средних широтах такие исследования на стенде СУРА имеют, как это уже отмечалось ранее, явные преимущества по сравнению с измерениями на более высокоширотных нагревных стендах HAARP и EISCAT-heater.

В заключение данного раздела необходимо сделать важное замечание. Как отмечалось ранее, при изучении свойств искусственной инжекции энергичных электронов в ионосферу для модификации F2-области мы всегда использовали мощные радиоволны О-поляризации, поскольку это обеспечивает более высокий уровень развития ИИТ [1, 5, 6]. Однако выполненные в последние годы на стенде EISCAT-heater широкомасштабные исследования по нагреву ионосферы волнами Х-поляризации показали, что и в этом случае в определенных условиях могут эффективно возбуждаться многие типы плазменных возмущений, которые обычно регистрируются при ее модификации волнами О-поляризации [33].

В октябре 2021 г. на стенде СУРА были проведены эксперименты по нагреву ионосферы волнами Х-поляризации с целью изучения возможности стимулирования ими инжекции энергичных электронов из радиационного пояса Земли. В одном из сеансов были зарегистрированы потоки энергичных электронов, свойства которых соответствуют характеристикам их искусственной инжекции, стимулированной модификацией ионосферы волнами О-поляризации. Эти эксперименты будут продолжены на стенде СУРА в ближайшее время. Следует отметить, что на возможность стимулирования инжекции энергичных электронов из радиационного пояса с использованием мощных радиоволн Х-поляризации, указывалось еще в работе [66], в которой приводятся результаты экспериментов на стенде Platteville (Колорадо, США).

3.3. Генерация микроволнового излучения под воздействием высыпающихся энергичных электронов и его влияние на нейтральную компоненту атмосферы Земли на ионосферных, мезосферных и тропосферных высотах

Еще одним развиваемым в НИРФИ направлением является изучение генерации микроволнового излучения (с длинами волн от миллиметров до дециметров) на ионосферных высотах под воздействием высыпающихся энергичных электронов. Ионосфера, как любое нагретое тело, излучает электромагнитную энергию в широком диапазоне радиоволн. Это тепловое излучение имеет флуктуационный характер и создается хаотическими движениями заряженных частиц. Интенсивность теплового излучения ионосферы в масштабе радиояркостных температур составляет в метровом и дециметровом диапазонах единицы и десятые доли градусов соответственно [67]. При этом температура электронов в ионосфере равна 1000–1500 К. При воздействии на F2-область ионосферы мощными радиоволнами КВ-диапазона О-поляризации вблизи высоты их отражения может происходить значительный нагрев электронов плазмы до температур 3000–4500 К [13, 68]. Соответственно, имеет место усиление интенсивности теплового излучения в дециметровом и метровом диапазонах длин волн.

В работах [69, 70] было дополнительно обнаружено мощное спорадическое СВЧ-радиоизлучение ионосферы в широком диапазоне сантиметровых и дециметровых длин волн, интенсивность которого составляла десятки градусов яркостной температуры. Было установлено, что это излучение коррелирует с всплесками солнечной активности и связанными с ними геомагнитными возмущениями [71, 72]. Только в середине 90-х годов прошлого столетия природа этого явления была объяснена в работах [73, 74] на основе “ридберговского механизма” излучения нейтральных атомов и молекул на ионосферных высотах. Данный механизм включает в себя переходы электронов между высоковозбужденными (главное квантовое число n > 10) ридберговскими уровнями нейтральных атомов и молекул ионосферы, возбужденными при их столкновении с потоком солнечных частиц высокой энергии. Энергетические переходы с ридберговских состояний заполняют практически весь диапазон электромагнитного спектра верхнеатмосферных эмиссий, начиная от жесткого УФ-излучения. Отметим, что радиолинии излучения, соответствующие переходам между ридберговскими состояниями вплоть до n ≈ 300 наблюдались в галактических областях ионизированного водорода H II и в планетарных туманностях [75]. Аналогичный механизм, но на ускоренных электронах нагретой мощным КВ-излучением ионосферной плазмы, был привлечен к интерпретации искусственного излучения ионосферы в дециметровом диапазоне волн [76].

В настоящем разделе работы обсуждаются результаты выполненных в последние годы экспериментальных исследований ридберговского излучения нейтральной компоненты ионосферы, стимулированного мощным КВ-радиоизлучением среднеширотного стенда СУРА. Напомним, что ридберговскими называются такие высоковозбужденные состояния атомов и молекул, которые расположены вблизи порога ионизации и характеризуются бесконечной последовательностью энергетических уровней в припороговой области энергий. Ридберговские атомы и молекулы имеют на своей верхней оболочке один высоковозбужденный слабосвязанный электрон. При экстремально большом возбуждении атом (молекула) может рассматриваться как макроскопический объект, так как при n = 1000 его размер, определяемый радиусом орбиты электрона, равен r_n ≈ 10^–8n² ≈ 10^–2 см. Поэтому ридберговский атом (молекулу) можно рассматривать как положительно заряженный ионный остов с одним ридберговским электроном. При этом для многих задач остов можно считать точечным положительным зарядом, а в качестве модели ридберговского атома рассматривать водородоподобный атом. В такой модели энергии ридберговских состояний изолированного атома, отсчитанные от энергии ионизации, определяются формулой Ридберга:

Е_n = R(1 – m_e/M)(n – δ)^–2,

где R = 13.6058 эВ – постоянная Ридберга (энергетическая), m_e – масса электрона, M – масса ядра, δ – квантовый дефект заряда ядра, вклад которого при больших n пренебрежимо мал.

Ридбергские состояния метастабильны: время жизни ридберговского атома для n = 1000 составляет τ_n ≈ 10^–8n³ ≈ 10 с. Частота переходов между ридберговскими уровнями m → n определяется выражением

ν = R_ν (1 – m_e/M)(1/n² – 1/m²),

где R_ν = 3.289842 ⋅ 10¹⁵ Гц – постоянная Ридберга (спектроскопическая). Из этого уравнения следует, что переходы между соседними состояниями (n + 1) → n отвечают частотам излучения радиоволн ν_n ≈ 2R_νn^–3, которые лежат в субмиллиметровом и миллиметровом диапазонах при n ≈ 25–60, в сантиметровом – при n ≈ 60–130 и в дециметровом – при n ≈ 130–280. Особо следует отметить, что расстояние между соседними ридберговскими линиями, Δν_n, в сантиметровом диапазоне составляет Δν₁₀₃ ≈ 170 МГц, в дециметровом – Δν₂₂₁ ≈ 8 МГц, а в метровом диапазоне при n > 300 с учетом различных факторов, приводящих к уширению спектральной линии (соударения, эффекты Доплера, Зеемана и др.), спектр излучения становится практически сплошным.

В табл. 1 приведены основные характеристики атомов, находящихся в первом возбужденном состоянии с n = 2, и для ридберговских атомов с n = 1000. Отметим, что концентрация нейтральных атомов и молекул (N₂, O₂ и O) в F2-слое ионосферы равна N_а ≈ 10⁹ см^–3, что соответствует расстоянию между ними ~10^–3 см. Эта величина сопоставима с размерами ридберговских атомов и молекул при n > 300. В этом случае их орбиты начинают соприкасаться, что приводит к значительному усилению столкновительных и радиационных взаимодействий между ними, которые играют большую роль в физико-химических процессах в атмосфере Земли. Кроме того, на ионосферных высотах время жизни ридберговских состояний атомов и молекул, τ, определяется частотой их соударений с электронами ν_е ≈ 500 с^–1, что соответствует τ ≈ 2 ⋅ 10^–3 с.

Основные естественные механизмы образования ридберговских состояний на высотах ионосферы включают в себя следующие процессы: фотовозбуждения при поглощении солнечного жесткого ультрафиолетового излучения; возбуждения при столкновении энергичных электронов солнечных вспышек с атомами и молекулами атмосферы, а также электронов, высыпающихся из радиационных поясов Земли при сильных геомагнитных возмущениях; диссоциативное возбуждение. Поскольку потенциалы ионизации основных атомов и молекул атмосферы на ионосферных высотах N₂, O₂ и O равны соответственно 15.5, 12.2 и 13.62 эВ, что много меньше энергии указанных процессов. В этих процессах вполне могут возбудиться атомы и молекулы вплоть до предионизационных уровней и даже ионизировать их. Далее, в процессе перехода ридберговских атомов и молекул в нижнее состояние излучается широкий спектр электромагнитных волн: от радиоволн до ультрафиолетового излучения. Согласно экспериментальным данным работ [70–72], интенсивность этого излучения в дециметровом диапазоне длин волн сопоставима или даже превосходит типичные уровни всплесков радиоизлучения Солнца во время солнечных вспышек.

В основе искусственного механизма образования ридберговских состояний на высотах ионосферы Земли (высоты 200–300 км) лежит модификация мощными радиоволнами КВ-диапазона О-поляризации F2-слоя ионосферы, когда вблизи высоты их отражения развиваются различные плазменные неустойчивости, приводящие к возбуждению интенсивной ИИТ, что в конечном итоге приводит к сильному разогреву плазмы, когда температура электронов Т_е в ней может увеличиться в 2–3 раза. Такое увеличение Т_е, а также ускорение фоновых электронов в областях с интенсивной высокочастотной плазменной турбулентностью приводит к появлению электронов с энергиями до 5–30 эВ [6, 13]. Эти “горячие” электроны имеют энергию выше потенциала ионизации N₂, O₂ и O и, соударяясь с ними, могут перевести их в высоковозбужденное ридберговское состояние или вызвать дополнительную искусственную ионизацию атмосферы.

Как показали выполненные в работе [39–41] исследования, высокоэнергичные электроны с Е ≈ 100 кэВ могут появляться на высотах ионосферы за счет их искусственной инжекции из радиационного пояса Земли при нагреве F2-области мощными радиоволнами. Эти электроны, как и в случае солнечной радиации, в результате их многократных столкновений с атомами и молекулами атмосферы могут также переводить их в высоковозбужденное ридберговское состояние. На следующем этапе, как и в рассмотренном выше естественном механизме, происходят их переходы в нижние энергетические состояния с излучением широкого спектра электромагнитных волн.

Исследование характеристик СВЧ-излучения, формирующегося на ионосферных высотах при модификации ионосферы мощными радиоволнами КВ-диапазона, излучаемыми среднеширотным нагревным стендом СУРА, проводилось в 2014–2018 гг. Стенд излучал волны О-поляризации на частотах в диапазоне 4.3–6.8 МГц, как правило, в режиме [10–15 мин – излучение, 10–15 мин – пауза] с эффективной мощностью Р_ef = = 80–180 МВт, величина которой увеличивается с ростом частоты ВН. Ширина диаграммы направленности антенны стенда СУРА, которая имеет размеры 300 м × 300 м составляет ~14° на частотах ВН ~5 МГц. Как правило, пучок мощных радиоволн в наших экспериментах излучался под углом 12° на юг от вертикали (в область “магнитного зенита”), чтобы увеличить эффективность модификации ионосферы [6, 13]. Следует отметить, что все рассматриваемые в работе измерения выполнялись в спокойных и очень спокойных геомагнитных условиях, когда значения суммарного индекса геомагнитной активности ΣK_р не превышали 20, причем спокойными были не только дни измерений, но и несколько предыдущих дней.

Измерения интенсивности СВЧ-радиоизлучения атмосферы осуществлялись с помощью спектральных радиометрических приемников модуляционного типа (радиометров) дециметрового диапазона волн на частотах f₁ = 1–2 ГГц и f₂ = 574 МГц. Технические характеристики радиометрического комплекса приведены в табл. 2. Комплекс размещался на территории стенда СУРА. Прием радиоизлучения осуществлялся на антенны рупорного и параболического типов. Измерения проводились при условии, что пространственная ориентация диаграмм направленности антенн радиометров и стенда СУРА совпадала. Калибровка принимаемого радиоизлучения в масштабе яркостных температур осуществлялась по двум источникам излучения, находящимся в дальней зоне антенн: температуре неба в зените (Т_я ≈ 3 К) и температуре поверхности земли с растительностью (Т_я ≈ Т₀, где Т₀ – приземная температура воздуха).

На рис. 3 и 4 представлены примеры регистрации интенсивности радиоизлучения атмосферы (в масштабе яркостных температур) в полосе спектрального канала f₁ = (1450 ± 8) МГц, которому соответствует частота ν_n = 1451.5 МГц перехода между ридберговскими состояниями {m = 166 → → n = 165}. Частота ВН f_ВН была равна 4300 кГц для сеанса на рис. 3 и 5828 кГц для сеанса на рис. 4; в обоих случаях режим работы стенда был [10 мин – излучение, 10 мин – пауза] (или [±10 мин]). Здесь и ниже на рисунках время работы стенда СУРА отмечено горизонтальными жирными отрезками линий вдоль оси времени. В первом случае (рис. 3) измерения проводились 8 сентября 2014 г. в послеполуденные часы. Была зарегистрирована минимальная из всех экспериментах пиковая интенсивность ридберговского излучения с ΔТ_я ≈ 9 К. Во втором случае (рис. 4) эксперимент проводился 28 марта 2014 года в поздние вечерние часы. В этом случае была зарегистрирована максимальная пиковая интенсивность ридберговского излучения с ΔТ_я ≈ 43 К.

Рис. 3.

Интенсивность микроволнового радиоизлучения атмосферы в полосе спектрального канала f = (1450 ± 8) МГц 08.09.2014 г. (на рис. 3 и 4 увеличение яркостной температуры отвечает направлению вниз).

Рис. 4.

Интенсивность микроволнового радиоизлучения атмосферы в полосе спектрального канала f = (1450 ± 8) МГц 28.03.2014 г.

Из рис. 3 и 4 видно, что интенсивность регистрируемого излучения сильно флуктуирует во времени. По данным измерений 28 марта 2014 г. после включения стенда в режиме [±10 мин] микроволновое излучение появляется только в третьем импульсе ВН с задержкой 7 мин относительно его начала, в четвертом импульсе эта задержка уже составляет 2 мин и излучение начинает регистрироваться практически сразу после включения пятого импульса ВН. Похожая динамика развития поглощения низкочастотных участков ветвей ионограмм наблюдалась нами в работах [39, 40].

За период исследований всего было выполнено 11 циклов воздействия мощным радиоизлучением стенда СУРА на ионосферу. Результаты радиометрических измерений интенсивности радиоизлучения ридберговских атомов и молекул верхней атмосферы приведены в табл. 3. В семи циклах зарегистрировано ридберговское излучение атомов и молекул верхней атмосферы в дециметровом диапазоне волн с пиковой интенсивностью ΔТ_я ≈ 10–26 К в утренние и послеполуденные часы и до ΔТ_я ≈ 30–43 К в поздние вечерние и ночные часы. Эти значения хорошо согласуются с полученными в работах [69, 70] результатами измерения интенсивности естественного спорадического излучения ионосферы во время солнечных вспышек и почти в 20–30 раз превышают результаты измерений интенсивности искусственного радиоизлучения ионосферы в дециметровом диапазоне длин волн, зарегистрированного в работе [76].

На рис. 5 приведен нормированный спектр интенсивности радиоизлучения атмосферы в диапазоне частот 1350–1500 МГц с разрешением 15 МГц, полученный 02.04.2015 г. при воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением стенда СУРА на частоте волны накачки f_ВН = 6720 кГц. В спектре хорошо различаются два спектральных максимума, совпадающие с частотами переходов между ридберговскими состояниями {m = 169 → → n = 168} с ν_n = 1375.35 МГц и {m = 166 → n = 165} с ν_n = 1451.5 МГц. Отметим, что в исследуемом диапазоне частот расположены пять ридберговских линий. Отсутствие выраженных спектральных особенностей для трех других линий можно объяснить меньшим количеством ридберговских атомов и молекул на данных уровнях, а также вероятностью переходов не только на соседний уровень, но и на любой другой нижележащий уровень с излучением на более высокой частоте, не попадающей в полосу приемника.

Рис. 5.

Зависимость нормированной спектральной интенсивности микроволнового излучения в диапазоне 1350–1500 МГц.

Подводя итоги выполненным исследованиям можно заключить, что обнаружен новый канал воздействия на нейтральную атмосферу Земли через генерацию микроволнового излучения, которое является результатом высвечивания возбужденных до ридберговских состояний нейтральных атомов и молекул энергичными электронами, инжекция которых на ионосферные высоты стимулируется модификацией ионосферы мощными радиоволнами КВ-диапазона. Определены характеристики микроволнового радиоизлучения верхней атмосферы, обусловленного излучением ридберговских атомов и молекул с главным квантовым числом n = 163–169 и n = 225 (дециметровый диапазон длин волн). Интенсивность радиоизлучения составила 10–45 К с бóльшими ее значениями в поздние вечерние и ночные часы, когда имеет место наиболее эффективное взаимодействие мощной радиоволны с плазмой F2-области ионосферы, приводящее к ускорению электронов до сверхтепловых энергий [6, 13] и к высыпанию энергичных электронов из радиационного пояса Земли на ионосферные высоты [39–41]. Интенсивность обнаруженного микроволнового радиоизлучения сравнима с интенсивностью такого радиоизлучения, генерируемого при солнечных вспышках.

Важно отметить, что микроволновая составляющая ридберговского излучения практически без потерь (за исключением нескольких выделенных полос поглощения в атмосфере) распространяется вниз до земной поверхности, оказывая свое влияние на проходящие в ионосфере, мезосфере и тропосфере процессы. Отметим, что на тропосферных высотах микроволновое излучение может влиять на погодно-климатические процессы через трехступенчатый триггерный механизм солнечно-магнитосферных – погодно-климатических связей, который включает в себя [77–80]:

1) трансформацию в ионосфере потока энергичных электронов радиационного пояса Земли (как фактора влияния солнечной и геомагнитной активности) через возбуждение и высвечивание ридберговских состояний всех ионосферных компонентов в поток микроволновом диапазоне, которые легко доходят до Земной поверхности, и являются триггером для развития ряда тропосферных процессов;

2) рост концентрации водных кластеров на тропосферных высотах, образующихся из паров воды под воздействием микроволнового излучения;

3) образование облачности в присутствии кластеров, которая пропускает солнечное излучение в тропосферу и препятствует уходу теплового излучения подстилающей земной поверхности в космос, оказывая тем самым влияние на тепловой баланс тропосферы.

Этот механизм эффективно работает как в условиях естественной солнечной активности и геомагнитной возмущенности околоземного космического пространства, где каждая его ступень была подтверждена экспериментально, так и при антропогенном характере возмущений, включая и модификацию ионосферы мощными радиоволнами КВ-диапазона. Существование такого физического механизма воздействия факторов солнечной и геомагнитной активности на свойства тропосферы и приземного слоя атмосферы обсуждается, например, в работах [81–85].

3.4. Влияние нагрева ионосферной плазмы мощными радиоволнами на содержание озона на мезосферных высотах

Мезосфера Земли, расположенная на высотах 50–90 км, до сих пор остается наименее исследованной частью средней атмосферы. Отличительные особенности этой области – большая плотность нейтральных частиц и наличие слабоионизованной плазмы, в которой присутствуют различного рода положительные и отрицательные ионы и ионы-связки, образующиеся в результате сложных ионизационных и рекомбинационных физико-химических процессов (см., например, работы [9, 35, 86] и цитируемую в них литературу). При существующей сложности этих процессов количество возможных методов ее исследования весьма ограничено. Поэтому поиск новых подходов к изучению ее свойств и характеристик остается и сегодня актуальной задачей.

В настоящем разделе работы рассматриваются результаты изучения влияния контролируемого нагрева ионосферы мощными радиоволнами КВ-диапазон на характеристики микроволнового излучения в линии озона на частоте 110836.04 МГц. В данном случае озон выступает в качестве индикатора, показывающего влияние КВ-нагрева на состояние атмосферы Земли на высотах 50–60 км. Эти эксперименты проводились на среднеширотном нагревном стенде СУРА в 2008–2016 гг. Уже в первых экспериментах было обнаружено сильное влияние нагрева на измеряемую интенсивность микроволнового излучения на частотах вблизи максимума спектральной линии озона, которое формируется на этих высотах [87–90].

Представленные ниже результаты измерений вариаций интенсивности излучения в линии озона из верхней атмосфере были получены методом наземной микроволновой радиометрии и основаны на регистрации интенсивности теплового излучения атмосферы в линии вращательного перехода озона с последующим анализом формы его спектра. Согласно существующим на время проведения экспериментов представлениям, измерения были организованы таким образом, чтобы обеспечить наиболее сильное возмущение ионосферы на высотах ее D-области. Нагревный стенд излучал под углом 12° от зенита на юг мощную радиоволну, как правило, на минимально возможной для стенда частоте f₀ = 4.3 МГц; эффективная мощность излучения составляла Р_ef = 80 МВт. Для нагрева ионосферы использовались радиоволны как Х-, так и О-поляризаций. Включение стенда осуществлялось в периодическом режиме [±15 мин] или [±30 мин]. В одном сеансе измерений излучалось от 3 до 6 таких импульсов ВН. Такой режим был выбран, исходя из возможностей микроволнового озонометра, когда за время 15 мин можно было получить с необходимым разрешением один спектр атмосферной линии озона.

В направлении пучка мощных радиоволн (иногда и в сторону от него) была ориентирована антенна мобильного микроволнового озонометра для приема теплового излучения средней атмосферы на частоте 110.83604 ГГц. Описание озонометра и его характеристик приведено в работах [87, 90]. Ширина диаграммы направленности его рупорной антенны по уровню –3 дБ составляет 5.4°. При этом диаметр области атмосферы, из которой регистрировалось микроволновое излучение, составляет ~6 км на высоте 60 км, что приблизительно в 3 раза меньше размеров возмущенной мощной радиоволной D-области (~16 км по уровню половинной мощности излучения пучка мощных радиоволн). В наблюдениях был использован метод абсолютной калибровки по двум эталонам излучения, один из которых находился при температуре окружающего воздуха, а другой – при температуре кипения жидкого азота.

Параметры прибора позволяют измерять спектр линии излучения с точностью ~2%. По измеренному единичному спектру можно восстановить вертикальное распределение озона в интервале высот 20–60 км с точностью не хуже чем 5%.

Результаты выполненных измерений показали, что во время нагрева обнаруживается уменьшение интенсивности теплового излучения атмосферы в линии озона на частоте 110.83604 ГГц [69, 72]. На рис. 6 приведены результаты измерений интенсивности атмосферной линии озона, приведенных 14 марта 2009 г., которые продолжались с 10:00 до 24:00 мск. Во время этих измерений с 11:30 до 15:00 мск (в часы, близкие к полуденным) осуществлялась модификация ионосферы в режиме [±30 мин]. Мощная волна Х-поляризации излучалась на частоте 4300 кГц с эффективной мощностью Р_ef ≈ 80 МВт. Измерения интенсивности линии озона, усредненные за время нагрева ионосферы мощным КВ-радиоизлучением, показаны на рисунке черными прямоугольниками, а за время паузы излучения ВН – белыми прямоугольниками. Величина уменьшения интенсивности излучения сильно изменяется от импульса к импульсу ВН. Из полученных в этих измерениях спектральных данных следует, что нагрев ионосферы приводит к заметному понижению интенсивности излучения в линии озона на малых отстройках (|Δf| ≤ 40 МГц) относительно центральной частоты линии и тем больше, чем меньше величина отстройки (см. [90]). Отметим, что именно излучение мезосферного озона дает наибольший вклад в эту часть спектральной линии. Было получено, что после выключения ВН интенсивность излучения восстанавливается за время, меньшее 15 мин, и даже до немного больших величин, чем его значения в отсутствие нагрева. Среднее по всем сеансам измерений уменьшение интегральной интенсивности микроволнового излучения в линии озона составляло ~10% (при точности ее измерения 2%).

Рис. 6.

Результаты измерений интенсивности теплового излучения атмосферы в линии озона, выполненные 14 марта 2009 г. Интенсивность выражена в неперах (Нп) по отношению к интенсивности солнечного излучения на высоте верхней границы нейтральной атмосферы.

Дополнительно на рис. 6 сплошными горизонтальными линиями показаны средние значения интенсивности линии озона для дня и ночи в отсутствие нагрева ионосферы мощными радиоволнами. Видно, что средние ночные величины измеренного содержания озона на высоте ~60 км превышают его дневные значения, отражая обычно наблюдаемые его суточные вариации. Средняя амплитуда суточного изменения рассчитанного содержания мезосферного озона в этом случае составила 42%, что близко к обычно наблюдаемому его значению и является подтверждением правильности проводимых озонометрических измерений.

В проведенных в марте 2011 г. измерениях было установлено, что в диапазоне мощностей ВН Р_ef = 40–80 МВт величина уменьшения интенсивности излучения возрастает пропорционально Р_ef. Также было показано, что указанный эффект наблюдается не только в модифицированной области мезосферы, но и на расстоянии ~110 км к югу от нее (для этого были проведены измерения с наклоном диаграммы направленности озонометра на 70° от вертикали на юг).

В сентябре 2016 г. на стенде СУРА были выполнены измерения интенсивности излучения атмосферы в линии озона, которые сопровождались диагностикой состояния нижней ионосферы в интервале высот 50–130 км с помощью метода резонансного рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях (ИПН) ионосферной плазмы [88]. Уменьшение интенсивности во время нагрева составляло до 9%, что соответствовало уменьшению концентрации озона на высотах ~60 км в среднем на 19%. Диагностика нижней ионосферы методом ИПН показала, что в день измерений содержания озона, когда возмущение ионосферы проводилось в режиме [±30 мин], на высотах ~55 км и выше наблюдались рост интенсивности неоднородностей электронной концентрации при воздействии мощной радиоволной КВ-диапазона на ионосферу и общее увеличение возмущенности нижней ионосферы. Также на этих высотах регистрировались значительные вариации скорости вертикального движения среды. Все это указывает на наблюдающееся сильное возмущение нижней ионосферы во время длительного, 30-минутного ее нагрева мощными радиоволнами.

При интерпретации наблюдаемого уменьшения интенсивности излучения в линии озона следует принимать во внимание, что крайне низкое содержание электронов в D-области по сравнению с концентрацией нейтральных компонент (степень ионизации здесь составляет ~10^–9) считается маловероятным прямое влияние увеличения температуры электронов в поле мощной радиоволны на свойства нейтральной компоненты атмосферы. Кроме того, важным обстоятельством является то, что этот эффект обнаруживается и на 110 км южнее области модификации нижней ионосферы пучком мощных радиоволн (эксперименты с наклоном диаграммы направленности озонометра на 70° на юг). Из этого следует, что непосредственный нагрев D- и Е-слоев ионосферы пучком мощных радиоволн не является его причиной. Поэтому возникает задача выяснения механизма воздействия модифицированной мощной радиоволной ионосферы на нейтральную компоненту атмосферы (в нашем случае – на мезосферный озон).

В качестве возможного объяснения изменения интенсивности микроволнового излучения в линии озона при начале излучения мощных радиоволн нагревным стендом СУРА в работе [89] был предложен механизм, основанный на изменении плотности и температуры атмосферы при распространении внутренних гравитационных волн (ВГВ), возбуждаемых (усиливаемых) при нагреве ионосферы мощной радиоволной КВ-диапазона. Факт возбуждения (усиления) ВГВ при работе стенда СУРА был установлен экспериментально [55, 57]. Независимо от способа возбуждения ВГВ при их распространении в атмосфере изменяются ее плотность ρ, давление p и температура T. В работе [90] дана оценка величины возмущения давления Δp атмосферы при эффективной мощности излучения стенда Р_ef = 80 МВт. На высоте 110 км оно может достигать регистрируемых значений Δp ≈ 10^–2p₀. Оценка относительного изменения интенсивности излучения в этом случае в максимуме линии озона может составлять от одного до нескольких процентов, что соответствует результатам измерений. Однако предложенную интерпретацию наблюдаемого уменьшения интенсивности излучения в линии озона при облучении ионосферы мощным КВ-радиоизлучением сегодня еще нельзя считать полностью разработанной и удовлетворяющей всем особенностям наблюдаемого явления.

Выполненные в последние годы экспериментальные исследования позволили предложить иную, связанную с нагревом ионосферы схему подавления интенсивности генерации микроволнового излучения в линии озона на мезосферных высотах. Следуя результатам работ [91–95], энергичные электроны с Е ≈ 100–200 кэВ при их высыпании на ионосферные высоты проникают на высоты мезосферы h ≈ 60–80 км, где они через соударения с нейтральными атомами и молекулами приводят к образованию молекул окиси азота NO и гидроксила НО. Эти молекулы, вступая в реакцию с молекулами озона, разрушают их, уменьшая тем самым его содержание на мезосферных высотах. Уменьшение содержания озона может при этом достигать десятков процентов в широкой области пространства, подверженной влиянию высыпающихся энергичных электронов. Такой процесс хорошо известен в полярной ионосфере как азотный и водородный циклы физико-химических реакций, влияющих на содержание озона на мезосферных высотах (см., например, [91, 95]). В нашем случае энергичные электроны с энергиями Е до 100–150 кэВ появляются на мезосферных высотах за счет их искусственной инжекции из радиационного пояса Земли при модификации F2-слоя ионосферы мощными радиоволнами КВ-диапазона. Поскольку измеренное время вариаций содержания озона при нагреве ионосферной плазмы меньше 15 мин, главное влияние должны оказывать молекулы НО, которые доминируют на высотах 40–60 км и имеют на высотах 50–60 км короткое время жизни: секунды–минуты, в сравнении с намного более долгоживущими молекулами NO [93, 94].

Можно также рассматривать и другие схемы, объясняющие уменьшение интенсивности излучения вращательной спектральной линии озона. Как указывалось выше, при воздействии на ионосферу мощным КВ-радиоизлучением реализуется два механизма образования высокоэнергичных электронов: 1) ускорение электронов в областях с интенсивной плазменной турбулентностью с образованием сверхтепловых электронов с энергиями до 5–30 эВ; 2) механизм высыпания высокоэнергичных электронов из радиационных поясов с энергиями до 100 кэВ и выше. При соударении этих энергичных электронов с нейтральными атомами и молекулами, в том числе и с озоном, происходит их возбуждение вплоть до ионизации, а в случае соударений с молекулами возможна еще и их диссоциация с энергией диссоциации около 1 эВ, в результате которой молекула озона О₃ распадается на О₂ и О. Естественно, что после диссоциации молекулы озона ее вклад в спектр излучения исчезает. Интенсивность коллективного излучения мезосферного озона во всех спектральных линиях при этом уменьшится.

Для разработки детальной модели влияния модификации ионосферной плазмы мощными радиоволнами на содержание озона на мезосферных высотах требуется дальнейшее проведение экспериментальных и теоретических исследований. В экспериментальном плане для получения требуемой информации в первую очередь, необходимо выполнить измерения при различных поляризациях ВН, поскольку эффект уменьшения содержания озона на мезосферных высотах наблюдается при модификации ионосферы мощными радиоволнами обеих поляризаций, в то время как высыпание энергичных электронов и ускорение электронов до сверхтепловых энергий сегодня надежно установлены и изучены только при нагреве ионосферы волнами О-поляризации. Необходимо также определить характеристики эффекта уменьшения содержания озона в разное время суток, при различном уровне геомагнитной активности и при разных режимах импульсного излучения мощной радиоволны. Важно также измерить, по возможности как можно точнее, характерные времена уменьшения и восстановления интенсивности излучения в линии озона после включения и выключения ВН. Все это позволит более подробно изучить свойства наблюдаемого явления уменьшения содержания озона на высотах ~60 км во время модификации ионосферы мощными радиоволнами КВ-диапазона, построить более полную его эмпирическую модель, обосновать теоретические представления наблюдаемого явления и в конечном итоге развить новые методы диагностики мезосферы Земли. Здесь, например, стоит задача исследования возможного влияния на рекомбинационные процессы в D-области ионосферы малых составляющих ионосферы, в частности озона. Необходимо более детально изучить влияние изменения температуры электронов и нейтральной компоненты на фотохимические и рекомбинационные процессы, а также на характеристики турбулентной диффузии, определяющие свойства нижней ионосферы, включая излучательную способность различных атомов и молекул. Нагревные эксперименты благодаря своей хорошей повторяемости и дозируемости вносимых в атмосферу определенных возмущений могут сыграть здесь определяющую роль.

В заключение отметим, что при анализе данных по искусственной инжекции энергичных электронов из радиационного пояса Земли в ионосферу необходимо принимать во внимание результаты исследований свойств их естественной инжекции (см., например, [96–99]), поскольку в них порой содержится очень важная дополнительная информация для понимания наблюдающихся в нагревных экспериментах явлений.