Космические исследования, 2021, T. 59, № 4, стр. 275-295

2.1. Аппаратура

2.1.1. Спутники SWARM. Группировка из трех идентичных КА серии SWARM Европейского космического агентства была выведена на орбиту 22.XI.2013. Спутники имеют низкие круговые орбиты, лежащие в меридиональной плоскости. При этом два из них (Alfa и Charley, далее S-A и S-C) летят на высоте ~450 км близко друг к другу на расстоянии ≤200 км, наклонение орбиты 87.4°. Третий КА (Beta, далее S-B) летит в другой меридиональной плоскости на высоте ~510 км, наклонение орбиты 88°. Следует подчеркнуть, что именно в области высот 400–500 км имеет место переход от центральной части ВО ионосферы, где наблюдается генерация интенсивной ИИТ, сильный разогрев плазмы и уменьшение ее концентрации, к области переноса плазменных возмущений вдоль силовых линий геомагнитного поля во внешнюю ионосферу [4, 5, 7, 10, 23]. За сутки спутники делают 14–15 оборотов вокруг Земли, оказываясь в разных секторах местного времени. Постепенно смещаясь по долготе, орбиты спутников за 7–10 мес. покрывают все долготные сектора земного шара.

Все три КА SWARM оснащены идентичной бортовой измерительной аппаратурой. Основным ее модулем является комплекс для магнитных измерений, состоящий из высокочувствительных скалярного (ASM) и векторного (VFM) магнитометров для определения общей напряженности геомагнитного поля и ортогональных составляющих вектора поля с точностью до 0.01 и 0.1 нТл соответственно. Эти магнитометры позволяют проводить измерения для широкого круга задач, включая мониторинг главного магнитного поля Земли, литосферного поля и вариации внешнего магнитного поля, которое создается электрическими токами, текущими между магнитосферой и ионосферой вдоль силовых линий геомагнитного поля (продольными токами).

Вертикальная составляющая продольного тока, перпендикулярная траектории пролета спутника, может быть определена по величине создаваемой этим током горизонтальной компоненты магнитной индукции, исходя из закона Ампера: μ₀J = ∂B/∂l. Здесь J – плотность тока, μ₀ – магнитная постоянная вакуума, l – расстояние вдоль орбиты КА, В – вариация магнитной индукции (ее измеренное значение, из которого вычтено модельное значение внутреннего магнитного поля Земли). При пересечении вытянутых вдоль широты токовых слоев или токов кругового сечения достаточно хорошим приближением является использование только одной из горизонтальных компонент магнитной индукции: той, которая перпендикулярна траектории полета спутника; в нашем случае это B_EAST. Секундные значения плотности тока, рассчитанные по измерениям каждого из трех спутников, являются одним из стандартных продуктов, представленных в базе данных SWARM [25].

Кроме магнитометрической аппаратуры КА SWARM оснащены двумя ленгмюровскими зондами для измерения каждые 0.5 с плотности и температуры электронов в окружающей плазме, а также электрического потенциала корпуса спутника. Более подробное описание аппаратуры КА SWARM можно найти в [25, 26]. Данные измерений с помощью КА SWARM доступны на сайте https://vires.services/.

2.1.2. Нагревный стенд СУРА. Используемый в наших экспериментах для модификации ионосферы мощными КВ радиоволнами нагревный стенд СУРА расположен вблизи р/п Васильсурск, в 120 км к востоку от г. Нижнего Новгорода (координаты стенда: φ₀ = 56.15° с.ш., λ₀ = 46.1° в.д.) [27]. Эффективная мощность излучения стенда в режиме когерентного излучения всех трех его модулей с максимальной мощностью составляет Р_эфф ≈ 80 МВт на частоте излучения f_ВН≈ 4.3 МГц, увеличиваясь с ростом f_ВН до ∼180 МВт для f_ВН ≈ ≈ 6.5 МГц. Во всех рассматриваемых в настоящей работе экспериментах стенд излучал мощные радиоволны О-поляризации; использовался наклон диаграммы направленности излучения ВН на 12° на юг, чтобы усилить генерацию ИИТ за счет эффекта “магнитного зенита” [2, 4, 5, 28]. Если позволяли критические частоты ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$ и программа работы стенда, измерения проводились всякий раз, когда какой-нибудь из КА пролетал через возмущенную магнитную силовую трубку, опирающуюся на центральную часть ВО, или рядом с трубкой. Излучение ВН в большинстве случаев начиналось за 15 мин до времени пролета КА через возмущенную ионосферу. В тех сеансах, когда временная программа излучения ВН была иной, в их описании приводятся дополнительные необходимые сведения. Как показали выполненные ранее эксперименты и модельные расчеты, времени ~15 мин достаточно для практически полного развития ИИТ в ионосфере в вечерние и ночные часы и заполнения магнитной силовой трубки искусственными плазменными возмущениями, по крайней мере, до высот ∼700 км [4 , 9].

Контроль за изменением критической частоты F₂-слоя ионосферы для О-моды распространения ВН (${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$) и за появлением спорадического слоя E_s осуществлялся с помощью имеющегося на стенде СУРА цифрового ионозонда CADY. Отметим, что съем ионограмм во время работы стенда по техническим условиям был невозможен. Получаемые ионограммы позволяли также определять уровень взаимодействия ВН с плазмой по степени их возмущенности.

2.2. Параметры экспериментов

Всего в 2016–2019 гг. было выполнено около 70 сеансов нагрева ионосферы по программе СУРА–SWARM при различных геофизических условиях. Частично полученные результаты были проанализированы в работах [23, 24], в которых были сформулированы необходимые требования для эффективного возбуждения возмущений концентрации и температуры электронов плазмы на высотах h ≈ 450–500 км. В частности, было установлено, что генерация искусственных плазменных возмущений обнаружимого уровня, который обычно составлял от нескольких десятых долей процента до процента измеряемой величины электронной концентрации (N_e), регистрировалась только при работе стенда в вечерние и ночные часы в условиях, когда частота мощной радиоволны не превышала 6 МГц, была несколько ниже критической частоты ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$, а орбита КА проходила на расстоянии меньше 50 км от центра возмущенной магнитной силовой трубки. Также, в большинстве случаев генерация искусственных плазменных возмущений наблюдалась, когда эффективная мощность излучения ВН была не меньше 40 МВт, хотя в особо благоприятных условиях появление возмущений регистрировалось и при Р_эфф ≈ 20 МВт. Высокий уровень взаимодействия мощной радиоволны с плазмой в проводимых измерениях подтверждался тем, что на ионограммах вертикального зондирования для расположенного на стенде СУРА ионозонда регистрировалось возбуждение сильного или очень сильного F-рассеяния (F_spread), когда уширение ветвей ионограммы по частоте соответственно составляло 0.3–0.5 МГц или превышало 0.5 МГц, и вместе с этим наблюдалось подавление на ионограммах ветки О-моды из-за развития эффекта аномального ослабления зондирующих ионосферу радиоволн [1, 4, 5, 29] и ослабления волн обеих поляризаций из-за их рассеяния в свою моду на неоднородностях с l_⊥ ≈ 0.1–1 км [4, 30]. Кроме того, было подтверждено, что эффект “магнитного зенита” оказывает сильное влияние на свойства и уровень развития искусственных плазменных возмущений. Вызванные нагревом ионосферы вариации концентрации и температуры плазмы обнаруживались на расстояниях до 200 км вдоль орбиты спутника (приблизительно вдоль направления север–юг), что в 2–3 раза превышает горизонтальные размеры центральной части ВО ионосферы. При этом на высотах 450–500 км наиболее интенсивными являются неоднородности концентрации плазмы с l_⊥ ≈ 15 км. Важно, что в измерениях на высотах орбит КА SWARM не было обнаружено формирования дактов с увеличенной плотностью плазмы и размерами l_⊥ ≈ 100 км, которые по результатам измерений на спутниках DEMETER и DMSP хорошо регистрировались на высотах h ≥ ≥ 600 км [8, 9]. В экспериментах СУРА-SWARM появление плазменных возмущений во внешней ионосфере не обнаруживалось, когда высота отражения ВН была меньше 200 км, хотя при этом могло наблюдаться развитие достаточно интенсивного F_spread на ионограммах вертикального зондирования ВО ионосферы. Следует отметить, что основные результаты в выполненных экспериментах были получены в 2016 и 2017 гг. Более низкие критические частоты в 2018 и 2019 гг., в годы минимума солнечной активности, позволили провести лишь очень ограниченное число измерений в условиях ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$ > f_ВН, причем многие из них проводились в неоптимальных условиях, когда, например, частота ВН была близка к ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$ или измерения проводились в дневной (освещенной Солнцем) ионосфере. Для стенда СУРА минимальное значение частоты ВН равно 4300 кГц.

За время 4-х летнего периода исследований было всего около десятка случаев, когда были выполнены необходимые условия для возбуждения и регистрации сильных плазменных возмущений во внешней ионосфере Земли при ее модификации мощными КВ радиоволнами, в которых параллельно с этим также наблюдалась генерация продольных токов в ВО ионосфере; для четырех наиболее значимых из них характеристики возбуждаемых возмущений плотности и температуры электронов плазмы подробно анализировались в работе [23]. Поэтому ниже по каждому рассматриваемому сеансу мы ограничимся только кратким описанием основных характеристик искусственных плазменных возмущений, к которым будут добавлены данные измерений вариаций магнитного поля и вычисленные по ним плотности продольных токов.

3.1. Сеанс 27.VIII.2016

В этом эксперименте нагрев производился в условиях вечерней, но еще освещенной Солнцем ионосфере. Вблизи ВО по направлению с юга на север пролетал тандем близко летящих КА S-А и S-С. Траектория КА S-С проходила вблизи оси возмущенной магнитной силовой трубки (в 18 км к западу от ее центра, время наибольшего сближения с центром трубки Т* = 17.22.06 UT), а траектория S-А – приблизительно в 115 км к западу от центра возмущенной трубки (рис. 1а). ВН излучалась на частоте f_ВН = 4300 кГц под углом 12° от вертикали на юг с эффективной мощностью излучения Р_эфф = 55 МВт. За время сеанса нагрева величина ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$ постепенно уменьшалась с 5.1 до 4.9 МГц, высота отражения ВН составляла h ≈ ≈ 230 км. Эксперимент проводился в спокойных геомагнитных условиях при суммарном суточном значении К_р-индекса ∑К_р = 9 и величине индекса АЕ меньше 50 нТ. Во время нагрева ионосферы наблюдалось развитие очень сильного F_spread, что свидетельствует об интенсивной генерации в ВО ионосферы неоднородностей концентрации плазмы с масштабами l_⊥ от нескольких сотен метров до нескольких километров. На ионограммах регистрировался полупрозрачный спорадический слой E_s c критической частотой ${{f}_{{0{{F}_{{\text{s}}}}}}}$ до 4.5 МГц, влияние которого могло приводить к уменьшению проходящей в верхнюю ионосферу (в F₂-область) мощности ВН.

Рис. 1.

(а) Ионосферная проекция траекторий КА S-A и S-C в области 52°–58° с.ш., 41°–49° в.д. и проекция ВО диаметром ~90 км (заштрихованный овал); сеанс 27.VIII.2016. Обозначено время (в формате hh.mm.ss) пересечения широтных границ области. Черным квадратом на высоте орбиты спутника показано положение центра диаграммы направленности излучения стенда СУРА при ее наклоне на 12º на юг. (б) Электронная концентрация N_e; (в) температура электронов T_e (прямыми тонкими линиями показаны фоновые изменения параметров); (г) плотность продольных токов с частотой 1 Гц и сглаженная по трем точкам (положительные значения соответствуют току, текущему вниз); (д) вариация градиента восточной компоненты индукции магнитного поля B_EAST. Заштрихованной полосой выделена область широт внутри границы возмущенной магнитной силовой трубки.

На рис. 1б–1д для КА S-C, траектория которого проходит вблизи центра возмущенной магнитной силовой трубки, для области широт 52°–58° с.ш. представлены результаты измерений концентрации и температуры электронов плазмы, плотности продольных электрических токов, а также значения геометрической производной (градиента пространственного изменения) восточной компоненты индукции магнитного поля вдоль траектории движения спутника. Штриховкой на панелях (б)–(д) отмечено положение центральной части ВО ионосферы. Первые три параметра взяты непосредственно из базы данных SWARM, а производная рассчитывалась по данным измерений векторного магнитометра, которые также содержатся в базе данных SWARM. Фактически оба параметра, представленные на панелях (г) и (д), отражают интенсивность вертикальной компоненты тока, измеренной вдоль траектории спутника. На панели (г) здесь и на следующих рисунках приведены две кривые: тонкая линия отвечает измерениям продольных токов с частотой 1 Гц (т.е. геометрическое расстояние между соседними точками вдоль орбиты КА составляет около 7.6 км), а жирная – результатам измерений, сглаженным по трем точкам. Следуя стандартному алгоритму обработки данных SWARM, плотность тока рассчитывается как односторонняя производная вариации зональной компоненты магнитного поля после вычета значения внутреннего магнитного поля Земли по модели CHAOS. В отличие от этого метода производная, представленная на рис. 1г, – центральная, рассчитанная по трем последовательным значениям полной магнитной компоненты без вычета модельного поля. Во многих случаях такой расчет позволяет получить менее зашумленный магнитный сигнал, по которому можно более точно определить плотность продольного тока. Все представленные величины измерялись с частотой 1 Гц, т.е. геометрическое расстояние между соседними точками вдоль орбиты КА составляет около 7.6 км. Заметим, что именно этот сеанс рассматривался в [24] в качестве примера, иллюстрирующего генерацию продольных электрических токов, индуцируемых в ВО ионосферы.

На рис. 1б, 1в можно видеть, что аппаратура КА S-C на почти 100-километровом отрезке его орбиты регистрировала вызванные нагревом ионосферы вариации концентрации плазмы N_e (величиной до 4%), общее повышение Т_е (в среднем на 15%) и ее сильные вариации. В этом сеансе область с искусственными возмущениями сдвинута на ~30 км на юг относительно рассчитанного центра диаграммы направленности пучка мощных радиоволн, демонстрируя влияние эффекта “магнитного зенита”, когда при наклоне диаграммы направленности излучения стенда на 12° на юг ИИТ имеет свою максимальную интенсивность на ее южном крае [4, 5, 7, 28]. В рассматриваемом случае именно в этой области регистрируется максимальное кратковременное увеличение Т_е до 3000 К. Наиболее интенсивные флуктуации концентрации плазмы внутри возмущенной магнитной силовой трубки имели пространственный масштаб l_⊥ ≈ 10–15 км, соответствуя ранее полученным в работах [7, 9] результатам. В этом сеансе для КА S-C было зарегистрировано присутствие области с увеличенной концентрацией плазмы на широтах 56°–57° с.ш., которая расположена в 100–200 км севернее центра возмущенной трубки. Возможно, эта структура может иметь здесь и естественное происхождение. Нельзя также исключать, что она связана с существованием области с увеличенной плотностью плазмы, которая окружает область с пониженной концентрацией, что ранее многократно наблюдалось в радиотомографических измерениях [3]. Механизм ее образования сегодня не ясен. Ниже приводится и иная интерпретация появления такой области с учетом других полученных в наших измерениях данных.

КА S-А пролетал практически одновременно с S-С (спутники пересекают одну и ту же широту с разницей в 3 с) в ~115 км к западу от центра возмущенной магнитной силовой трубки, т.е. за пределами области с сильными плазменными возмущениями, индуцированными нагревом ионосферы мощными радиоволнами. Его приборы, в отличие от S-C, не зарегистрировали каких-либо видимых изменений в N_e и Т_е.

Обратимся к анализу структуры продольных электрических токов. На рис. 1г можно идентифицировать втекающий в ионосферу ток (с положительными значениями его величины) в южной части ВО и вытекающий ток (с отрицательными значениями его величины) – в северной части ВО. Плотность тока в обоих случаях составляет 0.01–0.02 μА/м². Значения градиента магнитной индукции B_EAST представлены на рис. 1д. Они демонстрируют перемежающиеся области положительных и отрицательных градиентов B_EAST; амплитуда этих изменений составляет около 4 нТл. Такая структура магнитных вариаций показывает, что вдоль траектории спутника регистрируется несколько продольных токов: для наиболее выделяющихся из них два текут вверх (∂B/∂l > 0 на широтах ~54.5° и ~56.5°) и два – вниз (∂B/∂l < 0 на широтах ~55.5° и ~53.5°). Характерный пространственный масштаб изменения направления тока составляет около 100 км. При этом внутри возмущенной магнитной силовой трубки в области “магнитного зенита” ток положительный (течет вниз), что соответствует выносу электронов из области их сильного разогрева вверх во внешнюю ионосферу; севернее и южнее этой области электроны движутся в обратном направлении (ток течет вверх, отрицательные значения токов). Видно, что эта пространственная структура электрического тока сдвинута к югу относительно центра возмущенной магнитной силовой трубки примерно на 40 км, что, как отмечалось выше, является следствием влияния эффекта “магнитного зенита”. Заметим, что максимальная величина втекающего тока (максимальный вынос электронов вверх) соответствует положению наиболее сильного увеличения температуры электронов внутри возмущенной трубки.

Второй максимум плотности втекающего тока величиной ∼0.013 μА/м² регистрируется на широте 56.3°. До и после него на широтах 55.7° и на 56.9° регистрируются вытекающие токи. Эта система токов наблюдается в области локального увеличения концентрации плазмы, расположенного к северу от возмущенной магнитной силовой трубки, без какого-либо видимого изменения здесь температуры электронов.

Вариации индукции магнитного поля, измеренные магнитометрами КА S-A, пролетавшего в 115 км к западу от центра возмущенной магнитной силовой трубки, показывают гораздо более слабые (до 0.2 нТл) вариации с характерным пространственным масштабом изменения знака градиента ~65 км. Поскольку сильные токи регистрируются КА S-С на расстоянии до ~100 км от центра возмущенной магнитной силовой трубки в меридиональном направлении, но они не регистрируются КА S-A на таком же расстоянии западнее ее центра, то можно заключить, что область с возбуждаемыми продольными токами должна быть несколько вытянута вдоль геомагнитного меридиана.

3.2. Сеанс 23.V.2017

В этом эксперименте также использовались летящие в тандеме спутники. КА S-С в момент максимального сближения с осью возмущенной магнитной силовой трубки в Т* = 17.11.40 UT пролетал в вечерней (но еще в освещенной Солнцем) ионосфере на высоте 450 км в направлении с юга на север в 40 км к западу от центра трубки близко к краю диаграммы направленности пучка мощных радиоволн (рис. 2а). ВН излучалась на частоте f_ВН = 4300 кГц при ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$ = 4.6 МГц с эффективной мощностью излучения Р_эфф = 50 МВт; высота отражения ВН составляла h ≈ 235 км. Эксперимент проводился в достаточно спокойных геомагнитных условиях (∑К_р = 15^–, АЕ ≈ 250 нТ) после геомагнитного возмущения среднего уровня с К_р ≈ 3–4, которое началось вечером 19.V.2017. Во время нагрева ионосферы наблюдалось развитие диффузности среднего уровня на ионограммах вертикального зондирования. Особенностью этого эксперимента было то, что он проводился в присутствии полупрозрачного спорадического слоя Е_s с частотой экранирования ∼3 МГц и критической частотой ${{f}_{{0{{E}_{{\text{s}}}}}}}$ до 7 МГц. Присутствие такого плотного слоя Е_s приводило к уменьшению транспортируемой в верхнюю ионосферу мощности ВН, что отразилось в ослаблении интенсивности F_spread по сравнению с рассмотренным выше сеансом 27.VIII.2016. При таких характеристиках спорадического слоя возможна полная экранировка верхней ионосферы в локальных его областях с достаточно высокими частотами экранирования ${{f}_{{0{{E}_{{\text{s}}}}}}}$, что приводит к развитию сильно неоднородной (пэтчевой) структуры ВО на уровне F₂-слоя ионосферы.

Рис. 2.

То же, что на рис. 1, но для сеанса 23.V.2017.

На рис. 2б, 2в для сеанса 23.V.2017 представлены результаты измерений параметров плазмы. По измерениям N_e на интервале времени Т = 17.11.23–17.11.48 UT, в области 54°–55.5° с.ш. (т.е. на дальностях вдоль орбиты спутника до 110 км к югу и до 60 км к северу от оси возмущенной магнитной силовой трубки) регистрируются несколько выделяющихся областей с пониженной концентрации плазмы (до 7%) с характерным пространственным масштабом ∼30 км. Видно, что эти области соответствуют областям с увеличенной температурой Т_е. Такая структура локальных уменьшений плотности плазмы, как отмечалось выше, связана с пространственной структурой непрозрачности спорадического Е-слоя, которая проецируется на верхнюю ионосферу, приводя к локальности разогрева электронной компоненты плазмы и уменьшению ее плотности в этих областях. В этом случае пространственный масштаб вариаций плотности плазмы в слое Е_s должен составлять ~15 км. Увеличение среднего значения T_e в F₂-слое в этом сеансе составляет ∼2%. Регистрируются также быстрые вариации T_e величиной 1–2%, имеющие длительность около 2 с, что отвечает пространственному масштабу l_⊥ ≈ 15 км. Центр области с максимальными плазменными возмущениями смещен приблизительно на 25 км к югу от центра возмущенной магнитной силовой трубки, что определяется влиянием эффекта “магнитного зенита”.

Из данных, представленных на рис. 2б, 2в, можно видеть, что на интервале времени от 17.11.50 до 17.12.12 UT (интервал широт 56°–57° с.ш., что соответствует расстоянию 100–240 км к северу от центра возмущенной магнитной силовой трубки) регистрируется появление второй области с выделяющимися вариациями плотности и температуры плазмы. Можно предположить, что частое появление плазменных возмущений на этих широтах является результатом развития ИИТ в области бокового лепестка диаграммы направленности излучения мощных радиоволн. Как показали измерения [31], при наклоне диаграммы направленности излучения стенда на 12° на юг, эффективная мощность излучения в этот боковой лепесток может достигать 10 МВт, что является достаточным для возбуждения плазменных возмущений заметного уровня. Возможно также, что формирование такой выделенной области генерации ИИТ вне главного лепестка диаграммы направленности излучающей антенны стенда в определенных условиях может усиливаться в результате фокусировки мощных радиоволн на искусственных крупномасштабных неоднородностях, как это, например, наблюдалось в работе [32].

В этом сеансе КА S-А пролетал практически в то же самое время в ∼140 км к западу от центра возмущенной магнитной силовой трубки, далеко за пределами области с сильными плазменными возмущениями, определяемой развитием турбулентности в центральной части ВО ионосферы. Его приборы не зарегистрировали каких-либо видимых изменений N_e и Т_е, связанных с нагревом ионосферы мощными радиоволнами.

На рис. 2г, 2д представлены соответственно плотность продольного тока и изменение градиента восточной компоненты индукции магнитного поля. По этим данным можно видеть, что положительная величина производной ∂B_EAST/∂l, соответствующая втекающему в ионосферу току (или выносу электронов во внешнюю ионосферу), соответствует положению областей с уменьшенной плотностью плазмы. Важно отметить, что в этом сеансе вдоль орбиты спутника в области регистрации неоднородностей с уменьшенной концентрацией плазмы наблюдается последовательное чередование четыре х втекающих и трех вытекающих токов. По полученным данным величина плотности тока в них составляет 0.02 μА/м², что примерно совпадает с величинами, полученными в сеансе 27.VIII.2016. Полученные данные позволяют заключить, что в этом сеансе генерация каждой из неоднородностей концентрации плазмы с l_⊥ ≈ 30 км приводит к образованию своей системы втекающих и вытекающих токов. Из этого следует, что нельзя использовать усреднение результатов измерений за интервал времени, превышающий время пролета спутника через такую неоднородность концентрации плазмы. В рассматриваемом случае это время составляет около 4 с.

В рассматриваемом сеансе для КА S-A величина вызванных нагревом ионосферы мощными радиоволнами вариаций плотности тока и магнитной индукции была мала и находилась на уровне их фоновых флуктуаций.

3.3. Сеанс 25.IV.2016

В этом эксперименте возмущенную магнитную силовую трубку пересекала траектория КА S-В (этот спутник летит изолированно на высоте 510 км). Он пролетал в условиях ночной (неосвещенной Солнцем) ионосферы в Т* = 19.16.55 UT в направлении с севера на юг практически через центр возмущенной магнитной силовой трубки (рис. 3а). ВН излучалась на частоте f_ВН = 4300 кГц при ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$ = 4.6 МГц; высота ее отражения составляла ~240 км. Эксперимент проводился в достаточно спокойных геомагнитных условиях при несколько увеличенном уровне авроральной активности с ∑К_р = 10 и АЕ ≈ 200 нТ; предшествующее измерениям последнее усиление геомагнитной возмущенности до уровня с К_р ≈ 3–4 регистрировалось вечером 22.IV. Особенностью этого сеанса является низкая эффективная мощность излучения ВН, Р_эфф ≈ 20 МВт. Однако в ночных условиях и при повышенном уровне возмущенности ионосферы даже при такой низкой Р_эфф наблюдалось развитие очень сильной диффузности на ионограммах, что может быть связано с влиянием естественных механизмов генерации неоднородностей концентрации плазмы, усиливающих развитие ИИТ.

Рис. 3.

То же, что на рис. 1, но для сеанса 25.IV.2016.

На рис. 3б–3д представлены параметры ионосферных возмущений, зарегистрированные приборами КА S-В. На южном крае ВО на широте 54.6° можно видеть очень локальное уменьшение концентрации плазмы (панель б) и увеличение ее температуры (панель в), оба – величиной 2–4%. Небольшие вариации Т_е заметны также на северном крае ВО. Характерный размер флуктуаций Т_е вдоль орбиты спутника составлял 15–30 км. Область с возмущениями сдвинута приблизительно на 35 км на юг от центра диаграммы направленности пучка мощных радиоволн, демонстрируя, как и в предыдущих сеансах, влияние эффекта “магнитного зенита”. Именно в этой области в 19.17.01 UT регистрируется максимальные кратковременные (~2 с, что соответствует размеру области вдоль орбиты спутника ~15 км) увеличение Т_е и уменьшение N_e, которые совпадают по времени с вариациями градиента B_EAST (панель д). Эти мелкомасштабные изменения, которые представляют собой вариации внешнего магнитного поля, обусловлены возбуждаемыми в ВО продольными токами, которые пересекает спутник. В южной части ВО расположен ток, втекающий в ионосферу, что соответствует выносу электронов наверх и совпадает с областью уменьшения N_e, в то время как по краям этой области регистрируются вытекающие токи, соответствующие движению электронов вниз. Плотность тока, отвечающая выносу электронов вверх, составляет ∼0.005 μА/м². Плотность вытекающего тока (электроны движутся вниз) на южном крае возмущенной магнитной силовой трубки достигает ∼0.01 μА/м². Относительно небольшой (по сравнению с сеансами, описанными выше) уровень искусственных возмущений концентрации и температуры плазмы и индуцируемых при этом токов можно отнести за счет низкой эффективной мощности излучения ВН.

Как и в предыдущих сеансах, к северу от ВО в диапазоне широт 56.0°–56.5° наблюдается локальное увеличение флуктуаций N_e и T_e, а также небольшие вариации градиента B_EAST и плотности продольного тока величиной ~0.005 μА/м². Регулярное появление вариаций B_EAST в этой области ионосферы, как отмечалось выше, может быть связано с модификацией ионосферы через излучение бокового лепестка диаграммы направленности передающей антенны стенда.

3.4. Сеанс 7.IX.2017

КА S-С пролетал в условиях ночной ионосферы (Т* = 18.59.48 UT) на высоте 450 км в направлении с севера на юг практически через центр возмущенной магнитной силовой трубки (рис. 4а). ВН излучалась на частоте f_ВН = 4300 кГц при ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$ = = 4.4 МГц с эффективной мощностью излучения Р_эфф = 50 МВт; высота отражения ВН составляла h ≈ 260 км. Эксперимент проводился в начальной фазе развития геомагнитной суббури с К_р до 8 (∑К_р = 29^–, АЕ ≈ 300 нТ). Во время нагрева ионосферы наблюдалось развитие очень сильной диффузности на ионограммах вертикального зондирования, что связано с высоким уровнем естественной геомагнитной возмущенности. Особенностью эксперимента было то, что он проводился в условиях, когда f_ВН ≈ ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$. При этом, как показывает практика проведения нагревных экспериментов, возбуждение плазменных возмущений во внешней ионосфере не является оптимальным из-за сильного просачивания энергии ВН во внешнюю ионосферу. Это касается, например, формирования дактов плотности плазмы [9].

Рис. 4.

То же, что на рис. 1, но для сеанса 7.IX.2017.

На рис. 4б–4д представлены результаты измерений КА S-С в сеансе 7.IX.2017. Сразу после 19.00 UT, когда спутник находился вблизи южного края магнитной силовой трубки, наблюдались сильные изменения характера регистрируемых сигналов: резко пропало связанное с нагревом плазмы увеличение температуры Т_е и исчезли вариации концентрации N_e (рис. 4б, 4в). Можно предположить, что в этой области частота ВН была во время измерений выше критической частоты ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$, что привело к срыву генерации здесь ИИТ. Отмечается, что в этом сеансе максимум увеличения Т_е оказался смещенным на 40–90 км к югу от центра диаграммы направленности антенны стенда. Такое большое смещение может иметь место, когда f_ВН ≈ ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$.

Для обоих спутников в интервале широт 54°–56.5° с.ш. наблюдаются сильные вариации концентрации плазмы, причем для КА S-A, который летел в 150 км к западу от центра возмущенной трубки, они даже больше привязаны ко времени пролета спутника рядом с возмущенной магнитной силовой трубкой, показывая, в среднем, уменьшение концентрации плазмы на 24% с сильными вариациями южнее 55° с.ш. и с локальным увеличением здесь N_e. Для КА S-С в рассматриваемой области широт имеет место увеличение N_e на 13% на 55°–56° с.ш., или севернее центра возмущенной трубки. Южнее центра можно видеть флуктуации концентрации плазмы величиной ~7% с масштабом l_⊥ ≈ 30 км. Поскольку их уровень по данным обоих спутников, вообще говоря, соответствует уровню вне возмущенной трубки, трудно однозначно отнести их к искусственным.

Из данных, представленных на рис. 4г, 4д, видно, что наиболее сильные вариации плотности тока и градиента магнитного поля B_EAST с амплитудой 2 нТл наблюдаются около широты 54°, которая соответствует южному краю диаграммы направленности излучения стенда, уже вне области регистрации каких-либо видимых изменений Т_е. Немного южнее этой области на широте 53.7° обнаруживается втекающий ток плотностью до 0.02 μА/м² (область выноса электронов наверх). Также, на южном крае возмущенной трубки регистрируется вытекающий ток плотностью до 0.015 μА/м² и втекающий ток ближе к ее центру на широте около 55°. При этом, первый ток можно соотнести с областью максимума увеличения температуры Т_е на широте ~54.5°, а второй (втекающий ток) находится около максимума Т_е, расположенного вблизи центра возмущенной трубки на широте ~54.9°. Все это наблюдается на фоне флуктуаций продольных токов естественного происхождения с амплитудой до 0.01 μА/м², что сильно затрудняет выделение на их фоне индуцированных нагревом токов. Малую интенсивность индуцированных нагревом ионосферы токов можно связать с низкой эффективностью взаимодействия ВН с ионосферной плазмой в условиях, когда f_ВН ≅ ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$. Сравнение выполненных двумя спутниками измерений показывает, что поперечный (относительно геомагнитного меридиана) размер области с возбужденными токами здесь не превышает 150 км, подтверждая ранее полученные результаты.

Как можно заключить из рассмотренного примера, существование как втекающих, так и вытекающих токов возможна и в отсутствии регистрируемых спутником возмущений концентрации плазмы внутри нагретой магнитной силовой трубки, в данном примере – при наличии областей с сильным разогревом плазмы мощной радиоволной.

3.5. Сеанс 30.VIII.2016

Траектории пролетов КА S-А и S-С представлены на рис. 5а. Ближайший к области нагрева КА S-С пролетал на высоте 450 км с севера на юг в 20 км к востоку от центра возмущенной магнитной силовой трубки в вечерние часы в еще освещенной Солнцем ионосфере (Т* = 17.03.24 UT); КА S-А в это же время пролетал в 80 км к западу от центра трубки. Модификация ионосферы проводилась на частоте f_ВН = 4720 кГц при критической частоте ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$ ≈ 5.6 МГц, эффективная мощность излучения составляла Р_эфф = 95 МВт, высота отражения мощной радиоволны была около 240 км. Эксперимент проводился на стадии начала развития геомагнитных возмущений среднего уровня (∑К_р = 24⁺; во время проведения измерений индекс К_р был ~4, АЕ ≈ 500 нТ).

Рис. 5.

То же, что на рис. 1, но для сеанса 30.VIII.2016.

Спутниковые измерения представлены на рис. 5б–5д. В области от центра возмущенной трубки до ее южного края наблюдается формирование максимума концентрации плазмы (панель б) с увеличением до 3% относительно ее фонового значения без какого-либо изменения температуры Т_е в это время (панель в). Однако, когда спутник пересекал трубку от центра до ее северного края, наоборот, не наблюдается каких-либо значительных вариаций концентрации плазмы, (за исключением максимума концентрации на северном крае трубки), но регистрируется увеличение Т_е на 1–2%, не захватывающее области увеличения N_e.

Вдоль орбиты КА S-А наблюдались вариации концентрации плазмы величиной 1–2% без значимых изменений Т_е. В этих измерениях регистрируются области с повышенной концентрацией электронов, что не типично для результатов ранее рассмотренных нагревных экспериментов, причем не наблюдается какой-либо их корреляции с вариациями температуры электронов.

Результаты измерений индуцируемых нагревом ионосферной плазмы плотности токов, выполненные бортовой аппаратурой КА S-C, приведены на рис. 5г, 5д, из которых можно сделать следующие выводы об их величине и пространственной структуре. Видно, что в южной части трубки – в области, где была зарегистрирована область с увеличенной концентрацией плазмы, наблюдается положительный (втекающий в ионосферу) ток плотностью до 0.015 μА/м² с максимумом на широте 54.8°. Этот ток соответствует выносу электронов из центральной части ВО ионосферы вверх во внешнюю ионосферу. На широтах 53.8° и 55.8°, или на ~110 км севернее и ~110 км южнее этой области, регистрируются отрицательные токи плотностью до 0.01 μА/м², отвечающие наоборот движению электронов вниз из верхней ионосферы. Форма вариации B_EAST (последовательное увеличение и уменьшение B_EAST вдоль траектории пролета в области нагрева) подтверждает пересечение спутником втекающего и вытекающего продольных токов.

Отличительные особенности этого эксперимента от рассмотренных ранее связаны с тем, что измерения проводились в условиях развивающейся магнитной суббури, когда при индексе АЕ ≈ 500 нТ авроральные возмущения опускаются до широты стенда СУРА, сильно изменяя как условия взаимодействия мощной радиоволны с ионосферной плазмой, так и возможность регистрации искусственных плазменных возмущений [33]. Не исключено, что в этих измерениях регистрировались токи естественного происхождения. Как и раньше, уменьшение плотности плазмы в области 56°–57° с.ш. с увеличением здесь Т_е можно отнести за счет модификации ионосферы в области бокового лепестка диаграммы направленности излучения антенны стенда.

3.6. Сеанс 27.V.2017

КА S-В пролетал в условиях ночной ионосферы (Т* = 21.40.34 UT) на высоте 510 км в направлении с юга на север в 30 км к востоку от центра возмущенной магнитной силовой трубки (рис. 6а). Модификация ионосферы проводилась с 20.00.00 UT до 21.27.00 UT на f_ВН = 4740 кГц в режиме [3 мин – излучение, 3 мин – пауза], эффективная мощность излучения ВН составляла Р_эфф = 85 МВт, высота ее отражения была ~280 км. Эксперимент проводился во время начала развития геомагнитных возмущений, но еще в достаточно спокойных геомагнитных условиях (∑К_р = 13⁺, АЕ ≈ 200 нТ). Особенностью этого сеанса являлось то, что во время измерений значение критической частоты ${{f}_{{0{{F}_{{\text{2}}}}}}}$ плавно уменьшалось от 4.7 МГц в 20.30.00 UT до 4.5 МГц в 21.00.00 UT и до 4.3 МГц в 21.30.00 UT. Отмечалось, что даже при ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$ ≈ 4.5 МГц во время нагрева ионосферы еще продолжало наблюдаться развитие сильной диффузности на ионограммах. Однако ее уровень резко ослаб, когда значение ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$ упало ниже 4.5 МГц. Возможность генерации интенсивных искусственных ионосферных неоднородностей при частоте ВН, превышающей частоту ${{f}_{{0{{F}_{{\text{2}}}}}}}$ на величину до ∼200 кГц, неоднократно отмечалась ранее (см., например, [34, 35]). Этот эффект связан с тем, что даже в этих условиях частота верхнегибридного резонанса (в нашем случае f_ВГР ≈ 4.56 МГц) остается меньше ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$ и, хотя с меньшей эффективностью, продолжается развитие тепловой (резонансной) параметрической неустойчивости. Особенно это проявляется при уже сильно развитой ИИТ. Исходя из этого, можно считать, что после 21.00.00 UT модификация ионосферы фактически проводилась в условиях нагрева “на просвет” без генерации искусственных ионосферых неоднородностей. Последнее включение ВН в этом сеансе измерений было с 21.24.00 до 21.27.00 UT, т.е. еще за 14 мин до пролета спутника и заведомо уже в режиме нагрева “на просвет”. Если считать, что генерация ИИТ и искусственных неоднородностей концентрации плазмы закончилась где-то после 21.00 UT, когда величина ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$ стала ниже 4.5 МГц, то в обычных условиях за время 30–40 мин неоднородности вплоть до километровых масштабов должны были бы уже в значительной степени релаксировать. Кроме того, существующий на ионосферных высотах горизонтальный дрейф плазмы ночью со скоростью 30–100 м/с даже в спокойных геомагнитных условиях, должен был привести к выносу индуцированных нагревом ионосферы возмущений плотности из центральной части ВО на расстояние 50–180 км, как это наблюдалось, например, в экспериментах [36]. Все вышесказанное указывает на то, что аппаратура спутника не должна была регистрировать в ранее возмущенной магнитной силовой трубке сколь-нибудь значительных искусственных возмущений. Однако это оказалось не так.

Рис. 6.

То же, что на рис. 1, но для сеанса 27.V.2017.

На рис. 6б, 6в представлены результаты измерений N_e и T_e в интервале широт 53°–57° с.ш. Для этого сеанса были характерны большие фоновые градиенты параметров ионосферной плазмы: на промежутке между 54° и 56° величина N_e уменьшилась с 9000 до 7000 см^–3 при росте T_e от 1400 до 1500 К. Для того, чтобы выделить на этом фоне мелкомасштабные флуктуации, линейные тренды при обработке данных были вычтены. На рис. 6б, 6в можно видеть, что в области широт 54.5°–55.5° наблюдаются чередующиеся уменьшения и увеличения N_e величиной до 3–7%, которые расположены внутри возмущенной магнитной силовой трубки, опирающейся на центральную часть ВО ионосферы с сильно развитой ИИТ в условиях ее модификации мощной радиоволной. Размер вариаций плотности плазмы вдоль орбиты спутника в этой структуре составляет около 15 км для областей с пониженной плотностью и ∼25 км для областей с повышенной плотностью плазмы. Коррелированное уменьшение плотности плазмы и увеличение температуры электронов было зарегистрировано только на южном крае трубки. Остальные вариации N_e не имеют своего соответствующего отклика в вариациях T_e.

Рисунок 6г, 6д показывает, что около 21.40.53 UT близко к центру возмущенной трубки (в области наиболее сильной неоднородности с дефицитом концентрации плазмы, но лишь слабого увеличения температуры электронов) регистрировался втекающий ток, отвечающий выносу электронов наверх, в то время как по краям возмущенной трубки (измерения в 21.40.46 UT и 21.41.02 UT) регистрировались вытекающие токи. Величины плотности всех этих токов были ~0.005 μА/м². Положение втекающего тока вблизи южной границы трубки соответствует области с наиболее высокой температурой T_e. Как нетрудно видеть, в рассматриваемом случае области со значительно повышенной температурой и пониженной концентрацией могут не совпадать. Остается неясным: почему через ~30 мин после окончания эффективного воздействия мощной радиоволной на ионосферную плазму, когда должна наблюдаться стадия релаксации плазменных возмущений, в центе возмущенной магнитной силовой трубки продолжают регистрироваться втекающий ток (как на стадии развития неоднородности), который соответствует выносу электронов вверх, так и сильные неоднородности плотности плазмы? Нельзя исключать, что в ночных условиях проведения измерений, когда они к тому же проводятся при повышенном уровне геомагнитной активности, после выключения ВН поддержание неоднородностей концентрации плазмы осуществляется уже за счет естественного механизма их образования, как это имело место, например, в экспериментах [37].

В качестве другой причины, оказывающей влияние на поддержание высокого уровня неоднородностей плотностей плазмы, может рассматриваться высыпание энергичных электронов из радиационного пояса Земли, стимулированное нагревом ионосферы мощным КВ радиоизлучением [33]. Однако эта гипотеза нуждается в экспериментальной проверке и теоретическом обоснований.

3.7. Результаты других измерений

Представленные в разделах 3.1–3.6 результаты экспериментальных исследований демонстрируют влияние различных факторов на генерацию и свойства продольных электрических токов, возбуждаемых при модификации среднеширотного F₂-слоя ионосферы мощными КВ радиоволнами. Помимо этих имеются данные и других сеансов измерений, которые подтверждают или дополняют сделанные выше выводы. Так измерения, проводимые в условиях очень сильных геомагнитных возмущений (как, например, для 2.IX.2016, когда индекс К_р достигал значений 5–6 при АЕ ≈ 800–1000 нТ), не позволили получить сколь-нибудь значимые результаты по характеристикам искусственных плазменных возмущений и индуцированных нагревом ионосферным токам из-за высокого уровня естественной возмущенности ионосферы на широте стенда СУРА. Не удалось обнаружить генерацию продольных токов, когда измерения проводились в условиях освещенной ионосферы в поздние утренние и полуденные часы, когда генерация искусственных плазменных возмущений ионозондом либо вообще не регистрировалась, либо они имели слабую интенсивность. Следует дополнительно отметить, что эти измерения проводились, когда высота отражения ВН была 180–190 км, т.е. ниже 200 км, что является неоптимальным для генерации интенсивной искусственных плазменных возмущений во внешней ионосфере [9]. Кроме того, в ряде случаев измерения проводились при частоте ВН лишь немного ниже критической частоты ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$, что также не отвечало оптимальным условием генерации возмущений.

Дополнительно к данным, представленным в разделах 3.1–3.6, были получены и другие примеры, когда регистрация на высоте h ≈ 450 и 500 км крупномасштабной неоднородности с пониженной концентрацией плазмы не сопровождалась ростом в этой области температуры электронов, и наоборот, область с увеличенной Т_е не совпадала с областью с пониженной плотностью плазмы. Тем не менее, во внешней ионосфере при этом регистрировалась генерация продольных электрических токов.

3.8. Сводка результатов исследований условий генерации и свойств электрических токов, индуцируемых при нагреве ионосферы мощными радиоволнами

Анализ результатов выполненных на среднеширотном стенде СУРА исследований позволяет сделать следующие выводы.

1) При модификации среднеширотной ионосферы мощными КВ радиоволнами О-поляризации на высотах внешней ионосферы (~500 км) наблюдается образование определенной пространственной структуры продольных электрических токов. Преимущественно это происходит в условиях вечерней и ночной ионосферы при достаточно высоких мощностях ВН (как правило, при Р_эфф ≥ 50 МВт), когда ее частота была ниже критической частоты F₂-слоя. В этом случае на ионограммах вертикального зондирования регистрируются развитие как сильного или очень сильного F-рассеяния, так и подавление сигналов на частотах вблизи частоты ВН на обеих модах распространения вследствие развития эффектов их аномального поглощения и рассеяния в свою моду, что является свидетельством развития интенсивной ИИТ при взаимодействии мощной радиоволны О-поляризации с плазмой верхней ионосферы Земли. Отметим, что выполнение вышеперечисленных условий является также необходимым для развития интенсивных плазменных возмущений на высотах внешней ионосферы и появления высыпаний энергичных электронов из радиационного пояса Земли.

Однако даже при выполнении этих условий, но при сильной геомагнитной возмущенности, индуцированные нагревом ионосферы продольные электрические токи не регистрировались аппаратурой спутника, поскольку в таких условиях граница аврорального овала опускается до широты стенда СУРА, что приводит к невозможности выделения искусственных токов на фоне более сильных их естественных составляющих. Кроме того, рост геомагнитной активности вызывает увеличение регулярного поглощения радиоволн в нижних слоях ионосферы, уменьшая транспортируемую в верхнюю ионосферу мощность ВН и, следовательно, интенсивность возбуждаемой турбулентности. На генерацию электрических токов также сильное влияние может оказать присутствие спорадического слоя Е_s, когда он ослабляет интенсивность прошедшей в верхнюю ионосферу мощной радиоволны и может даже экранировать ее полностью по всей ВО или в локальных ее областях.

Измеренная величина плотности втекающего в ионосферу тока, который связывается с выносом электронов из сильно нагретой центральной части ВО ионосферы, составляет в среднем около 0.02 μА/м² при эффективной мощности излучения ВН Р_эфф ≈ 50 МВт и оптимальных условиях модификации верхней ионосферы; в неоптимальных условиях величина плотности продольного тока была в 2–4 раза меньше, опускаясь почти до уровня его обнаружения или даже ниже.

Результаты выполненных экспериментов позволяют заключить, что эффект “магнитного зенита” при модификации F₂-области ионосферы оказывает сильное влияние на эффективность как генерации ИИТ, так и системы электрических токов.

Для выяснения механизма генерации продольных токов важным является получение ответа на вопрос, как соотносятся пространственные структуры вариаций электронной концентрации и температуры плазмы с вариациями плотности продольных электрических токов. Казалось бы, что этот ответ содержится в представленных в разделе 3.2 измерениях, когда череда прозрачных и непрозрачных участков спорадического слоя Е_s приводила к формированию соответствующей “мозаичной” структуры ВО в верхней ионосфере с областями с уменьшенной концентрацией плазмы, в которых наблюдается увеличение температуры T_e. Как видно из рис. 2, положение областей с уменьшенными значениями N_e и увеличенной температурой T_e совпадает с положением областей с втекающими токами или с выносом электронов из центральной части ВО наверх вдоль силовых линий геомагнитного поля. Подобная структура возмущений плотности и температуры плазмы отвечает структуре продольных токов, измеренных в лабораторных экспериментах [20–22], обсуждение результатов которых представлено в следующем разделе работы. Однако в нагревных ионосферных экспериментах такая корреляция положения плазменных возмущений и токов имела место далеко не всегда. Как было продемонстрировано разделе 3, область втекающего тока может соответствовать области сильного разогрева плазмы, но при этом может не регистрироваться обычно наблюдающееся уменьшение ее плотности. И наоборот, положение втекающего тока может совпадать с областью изменения концентрации плазмы в отсутствии видимых изменений ее температуры. Все это может указывать на то, что измеряемые аппаратурой спутников вариации плотности и температуры плазмы на высотах 450 и 510 км не всегда находятся в соответствии друг с другом. Поэтому они могут и не являться теми плазменными возмущениями, развитие которых определяет генерацию электрических токов.

Как было отмечено во введении, область высот 450–500 км является промежуточной, где происходит изменение механизмов формирования плазменных возмущений. На этих высотах уже не проявляются в полной мере свойства центральной части ВО: например, не регистрируется сильное понижение плотности плазмы за счет ее разогрева вблизи высоты отражения ВН, но еще могут наблюдаться сильные вариации температуры электронов Т_е, присущие центральной части ВО. В то же время, исследуемая в данной работе область находится ниже высот ~600 км, где при модификации F₂-области наблюдается формирование дактов с большой избыточной плотностью плазмы, но с достаточно слабыми вариациями Т_е. Как показано в [23], вариации плотности плазмы в этой промежуточной области (на высотах орбит КА SWARM) не отражают того, что наблюдается выше и ниже ее. Поэтому в зависимости от того, как далеко по высоте орбита спутника проходит относительно центральной части ВО, могут наблюдаться различные соотношения между индуцируемыми нагревом плазменными возмущениями и связанными с этим электрическими токами. В одних случаях они могут отражать в большей степени вклад области ионосферы с дефицитом плотности плазмы, располагающейся вблизи высоты отражения ВН, тогда как в других – вклад области внешней ионосферы с дактом плотности плазмы и генерируемых на этих высотах неоднородностей.

Особый интерес представляют результаты измерений, когда спутник пролетал в условиях выключенной уже в течение 13 мин ВН (см. раздел 3.6). Более того, еще за 30 мин до его пролета через возмущенную магнитную силовую трубку критическая частота ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$ упала ниже частоты 4.5 МГц при f_вн = 4740 кГц и по ионограммам было отмечено сильное уменьшение эффективности взаимодействия мощной радиоволны с плазмой. Поэтому следовало бы считать, что в этом сеансе измерения проводились, фактически, на стадии релаксации ИИТ. Однако аппаратура спутника зарегистрировала, как и в случае измерений во время нагрева ионосферы (на стадии развития ИИТ), втекающий ток, хотя и небольшой величины J ≈ 0.005 μА/м². Причиной этого возможно является то, что в условиях проведения измерений в ночное время суток да еще при повышенном уровне геомагнитной активности поддержание неоднородностей концентрации плазмы, сгенерированных во время модификации ионосферы мощными радиоволнами, может продолжаться часами уже за счет естественных механизмов, как это наблюдалось в [37]. Здесь также еще предстоит выяснить роль стимулированного нагревом плазмы высыпания энергичных электронов на генерацию плазменных возмущений.

2) Выполненные эксперименты показали, что часто для рассматриваемых в работе измерений на расстоянии ∼200 км к северу от центра возмущенной магнитной силовой трубки обнаруживалась выделенная область с сильными флуктуациями концентрации и температуры плазмы, которые по своим характеристикам были очень похожи на искусственные. При этом в этой области регистрировалась своя система втекающих и вытекающих продольных электрических токов. Существование такой области может быть связано с воздействием на ионосферную плазму мощной радиоволной, излучаемой в первый северный боковой лепесток диаграммы направленности антенны стенда. Как было определено в работе [31], он заметно усиливается при наклоне диаграммы направленности на 12° на юг по сравнению с вертикальной диаграммой излучения стенда. По своему уровню он на 8 дБ слабее главного лепестка, что соответствует эффективной мощности излучения в нем ~10 МВт, достаточной для генерации ИИТ в вечерних и ночных условиях [1, 4]. Следует принимать во внимание, что воздействие на плазму в этих областях может усиливаться за счет дополнительной фокусировки мощной радиоволны на создаваемых при нагреве ионосферы градиентах плотности плазмы, как это наблюдалось в экспериментах [32].

3) При интерпретации результатов спутниковых измерений необходимо учитывать следующее. Как хорошо установлено (см., например [3, 4, 7, 9]), над стендом СУРА возмущения концентрации плазмы в центральной части ВО и на высотах внешней ионосферы имеют сложную пространственную структуру, захватывая большой объем ионосферы: от ~100 до >1000 км по высоте и до 500 км в горизонтальном направлении. При этом измерение характеристик плазменных возмущений бортовой аппаратурой спутника в большинстве случаев носит единичный характер и выполняется только вдоль его орбиты на ее высоте. Это резко ограничивает объем получаемой необходимой информации о свойствах плазменных возмущений в ВО ионосферы и уменьшает возможности соотносить их с результатами других измерений. Следует также иметь в виду, что пространственная структура электрических токов в ионосфере, которая формируется вкладом многих плазменных возмущений, располагающихся на разных высотах, должна, естественно, сильно отличаться от ее характеристик для случая уединенной неоднородности, обычно используемой для теоретических и модельных расчетов.

4) Генерация индуцированных нагревом ионосферы электрических токов не наблюдается в условиях, если: а) частота ВН была близка или выше критической частоты ${{f}_{{0{{F}_{2}}}}}$; б) высота ее отражения была ниже 200 км, где свойства ионосферы начинают резко изменяться из-за быстро возрастающего влияния нейтралов на свойства плазмы и на взаимодействие мощной радиоволны с ней; в) эффективная мощность излучения ВН была низкой (≤20 МВт), когда нет полного развития всех компонент ИИТ; г) эксперименты проводились в освещенной ионосфере с развитыми Е и F₁ слоями, когда наблюдается формирование дефокусирующей линзы на высотах 130–180 км, что с учетом еще и высокого регулярного поглощения радиоволн в нижней ионосфере приводит к сильному (до 20 дБ и больше) уменьшению транспортируемой в верхнюю ионосферу мощности ВН; д) имела место сильная геомагнитная активность, когда граница авроральной ионосферы опускается до широты расположения стенда СУРА и изменяется характер взаимодействия мощной радиоволны с плазмой; при этом естественная турбулентность может превышать уровень искусственной, маскируя тем самым проявление нагревных эффектов.