Анализ данных измерений искусственного оптического свечения ионосферы

Анализ данных измерений искусственного оптического свечения ионосферы

Анализ данных измерений искусственного оптического свечения ионосферы

Оглавление

оптическое свечение ионосфера радиоволна

Введение

Глава 1. Оптическое свечение ионосферы при воздействии мощными радиоволнами (краткий обзор)

1.1 Искусственное оптическое свечение ионосферы

.2 Эффекты воздействия

Глава 2. Постановка эксперимента

Глава 3 Обработка данных эксперимента

Глава 4. Анализ данных эксперимента, проведенного в марте 2010 г.

.1 Результаты эксперимента 15 марта 2010 г.

.2 Результаты эксперимента 16 марта 2010 г.

.3 Результаты эксперимента 17 марта 2010 г.

Заключение

Список использованных источников

Введение

Исследования поведения ионосферной плазмы при воздействии мощного КВ радиоизлучения с использованием нагревных стендов ведутся уже около 40 лет. В настоящее время экспериментальные исследования проводятся на 5 действующих нагревных установках. Одна расположена в России (стенд «Сура» в р/п Васильсурск Нижегородской области), две в Европе (EISCAT, в Тромсе (Северная Норвегия) и SPEAR на о. Шпицберген) и две в США (HAARP и HIPAS на Аляске).

Следует отметить, что на Земле действуют много вещательных и других радиостанций, мощность которых не меньше мощности установок воздействия на ионосферу, а нередко и превосходит ее. Разница заключается в том, что радиоизлучение станций воздействия специально сфокусировано вблизи вертикального направления. Это дает возможность радиоволнам достичь области плазменного резонанса в окрестности точки отражения мощной волны (волны накачки) обыкновенной поляризации.

Наиболее интенсивные эффекты имеют место в F-слое ионосферы, на высотах 200-300 км. Концентрация электронов в максимуме слоя варьируется в пределах от 105 до 106 электронов в 1 см-3 в зависимости от времени суток и солнечной активности. Эффективность воздействия является следствием близости частоты возбуждающей волны с частотами собственных колебаний плазмы. В результате в области резонанса происходит возбуждение собственных колебаний плазмы, развивается плазменная турбулентность, что и служит причиной заметного нагрева электронов, их ускорения вплоть до энергий порядка 30 эВ, структуризации плазмы, генерации искусственного радиоизлучения и ряда других интересных физических явлений [1,2].

Диагностика возмущенной области ионосферы осуществляется с помощью радиозондирования и просвечивания возмущенной области ионосферы пробными радиоволнами различных диапазонов (КВ, УКВ, СВЧ), а также при измерениях излучения из возмущенной области в оптическом и радио диапазонах [3-7]. Наблюдения искусственного оптического свечения используются для изучения характеристик ускорения электронов, а также для картографирования ионосферных возмущений, в частности перемещения плазменных неоднородностей [8].

В дипломной работе представлены результаты исследований искусственного оптического свечения ночного неба в диапазоне красного видимого света (длина волны λ=630 нм), выполненных на стенде «Сура» в марте 2010 г.

Глава 1 Оптическое свечение ионосферы при воздействии мощными радиоволнами (краткий обзор)

.1 Искусственное оптическое свечение ионосферы

Свечение ионосферы в оптическом диапазоне, связанное с воздействием мощных радиоволн широко исследуется в экспериментах. Искусственное оптическое излучение возникает в результате возбуждения соответствующих уровней атомов, молекул и ионов при столкновениях с электронами, энергия которых превышает потенциал возбуждения соответствующих линий, и по измерениям такого излучения можно судить о функции распределения и концентрации электронов, ускоренных плазменными волнами, возникающими в результате воздействия. Измерения искусственного оптического свечения проводятся также для изучения крупномасштабной структуры возмущенной области, а также сравнения эффективности возбуждения свечения в различных линиях [9].

Первые исследования естественного свечения атмосферы проводились лордом Рэлеем в 20-х годах прошлого века. В его честь в 1956 году была названа внесистемная единица измерения поверхностной яркости свечения. Интенсивность излучения 1 R соответствует эмиссии 106 фотонов за одну секунду в столбе сечением 1 см². Интенсивность в рэлеях численно равна световому потоку (выражаемому в миллионах фотонов в секунду), приходящему на 1 см² нормальной к лучу зрения площадки из телесного угла в один стерадиан.Для изучения крупномасштабной структуры возмущенной области с помощью искусственного оптического свечения и сравнения эффективности возбуждения свечения в различных линиях используются цифровые видео- и фотокамеры с широким обзором, c помощью которых получают «портреты» ночного неба. Основные измерения проводятся в красной (630 нм) и зеленой (557.7) линиях атомарного кислорода, связанных с излучением уровней O(¹D) и O(¹S) с энергиями возбуждения 1.96 и 4.17 эВ и временами жизни 107 с и 0.7 с, соответственно.

В ходе фотохимических реакций в верхней атмосфере могут испускаться кванты излучения в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной частях спектра. Соответствующие эмиссии и составляют свечение атмосферы, которое наблюдается на всех широтах и является фактически постоянным. В основном оно вызывается солнечным, ультрафиолетовым и рентгеновским излучением. Несмотря на то, что свечение имеет место всегда, его трудно наблюдать днем. Ночью же оно дает основной вклад в общее свечение неба, превышая суммарную светимость звезд. Искусственное оптическое свечение появляется, как уже указывалось, вследствие появления возбужденных частиц при столкновениях атомов, молекул или ионов с энергичными электронами, ускоренными плазменными волнами или нагретыми до соответствующих температур.

В основном атмосферные эмиссии обуславливаются наличием возбужденных частиц и их последующим переходом в основное состояние. Непосредственными причинами являются несколько процессов, в частности следующие:

·        В реакциях радиоактивной рекомбинации испускаются кванты излучения;

·        Продукты реакции часто находятся в возбужденном состоянии, а затем высвечиваются при переходе в основное состояние;

·        Возбужденные частицы могут быть образованы при столкновении с энергичными электронами, возникающими при ионизации и в электрических полях;

·        Возбуждение частиц может быть обусловлено действием солнечного излучения, дающего резонансные эмиссии.

Характеристики основных эмиссий, в порядке возрастания порогов возбуждения, приведены в Таблице 1. Зависимости соответствующих сечений возбуждения от энергии электронов, показаны на рисунке 1.

Таблица 1. Характеристики основных эмиссий.

Рис.1. Сечения возбуждения основных эмиссий искусственного свечения. По горизонтальной оси - энергия ударяющих электронов в эВ, по вертикальной оси - сечения в см². 1 - O(¹D), 2 - O(¹S), 3 - B³_g (1РN₂), 4 - система 2PN₂, 5 - B²⁺_u (1NN₂⁺).

В F-области ионосферы возбужденные атомы образуются в реакции диссоциативной рекомбинации. Выделяется энергия около 7 эВ и возбужденные атомы могут находится в состоянии ¹S или ¹D. Обнаружено, что интенсивность линии 630.0 нм тесно связана с измеряемыми в области F параметрами. Линии 557.7 нм и 630.0/636.4 нм - это основные линии, которые наблюдаются в экспериментах по воздействию мощным КВ радиоизлучением на ионосферу. Кроме того, в экспериментах на стендах HAARP и EISCAT уверенно зарегистрированы эмиссии в длинах волн 844.6 нм с порогом возбуждения 10.99 эВ, и 427.8 нм с порогом возбуждения 18 эВ.

Рис.2. Схема переходов при излучении атомарного кислорода.

. Эффекты воздействия

Вследствие воздействия мощной КВ радиоволны обыкновенной поляризации (волны накачки) на плазму F-слоя ионосферы в ней возникает плазменная турбулентность (искусственная ионосферная турбулентность). К искусственной ионосферной турбулентности относят собственные высокочастотные плазменные волны (ленгмюровские, верхнегибридные) с частотами f ~ f₀, (f₀ - частота волны накачки), а также различные низкочастотные возмущения: ионно-звуковые и нижнегибридные волны, вынужденные ионно-звуковые колебания, неоднородности концентрации плазмы различных масштабов (от нескольких см до десятков км), вытянутые вдоль геомагнитного поля [1,2].

Наиболее быстро после включения волны накачки в ионосфере развивается параметрическая неустойчивость, связанная со стрикционной нелинейностью. Она развивается вследствие выдавливания плазмы из областей с повышенной интенсивностью электрического поля E (усредненная высокочастотная сила, действующая на заряженную частицу ), значении электрического поля волны накачки Е₀>Е_пс - некоторого порогового поля и приводит к возбуждению ленгмюровских волн и ионно-звуковых колебаний. В то же время в неоднородной среде - ионосфере существенным становится эффект разбухания поля волны накачки. При увеличении мощности волны накачки порог стрикционной параметрической неустойчивости достигается сначала вблизи точки отражения. Здесь возбуждается одномерная турбулентность: волновые векторы плазменных волн (ленгмюровских волн) и ионно-звуковых возмущений параллельны магнитному полю B. Амплитуда отраженного от ионосферы сигнала мощной волны через 1 - 5 мс после включения волны накачки уменьшается из-за стрикционного самовоздействия.

За время порядка 0.5-5 с после включения волны накачки в F-области ионосферы развивается тепловая параметрическая неустойчивость (ТПН) - параметрическая неустойчивость, обусловленная омическим нагревом плазмы в суммарном поле волны накачки и плазменных волн. ТПН приводит к возникновению плазменных волн локализованных вблизи уровня верхнего гибридного резонанса волны накачки (верхнегибридных волн) и мелкомасштабных (<λ₀ = c/f₀) неоднородностей плотности плазмы сильно вытянутых вдоль геомагнитного поля с широким спектром поперечных геомагнитному полю масштабов от долей метра до десятков метров - «верхнегибридной» турбулентности. Тепловая нелинейность оказывается сильнее стрикционной, когда , , , где характерные продольные и поперечные B масштабы низкочастотных возмущений, длина свободного пробега и гирорадиус тепловых электронов, τ - характерное время их развития. В процессе ТПН биения волны накачки и плазменных волн создают неоднородный источник нагрева электронов. Плазменных волны возникающие в результате рассеяния волны накачки на мелкомасштабных неоднородностях должны быть почти ортогональны B. Развитие ТПН приводит к аномальному ослаблению волны накачки.

Процессы, протекающие в ионосфере под воздействием мощной КВ радиоволны показаны на рисунке 3 [10].

Рис.3. Искусственная ионосферная турбулентность под действием мощной КВ радиоволны.

Первые теоретические модели процессов возникновения надтепловых частиц при воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением основывались на одномерной квазилинейной теории ускорения электронов плазменными волнами, возбуждающимися в процессе развития стрикционной параметрической неустойчивости вблизи точки отражения мощной волны. Условием эффективного ускорения, как известно, является условие Черенкова: ω=kv, где ω - частота плазменной волны, k - ее волновой вектор, а v - скорость электрона. Поэтому эффективно взаимодействуют с плазменной турбулентностью электроны с энергиями  (V₀= ω/k_p - фазовая скорость плазменных волн).

Для повышения эффективности ускорения необходимо увеличение времени жизни электронов в области локализации плазменной турбулентности, что может быть достигнуто за счет многократного пересечения электроном этой области, вследствие упругих соударений с тяжелыми частицами. Величина времени жизни возрастает также вследствие эффекта турбулентного удержания электронов в области ускорения, обусловленного их рассеянием на плазменных волнах при не одномерном распределении последних в пространстве волновых векторов. Такая не одномерность возникает при достаточно высоком уровне турбулентности из-за нелинейной перекачки плазменных волн по спектру. Увеличение уровня турбулентности приводит к увеличению эффективности ускорения и к улучшению условий удержания быстрых электронов в области ускорения.

ВЧ плазменные волны ускоряют электроны до энергий 5-30 эВ. Эти энергии превышают энергии возбуждения уровней ¹S и ¹D атомарного кислорода (что показано на рисунке 2), следовательно, в результате столкновений ускоренных электронов с нейтральными частицами, они могут возбуждать искусственное оптическое свечение в экспериментах по воздействию на ионосферу.

Необходимыми для успешной регистрации искусственного оптического свечения являются следующие условия: 1) отсутствие облаков; 2) отсутствие Луны, измерения должны проводиться в периоды, близкие к новолунию; 3) критические частоты ионосферы (F-области) должны превышать минимальную рабочую частоту волны накачки, для стенда «Сура» fmin=4.3 МГц.

Глава 2. Постановка эксперимента

Для создания возмущенной области ионосферы (генерации искусственного оптического свечения и радиоизлучения) с помощью излучения мощной коротковолновой радиоволны использовался радиопередающий комплекс стенда «Сура» (географические координаты 56,13° с.ш, 46,10° в.д, восточное магнитное склонение ≈ 10,5°, магнитное наклонение ≈ 71.5°). Первые эксперименты на стенде проводились в 80-х годах [3] с помощью оптического телескопа Казанского государственного университета, в 90-х годах - с использованием цифровых ФПЗС-камер американских и английских ученых [8,11]. В течение 2006-2008 г.г. на стенде «Сура» был создан собственный комплекс аппаратуры для исследований искусственного оптического свечения. В его состав входят четыре специально изготовленных фотометра и цифровая телевизионная ФПЗС-камера S1C/079-FP(FU). Однако в силу низкой активности Солнца, и следовательно, низких критических частот ионосферы в течение 2006-2009 гг. искусственное ионосферное свечение наблюдалось всего лишь однажды 29 августа 2009 г. в течение нескольких циклов нагрева. Первая удачная серия исследований с использованием созданного фотометрического комплекса была проведена в марте 2010 года.

Эксперимент проводился следующим образом: стенд «Сура» излучал вертикально вверх или под углом 12° к югу от вертикали в плоскости магнитного меридиана мощную радиоволну на частоте 4.3 МГц. Воздействие на ионосферу осуществлялось во временном режиме чередования длинных импульсов с короткими паузами и коротких импульсов, в темное время суток, в период новолуния при критической частоте F-области ионосферы, превышающей значение 4.3 МГц - минимальную рабочую частоту стенда «Сура». Эффективная мощность излучения составляла 120 МВт. Временной ход излучаемого излучаемого сигнала показан схематически на рисунке 4.

Рис.4. Схема временного хода сигнала стенда «Сура».

Длительность коротких пауз составляла 0.03 с, период повторения - 1 с, длительность коротких импульсов - 0.05 с, период повторения - 3 с. Реально наблюдения проводились 15-18 марта, после 19:00 московского времени (16:00 UT).

Ширина диаграммы направленности излучающей системы стенда «Сура» на частоте 4.3 МГц составляет ≈ 12° при вертикальном излучении и приблизительно на 1-2° шире для угла наклона луча примерно на 12°. Полный нагревный цикл излучения во все дни исследований составлял 6 минут. 15 марта длительность квазинепрерывной посылки составляла 2 мин., длительность излучения коротких импульсов - 4 мин.; 16 марта соответственно - 1.5 мин. и 4.5 мин. ; 17 марта сначала использовалась длительность квазинепрерывной посылки 2 мин. (до 20:31 LT), затем 3 мин. (до 21:07 LT), а после этого снова 2 мин. Время начала эксперимента определялось уменьшением (после захода Солнца) сигнала с фотометров при открытых крышках ниже уровня насыщения (это происходит приблизительно через 1.5 часа после захода Солнца, Солнце при этом находится на ≈ 9º ниже горизонта).

Для регистрации оптического свечения использовалась следующая аппаратура: (а) цифровая телевизионная ФЗПС камера S1C/079- FP(FU) для регистрации черно-белых изображений с низким уровнем освещённости, оснащенными светофильтром на длину волны 630.0 нм и светосильным объективом NC-2 ; (б) 2 фотометра с полем зрения ~ 7º со светофильтрами на длины волн 630.0 нм и 557.7 нм с постоянной времени интегрирования 1 мс. Выходные сигналы с камеры S1C/079- FP(FU) подавались через специализированный PCI-адаптер на компьютер Pentium-4, где и записывались. Выходные сигналы в фотоэлектронном умножителе фотометров регистрировались с помощью АЦП с частотой оцифровки 1 кГц.

Камера S1C/079- FP(FU) представляет собой фотоприемное устройство с числом эффективных пикселей 578х576, с размером пикселя 22х22 мкм. Спектральная чувствительность составляет 58% на длине волны λ=630 нм.

Во время наблюдений на камеру был установлен светосильный объектив NC-2 с диаметром входной линзы 34 мм и фокусным расстоянием 35 мм, снабженный интерференционным светофильтром на длину волны 630 нм (линия O¹D атомарного кислорода) с шириной полосы пропускания 10 нм и коэффициентом пропускания 77%. Луч передающей антенны стенда «Сура» был ориентирован 15 марта и 16 марта вертикально в зенит, 17 марта был наклонен на юг на 12° к вертикали в плоскости магнитного меридиана. Поляризация излучаемой волны - обыкновенная. Следует отметить, что в соответствии с рельефом местности, диаграмма направленности стенда «Сура» имеет регулярный сдвиг наклона диаграммы на 2° к югу, что учитывалось нами при анализе данных. Одновременно с измерением оптического свечения производилось снятие ионограмм каждые 10 мин для определения ионосферной обстановки. Однако некоторые ионограммы, полученные в ходе работы на установке «Сура», было невозможно проанализировать вследствие сильного аномального поглощения сигнала ионозонда во время воздействия волны накачки. В соответствии с анализом ионограмм отражение волны накачки и, следовательно, взаимодействие волны накачки с плазмой происходило на высотах порядка 250-270 км. В задачу дипломной работы входила обработка и предварительный анализ предоставленных мне данных эксперимента по регистрации искусственного оптического свечения с помощью ФПЗС камеры, а также сопоставление полученных результатов с результатами работы 2007 г., где были обнаружены некоторые закономерности поведения пятна искусственного свечения в красной линии.

Глава 3. Обработка данных эксперимента

Всего за время эксперимента было зарегистрировано около 1500 снимков ночного неба, из них проанализировано около тысячи снимков. Остальные, в том числе все данные, полученным 18 марта, оказались непригодными к обработке вследствие влияния облачной дымки. Обработка полученных изображений была произведена в среде Matlab. Все файлы-снимки представлялись в виде цифровых матриц, где каждое значение матрицы было равно измеренному значению тока с пикселя ФПЗС-матрицы в единицах ADC. Единица ADC соответствует 15 фотоэлектронам на пиксель и соответствуют количеству фотонов, пришедших за время экспозиции. Время экспозиции во время эксперимента составляло 15 с.

Обработка файлов заключалась в следующем:

Бралась матрица данных снимка, зарегистрированного в момент перед включением мощного передатчика. Этот файл считался «темновым», т.е. предполагалось, что искусственное оптическое свечение отсутствует (Рис.5.).

Рис.5 «Темновой» файл, зарегистрированный с помощью камеры 16 марта 2010 г. в 20:06 LT. По осям абсцисс и ординат отложены номера пикселов ПЗС-матрицы.

«Темновой» файл выбирался для каждого сеанса свой, по причине влияния заходного тренда. ПЗС-матрица состоит из 578*576 пикселов. Во время регистрации снимка использовалось бинирование (объединение соседних пикселей) по четырем соседним ячейкам матрицы, 2 по горизонтали и 2 по вертикали. Результирующая матрица представляла собой матрицу 288*288 пикселов.

. Затем бралась матрица данных снимка, зарегистрированного во время воздействия стенда «Сура» или через некоторое время после его выключения - «светлый» файл (Рис.6.). На первый взгляд большой разницы между из рисунками 5 и 6 не наблюдается.

Рис.6. «Светлый» файл, зарегистрированный в 20:08 LT после длительного непрерывного воздействия на ионосферу на частоте 4.3 МГц.

. Вычитание «темнового» файла из «светлого», и строилось изображение разностной матрицы, которое несло информацию об искусственном свечении (Рис.7.). Предварительно, до вычитания, из снимка убирались наиболее яркие звезды - звезды с яркостью, превышающей медианное значение по полю снимка более чем на два средних квадратичных отклонения, и их яркость заменялась медианным значением.

На рисунке 7 хорошо видно пятно искусственного свечения в красной линии атомарного кислорода. Темное пятно по краям камеры соответствует искажениям объектива и не несет объективной информации о свечении ночного неба.

Рис.7. Разностная матрица («светлый» файл минус «темновой»).

. Далее выполнялось текущее усреднение значения яркости искусственного оптического свечения по соседним 3-7 пикселям поля зрения, как по оси абсцисс, так и по оси ординат (Рис.8.).

Рис.8. Результирующий файл после проведения текущего усреднения значения яркости искусственного оптического свечения.

5. Ориентация камеры относительно сторон света и направления магнитного поля определялись путем сравнения имеющихся снимков ночного неба с картой звездного неба, полученной с помощью программы SkyMap для времени регистрации снимка (Рис.9.). Ориентация выполнялась один раз для каждого дня наблюдений. На рисунке 9.1 приведено изображение, полученное с помощью камеры без светофильтра, а на рисунке 9.2 изображение, полученное с помощью программы SkyMap.

Таким образом, удалось определить направления сторон света на полученных снимках, которое показано стрелками на последующих рисунках в разделе анализ данных эксперимента, а также указать направление проекции магнитного поля на поле снимка с учетом данных о склонении магнитного поля в области стенда «Сура» (восточное склонение 10.5°).

6. При анализе снимков проводилась градуировка шкал осей абсцисс и ординат в градусах поля зрения камеры, а также на снимок наносилось прямолинейная проекция диаграммы направленности стенда «Сура» на небосвод шириной 12°, показанная белой окружностью.

Глава 4. Анализ данных эксперимента, проведенного в марте 2010 г.

.1 Результаты эксперимента 15 марта 2010 г.

марта эксперимент продолжался с 19:27 LT до 20:30 LT с частотой волны накачки f0 = 4,3 МГц. Данные эксперимента представлены на рисунках 10-12. После 20:30 LT небо было затянуто облаками и дальнейшие измерения стали невозможны. На рисунке 10 показана временная зависимость интенсивности свечения, зарегистрированная с помощью фотометров. Красная кривая на рисунке соответствует сигналу в красной линии, зеленая - в зеленой линии, синяя - сигналу радиопередатчиков стенда «Сура». Средняя интенсивность оптического свечения с течением времени уменьшается, что связано с уходом солнца под горизонт. Наряду с таким ходом средней интенсивности наблюдается увеличение яркости свечения в такт с квазинепрерывным излучением стенда «Сура», которое развивается в течении 2 мин. квазинепрерывной посылки, а после перевода в импульсный режим исчезает в течение 30-40 с.

Рис.10. Временной ход интенсивности свечения в условных единицах по данным фотометров за 15 марта 2010 г.

Рисунок 11 показывает последовательность портретов ночного неба в красной линии атомарного кислорода, зарегистрированных в конце двухминутных сеансов квазинепрерывного воздействия на ионосферу. Выдержка одного снимка составляла 15 с. Север и восток находятся сверху и слева на каждом изображении. Белые стрелки, направленные снизу вверх, показывают направление проекции геомагнитного поля.

Рис.11. Временная последовательность портретов ночного неба за 15 марта 2010 г.

Справа от снимка показана величина интенсивности свечения в единицах ADC камеры ФПЗС. Согласно оценкам, сделанным по данным фотометра, максимальная интенсивность свечения во время всего эксперимента была порядка 20-25 R. Отметим, что на первых трех сеансах пятно свечения находится примерно в центре возмущенной области, а на последнем снимке сдвигается к северу.

Согласно [8], такое смещение может быть объяснено, если высота отражения мощной радиоволны увеличивается со временем до значений порядка 300 км. В этом случае электроны, ускоренные на высотах верхнегибридного резонанса волны накачки высыпаются вниз до высот 240-270 км, где и происходит генерация свечения. Поскольку высыпание электронов происходить вдоль геомагнитного поля, то смещение пятна свечения при увеличении высоты ионосферы имеет место в северном направлении. Если ускорение электронов происходит на высотах порядка 250 км, смещение пятна относительно центра диаграммы направленности не происходит. Такой эффект отмечался в эксперименте [8].

На рисунке 12 представлена последовательность изображений, показывающая развитие и релаксацию пятна искусственного свечения в красной линии в течении одного 6-минутного цикла, полученная в 19:49-19:54 LT 15 марта 2010 года. Фоновый рисунок («темновой» файл) был записан в 19:48 LT.