Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 49075 10.12737/szf-83202211 Семнадцатая ежегодная конференция «Физика плазмы в солнечной системе», 7–11 февраля 2022 г., Институт космических исследований РАН, Москва, Россия 17th Annual Conference “Plasma Physics in the Solar System”. February 7–11, 2022, Space Research Institute RAS, Moscow, Russia Семнадцатая ежегодная конференция «Физика плазмы в солнечной системе», 7–11 февраля 2022 г., Институт космических исследований РАН, Москва, Россия Response of ionospheric electron density profile to the action of powerful HF radio-wave radiation Реакция профиля электронной концентрации ионосферы на воздействие мощного КВ-радиоизлучения Легостаева Юлия Константиновна Legostaeva Yuliya Konstantinovna julilegostaeva@gmail.com Шиндин Алексей Владимирович Shindin Alexei Vladimirovich shindin@rf.unn.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Грач Савелий Максимович Grach Savely Maksimovich sgrach@rf.unn.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 ННГУ им. Лобачевского Нижний Новгород Россия N. I. Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod Nizhny Novgorod Russian Federation Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского the Leading and National Research Nizhigorodsky State University named after N.I. Lobachevsky 30 09 2022 30 09 2022 8 3 74 81 31 03 2022 02 08 2022 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/49075/view

На основе уравнений для электронной концентрации и температуры проведено моделирование динамики профиля электронной концентрации в ионосфере вследствие вытеснения плазмы из областей локализации плазменных волн, возникающих при воздействии мощного КВ-радиоизлучения, а именно из областей отражения и верхнегибридного резонанса. Причинами вытеснения плазмы являются увеличение газокинетического давления за счет омического нагрева электронов плазменными волнами и высокочастотное давление плазменных волн (стрикционное выдавливание). Установлено, что стрикционное выдавливание развивается более быстро и ответственно за формирование локальных областей пониженной концентрации вблизи высот плазменных резонансов, тогда как увеличение газокинетического давления ответственно за более медленное по времени, более протяженное и плавное по высоте образование области пониженной концентрации. Полученные результаты качественно близки к результатам эксперимента, проведенного на стенде HAARP в 2014 г.

Using electron density and temperature equations, we have modeled the dynamics of the electron density profile in the ionosphere due to the expulsion of plasma from localization regions of plasma waves, pumped by high-power HF radio waves, i.e. wave reflection and upper hybrid resonance regions. Causes of the ionospheric plasma expulsion are an increase in the gas-kinetic pressure due to the ohm heating of electrons by plasma waves, and the high-frequency pressure of plasma waves (ponderomotive expulsion). We have established that the ponderomotive expulsion develops more rapidly and is responsible for the formation of local regions of plasma density depletion near plasma resonances, whereas the gas-kinetic pressure increase is responsible for the formation of lower-density region, which is slower in time and more extended and smoother in height. The results obtained qualitatively agree with the data from the experiment conducted at the HAARP facility in 2014.

 ионосфера нагрев электронов мощное КВ-радиоизлучение стрикционное выдавливание модификация профиля ionosphere electron heating powerful HF radiation ponderomotive expulsion profile modification Работа выполнена при поддержке грантов РНФ № 20-12-000197 (построение теоретической модели, анализ полученных результатов) и № 21-72-10131 (численное решение уравнений (1), (3)) The work was financially supported by RSF Grants No. 20-12-000197 (development of the theoretical model, analysis of the results) and No. 21-72-10131 (numerical solution of Equations (1), (3))

Бенедиктов Е.А., Гетманцев Г.Г., Зюзин В.А., Игнатьев Ю.А. Нагрев Е-области ионосферы мощным коротковолновым радиоизлучением. Геомагнетизм и аэрономия. 1980. Т. 20, № 5. С. 955-956. Benediktov E.A., Getmantsev G.G., Zyuzin V.A., Ignatiev Yu.A. Heating of the E-region of the ionosphere by powerful short-wave radio emission. Geomagnetism and Aeronomy. 1980, vol. 20, iss. 5, pp. 955-956, (In Russian). Березин И.В., Белянский В.Б., Будько Н.И. и др. Диагностика процесса возбуждения плазменных колебаний полем мощной радиоволны. Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т. 31, № 5. С. 874-880. Berezin I.V., Belyansky V.B., Budko N.I., Vaskov V.V., Dimant Y.S., Zyuzin V.A., et al. Diagnostics of the process of excitation of plasma oscillations by the field of a powerful radio wave, Geomagnetism and Aeronomy. 1991, vol. 31, iss. 5, pp. 874-880. (In Russian). Бойко Г.Н., Васьков В.В., Голян С.Ф. и др. Исследование дефокусировки радиоволн при воздействии мощного радиоизлучения. Изв. вузов. Радиофизика. 1985. Т. 28, № 8. С. 960-970. Bernhardt P.A., Siefring C.L., Briczinski S.J., McCarrick M., Michell R.G. Large ionospheric disturbances produced by the HAARP HF facility. Radio Sci. 2016, vol. 51, iss. 7, pp. 1081-1093. DOI: 10.1002/ 2015RS005883. Васьков В.В., Димант Я.С. Влияние деформации нормального профиля ионосферной плазмы на аномальное поглощение мощной радиоволны в резонансной области. Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т. 29. С. 373-377. Boyko G.N., Vaskov V.V., Golyan S.F., Gurevich A.V., Dimant Ya.S., Zyuzin V.A., et al. Study of defocusing of radio waves under the influence of high-power radio emission. Izv. Vuz. Radiophysics. 1985, vol. 28, iss. 8, pp. 960-970. (In Russian). Васьков В.В., Голян С.Ф., Груздев Ю.В. и др. Стимулированная ионизация верхней ионосферы при взаимодействии мощной радиоволны. Письма в ЖЭТФ. 1981. Т. 34, № 11. С. 582-585. Carlson H.C., Jensen J.B. HF accelerated electron fluxes, spectra, and ionization. Earth, Moon, and Planets. 2014. vol. 116, pp. 1-18. DOI: 10.1007/ s11038-014-9454-6. Васьков В.В., Голян С.Ф., Гуревич А.В. и др. Возбуждение верхнегибридного резонанса в ионосферной плазме полем мощной радиоволны. Письма в ЖЭТФ. 1986. T. 43, № 11. С. 512-515. Dimant Ya.S. Thermal and striction perturbation of the ionospheric plasma density in the resonance region of a powerful radio wave. Vzaimodeistvie vysokochastotnykh voln s ionosferoi [Interaction of HF Waves with the Ionosphere]. Moscow, IZMIRAN Publ., 1989, pp. 19-39. (In Russian). Гапонов А.В., Миллер М.А. О потенциальных ямах для заряженных частиц в высокочастотных полях. Письма в ЖЭТФ. 1958. Т. 34, № 2. С. 242-243. Eliasson B. Full-scale simulations of ionospheric Langmuir turbulence. Modern Physics Letters B. 2013, vol. 27, no. 08, pp. 1330005-1330005-27. DOI: 10.1142/S0217984913300056. Грач C.М., Трахтенгерц В.Ю. О параметрическом возбуждении ионосферных неоднородностей, вытянутых вдоль магнитного поля. Известия вузов. Радиофизика. 1975. Т. 18. С. 1288-1296. Gaponov A.V., Miller M.A. On potential wells for charged particles in high-frequency fields. JETP Letters. 1958, vol. 34, no. 2, pp. 242-243. (In Russian). Грач С.М., Митяков Н.А., Шварц М.М. Скачок плотности плазмы на развитой стадии тепловой параметрической неустойчивости. Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т. 29, № 4. С. 590-596. Grach S.M., Trakhtengerts V.Yu. On the parametric excitation of ionospheric inhomogeneities elongated along the magnetic field. Izvestiya vuzov. Radiophysics. 1975, vol. 18, pp. 1288-1296. (In Russian). Грач С.М., Комраков Г.П., Шварц М.М., Юрищев М.А. О зависимости аномального ослабления пробных волн от частоты при воздействии мощным радиоизлучением на ионосферу. Изв. вузов. Радиофизика. 1998. Т. 41. С. 678-966. Grach S.M., Mityakov N.A., Rapoport V.O., Trakhtengertz V.Yu. Thermal parametric turbulence in a plasma. Physica D: Nonlinear Phenomena. 1981, vol. 2, pp. 102-106. DOI: 10.1016/0167-2789(81)90063-4. Грач С.М., Сергеев Е.Н., Мишин Е.В., Шиндин А.В. Динамические характеристики плазменной турбулентности ионосферы, инициированной воздействием мощного коротковолнового радиоизлучения. УФН. 2016. Т. 186, № 11. С. 1189-1228. DOI: 10.3367/UFNr.2016.07.037868. Grach S.M., Mityakov N.A., Schwartz M.M. Plasma density jump at the advanced stage of thermal parametric instability. Geomagnetism and Aeronomy. 1989, vol. 29, iss. 4, pp. 590-596. (In Russian). Гуревич А.В., Шварцбург А.Б. Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере. М.: Наука, 1973. 272 с. Grach S.M., Komrakov G.P., Yurishchev M.A., Thide B., Leyser T.B., Carozzi T. Multifrequency Doppler radar observation of electron gyroharmonic effects during electromagnetic pumping of the ionosphere. Phys. Rev. Lett. 1997, vol. 78, pp. 883-886. DOI: 10.1103/PhysRevLett.78.883. Димант Я.С. Тепловые и стрикционные возмущение плотности ионосферной плазмы в области резонанса мощной радиоволны. Взаимодействие высокочастотных волн с ионосферой. М.: ИЗМИРАН, 1989. С. 19-39. Grach S.M., Komrakov G.P., Schwartz M.M., Yurishchev M.A. On the dependence of the anomalous attenuation of probe waves on frequency under the influence of powerful radio emission on the ionosphere. Izvestiya vuzov. Radiophysics. 1998, vol. 41, pp. 678-966. (In Russian). Питаевский Л.П. Электрические силы в прозрачной среде с дисперсией. Письма в ЖЭТФ. 1960. Т. 39. С. 1450-1458. Grach S.M., Sergeev E.N., Mishin E.V., Shindin A.V. Dynamic properties of ionospheric plasma turbulence driven by high-power high-frequency radiowaves. Physics-Uspekhi. 2016, vol. 59, no. 11, pp. 1091-1128. DOI: 10.3367/UFNe.2016. 07.037868. Сергеев Е.Н., Грач С.М., Котов П.В. и др. Диагностика возмущенной области ионосферы с помощью широкополосного радиоизлучения. Известия вузов. Радиофизика. 2007. T. 50. С. 649-668. Gurevich A.V., Schwarzburg A.B. Nelineinaya teoriya rasprostraneniya radiovoln v ionosfere [Nonlinear Theory of Radio Wave Propagation in the Ionosphere]. Moscow, Nauka Publ., 1973, 272 p. (In Russian). Bernhardt P.A., Siefring C.L., Briczinski S.J., et al. Large ionospheric disturbances produced by the HAARP HF facility. Radio Sci. 2016. Vol. 51, iss. 7. P. 1081-1093. DOI: 10.1002/ 2015RS005883. Lobachevsky L.A., Gruzdev Yu.V., Kim V.Yu., Mikhaylova G.A, Panchenko V.A., Polimatidi V.P., et al. Observations of ionospheric modification by the Tromsø heating facility with the mobile diagnostic equipment of IZMIRAN. J. Atmos. Terr. Phys. 1992, vol. 54, iss. 1. pp. 75-85. DOI: 10.1016/0021-9169(92)90086-Z. Carlson H.C., Jensen J.B. HF accelerated electron fluxes, spectra, and ionization. Earth, Moon, and Planets. 2014. Vol. 116. P. 1-18. DOI: 10.1007/s11038-014-9454-6. Mishin E., Watkins B., Lehtinen N., Eliasson B., Pedersen T., Grach S.M. Artificial ionospheric layers driven by high-frequency radiowaves: An assessment. J. Geophys. Res. Space Phys. 2016, vol. 121, pp. 3497-3524. DOI: 10.1002/2015JA021823. Eliasson B. Full-scale simulations of ionospheric Langmuir turbulence. Modern Physics Letters B. 2013. Vol. 27, no. 08. P. 1330005-1330005-27. DOI: 10.1142/S0217984913300056. Pedersen T., Gustavsson B., Mishin E., Kendall E., Mills T., Carlson H.C., Snyder A.L. Creation of artificial ionospheric layers using high-power HF waves. Geophys. Res. Lett. 2010, vol. 37, L02106. DOI: 10.1029/2009GL041895. Grach S.M., Mityakov N.A., Rapoport V.O., Trakhtengertz V.Yu. Thermal parametric turbulence in a plasma. Physica D: Nonlinear Phenomena. 1981. Vol. 2. P. 102-106. DOI: 10.1016/0167-2789(81)90063-4. Pedersen T., McCarrick M., Reinisch B., Watkins B., Hamel R., Paznukhov V., Production of artificial ionospheric layers by frequency sweeping near the 2nd gyroharmonic. Ann. Geophys. 2011, vol. 29, pp. 47-51. Grach S.M., Komrakov G.P., Yurishchev M.A., et al. Multifrequency Doppler radar observation of electron gyroharmonic effects during electromagnetic pumping of the ionosphere. Phys. Rev. Lett. 1997. Vol. 78. P. 883-886. DOI: 10.1103/PhysRevLett.78.883. Pitaevskii L.P. Electric forces in a transparent medium with dispersion. JETP Letters. 1960, vol. 39, pp. 1450-1458. (In Russian). Lobachevsky L.A., Gruzdev Yu.V., Kim V.Yu., et al. Observations of ionospheric modification by the Tromsø heating facility with the mobile diagnostic equipment of IZMIRAN. J. Atmos. Terr. Phys. 1992. Vol. 54, iss. 1. P. 75-85. DOI: 10.1016/ 0021-9169(92)90086-Z. Sergeev E.N., Grach S.M., Kotov P.V., Komrakov G.P., Boyko G.N., Tokarev Yu.V. Diagnostics of the disturbed ionospheric region using broadband radio emission. Radiophysics. 2007, vol. 50, pp. 649-668. (In Russian). Mishin E., Watkins B., Lehtinen N., et al. Artificial ionospheric layers driven by high-frequency radiowaves: An assessment. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. Vol. 121. P. 3497-3524. DOI: 10.1002/2015JA021823. Sergeev E.N., Grach S.M., Shindin A.V., Mishin E., Bernhardt P.A., Briczinski S., et al. Artificial ionospheric layers during pump frequency stepping near the 4th gyroharmonic at HAARP. Phys. Rev. Lett. 2013, vol. 110, 065002. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.065002. Pedersen T., Gustavsson B., Mishin E., et al. Creation of artificial ionospheric layers using high-power HF waves. Geophys. Res. Lett. 2010. Vol. 37. L02106. DOI: 10.1029/2009GL041895. Sergeev E.N., Shindin A.V., Grach S.M., Milikh G.M., Mishin E.V., Bernhardt P.A., et al. Exploring HF-induced ionospheric turbulence by Doppler sounding and stimulated electromagnetic emissions at the High Frequency Active Auroral Research Program heating facility. Radio Sci. 2016, vol. 51, pp. 1118-1130. DOI: 10.1002/2015RS005936. Pedersen T., McCarrick M., Reinisch B., et al. Production of artificial ionospheric layers by frequency sweeping near the 2nd gyroharmonic. Ann. Geophys. 2011. Vol. 29. P. 47-51. Shindin A., Sergeev E., Grach S. Applications of broadband radio signals for diagnostics of electron density profile dynamics and plasma motion in the HF-pumped ionosphere. Radio Sci. 2012, vol. 47, RS0N04. DOI: 10.1029/2011RS004895. Sergeev E.N., Grach S.M., Shindin A.V., et al. Artificial ionospheric layers during pump frequency stepping near the 4th gyroharmonic at HAARP. Phys. Rev. Lett. 2013. Vol. 110. 065002. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.065002. Shindin A.V., Sergeev E.N., Grach S.M., Milikh G.M., Bernhardt P.A., Siefring C., McCarrick M.J. HF Induced modifications of the electron density profile in the Earth’s ionosphere using the pump frequencies near the fourth electron gyroharmonic. Remote Sensing. 2021, vol. 13, 4895. DOI: 10.3390/rs13234895. Sergeev E.N., Shindin A.V., Grach S.M., et al. Exploring HF-induced ionospheric turbulence by Doppler sounding and stimulated electromagnetic emissions at the High Frequency Active Auroral Research Program heating facility. Radio Sci. 2016. Vol. 51. P. 1118-1130. DOI: 10.1002/2015RS005936. Vaskov V.V., Dimant Ya.S. Influence of deformation of the normal profile of the ionospheric plasma on the anomalous absorption of a powerful radio wave in the resonant region, Geomagnetism and Aeronomy. 1989, vol. 29, pp. 373-377. (In Russian). Shindin A., Sergeev E., Grach S. Applications of broadband radio signals for diagnostics of electron density profile dynamics and plasma motion in the HF-pumped ionosphere. Radio Sci. 2012. Vol. 47. RS0N04. DOI: 10.1029/2011RS004895. Vas’kov V.V., Gurevich A.V. Nonlinear resonant instability of a plasma in the field of an ordinary electromagnetic wave. Sov. Phys. -•JETP. 1976, vol. 42, iss. 1, pp. 91-97. Shindin A.V., Sergeev E.N., Grach S.M., et al. HF Induced modifications of the electron density profile in the Earth’s ionosphere using the pump frequencies near the fourth electron gyroharmonic. Remote Sensing. 2021. Vol. 13. 4895. DOI: 10.3390/rs13234895. Vaskov V.V., Golyan S.F., Gruzdev Yu.V., Gurevich A.V., Dimant Y.S., Kim V.Yu., et al. Stimulated ionization of the upper ionosphere during the interaction of a powerful radio wave. JETP Letters. 1981, vol. 34, no. 11, pp. 582-585. (In Russian). Vas’kov V.V., Gurevich A.V. Nonlinear resonant instability of a plasma in the field of an ordinary electromagnetic wave. Sov. Phys. -•JETP. 1976. Vol. 42, iss. 1. P. 91-97. Vaskov V.V., Golyan S.F., Gurevich A.V., Dimant Ya.S., Zyuzin V.A., Kim V.Yu., et al. Excitation of an upper hybrid resonance in an ionospheric plasma by a powerful radio wave fiel. JETP Letters. 1986, vol. 43, no. 11, pp. 512-515. (In Russian).