ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОТКЛИКА СРЕДНЕШИРОТНОЙ D-ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ НА УДАЛЕННЫЕ СТАРТЫ РАКЕТ

May 12, 2012 by admin Комментировать »

Гоков А. М., Тырнов О. Ф. Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина пл. Свободы 4, Харьков-61077, Украина Тел.: (80572) 7051251; e-mail: Alexander.M.Gokov@univer.kharkov.ua

Аннотация – Экспериментально исследованы изменения плотности электронов в среднеширотной D-области ионосферы во время удаленных стартов ракет разного типа. Обнаружены кратковременные пульсирующие возмущения плотности электронов в нижней ионосфере. Для объяснения эффектов предложена гипотеза о стимулированных пульсирующих потоками электронов из магнитосферы в нижнюю ионосферу Земли с энергией ~102-10 кэВ и значениями потоков р ~108– 109м’2с’1

I.  Введение

Явления, сопровождающие запуски ракет, отличаются многообразием, пространственными, временными, энергетическими и другими характеристиками. Классификацию возмущений обычно производят по их пространственным масштабам. Возмущения с Ц < 100 км, L2~ 100 – 1000 км и L3~ 1000 – 10000 км соответственно называют локализованными, крупномасштабными и глобальными. Такие возмущения наблюдались многими исследователями после первых запусков высотных ракет Обзор крупномасштабных возмущений представлен [1]. Глобальные возмущения в ионосфере исследуются, например, в [2]. Значительное внимание уделяется поиску эффектов в F-области ионосферы. Однако до настоящего времени остаются невыясненными механизмы переноса возмущений на глобальные расстояния, их скорости распространения, величина и характер возмущений в нижней части ионосферы (D- область). В работе приведены результаты экспериментальных исследований возможных вариаций плотности электронов в среднеширотной D-области во время удаленных стартов ракет разного типа.

II.  Основная часть

Измерения параметров ионосферы выполнены методом частичных отражений (40) [3] на аппаратуре [4] вблизи г. Харькова в 1990-2003 гг. Длительность непрерывных измерений составляла не менее 2-4 часов до и после старта ракеты. Число обработанных сеансов – 56. Расчёт высотновременных профилей N(z,t) на интервалах в 10 мин для всего периода наблюдений с погрешностью < 30 % выполнен по методике [3]. Удаление от места старта ракет до пункта наблюдения составляло Ri -1000-10000 км. Выполнен поиск обнаружения возможных изменений N(z,t)B среднеширотной D-области во время удаленных стартов ракет различной мощности (глобальные возмущения). Отметим, что отчетливые изменения N(z,t) удалось зарегистрировать не во всех экспериментах. Это обусловлено рядом причин: условия в ионосфере в месте старта (полета) и наблюдения, тип (мощность двигателей) ракеты, состояние радиационных поясов Земли и др.). Рассмотрим основные особенности вариаций N(z,t) в периоды стартов

ракет разного типа. Для ракет типа «Космос» характерным оказалось следующее (старт 15.11.2000): на высотах z > 84 км через 40-45 мин после старта N уменьшалась на 50-100 % в течение 40-50 мин с последующим восстановлением к суточному ходу; на z < 81 км наблюдались квазигармонические изменения N с &N/N—50 % в течение примерно

часов. В период старта космического аппарата (КА) «Протон» 20.11.1998 квазигармонические изменения N на z > 87 км с дЛ^/Л^>50% с периодом Т>30 мин начались через -10-15 мин после старта. В период старта КА «Зенит» 17.07.1999 на высотах 87-90 км через 10-15 мин после старта значения N уменьшились на -50 % в течение примерно 30 мин, затем (т. е. примерно через 45- 55 мин после старта) во всей D-области наблюдались квазипериодические изменения N с aAVTV~50-100 % в течение примерно 3 час. Во время старта КА «Союз» обнаружены особенности в изменениях N: 26.02.2001 – квазигармонические изменения N на 81-84 км с aN/N~50 % и периодом -50 мин через 40-50 мин после старта в течение примерно 3 часов; 02.02.2003 – квазигармонические изменения N во всей D-области с ajV/jV>50% и периодом -50 мин через 40-50 мин после старта в течение 2-2.5 часов; 13.08.1998 – квазигармонические изменения N на z > 93 км с aAVTV~50-100 % и периодом -30-40 мин через -10 мин после старта. Во время старта КА «Delta-ll» обнаружены следующие характерные особенности в изменениях N: квазигармонические изменения N на z > 84 км с aN/N~50-100 % и периодом -30- 40 мин через -10 мин после старта. Во время старта КА «Atlas» 21.02.2002 на высоте 84 км N возрастала через 10-15 мин примерно на 80 % в течение 25-30 мин с последующим типичным суточным ходом. В период старта КА «Ariane» 05.06.2002 на 84 км N возрастала через 35-45 мин примерно на 100 % в течение 25-30 мин с последующими квази- гармоническими изменениями с aN/N~50-100 % час. В период старта КА «Columbia»H «Atlantis» отчетливых изменений N, связанных со стартами, не обнаружено поскольку старты происходили в период прохождения терминатора в пункте наблюдений и поэтому однозначно идентифицировать наблюдаемые изменения N не представляется возможным. В период старта КА «Рокот»,»Discovery» и «Titan» изменений N, связанных со стартами, не обнаружено. Таким образом в периоды удаленных стартов КА экспериментально обнаружены особенности в высотно-временных изменениях N в среднеширотной D-области ионосферы: 1) квазигармонические изменения N на z > 81 км с дЛ^/Л^~50- 100 % и периодом -30-40 мин через -10 мин после старта; 2) квазигармонические изменения N на 81- 90 км с дЛ^/Л^~50 % и периодом -30-50 мин через

40-50 мин после старта в течение примерно 2-

часов; 3) во время старта КА «Космос» на высотах z > 84 км через 40-45 мин после старта N уменьшалась на 50-100 % в течение 40-50 мин с последующим восстановлением к суточному ходу. В целом же поведение N (отклик) носит больше неоднозначный характер, обусловленный, по-видимому, рядом факторов, о которых кратко сказано выше. Возмущения N примерно через 10-15 мин после старта КА могут быть связаны с генерацией МГД- возмущений в ионосферной плазме, которые, при определенных условиях, воздействуя на радиационные пояса Земли, могут вызвать пульсирующие высыпания электронов высоких энергий. Последние, в свою очередь, могут вызывать наблюдаемые экспериментально изменения N на больших удалениях от места старта КА. Подобный механизм ранее был предложен для объяснения экспериментальных результатов, полученных во время сильных удаленных землетрясений [5]. Возмущения N через 45-50 мин после старта КА, по-видимому, связаны с включением корректирующих двигателей ракет. Маловероятно, что такие значительные возмущения N связаны с распространением волн в нижней ионосфере. Более вероятно, что они вызваны пульсирующими потоками частиц из магнитосферы, стимулированными включением корректирующих двигателей ракет. Как и в случае землетрясений по той же методике для обсуждаемых экспериментов проводились расчеты параметров потоков электронов. Оказалось, что наблюдаемые ква- зипериодические вариации N в нижней ионосфере могут быть вызваны пульсирующими потоками электронов с энергией 10-10 кэВ и плотностями потоков р ~106-8 107 м’2с’1. Такие значения плотности потоков электронов сходны по величине с значениями потоков в периоды возмущений другой природы и не представляются большими в условиях среднеширотной ионосферы.

III.  Заключение

Таким образом, ракеты средней и большой мощности способны производить кратковременные пульсирующие возмущения плотности электронов в нижней ионосфере на расстояниях до нескольких тысяч км. По-видимому, эти эффекты вызваны стимулированными пульсирующими потоками электронов из магнитосферы в нижнюю ионосферу с энергией ~102

10    кэВ и значениями потоков р -10 – 109м’2с’1

IV. Список литературы

[1]   Карлов В. Д., Козлов С. И., Ткачев Г. Н. Крупномасштабные возмущения в ионосфере, возникающие при полете ракеты с работающим двигателем (Обзор). Космические исследования. 1980. Т. 18. №2. С. 266.

[2]   Костров П. С., Розуменко В. Т., Черногор П. Ф. Доп- леровское радиозондирование возмущений в средней ионосфере, сопровождающих старты и полеты космических аппаратов. Радиофизика и радиоастрономия. 1999. Т.4. № 3. С.227-246

[3]   Tyrnov О. F., Garmash К. P., Gokov А. М. et al. The radiophysical observatory for remote sounding of the ionosphere. Turkish J. of Physics. 1994. V.18, № 4, p.1260-1264.

[4]   Belrose J. S. Radio wave probing of the ionosphere by the partial reflection of radio waves (from heigthts below

100 km). J. Atmos. Terr. Phys.. 1970, v.32, p.567-597

[5]   Гоков А. М. К вопросу о реакции средне-широтной D- области ионосферы на удаленные сильные землетрясения. Геомагнетизм и аэрономия. 2001. Т. № 4. С. 532-536

EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF THE MIDDLE-LATITUDE IONOSPHERIC D-REGION RESPONSE TO DISTANT ROCKET LAUNCHES

Gokov A. М., Tyrnov О. F.

V. N. Karazin Kharkiv National University 4 Svobody Sq., Kharkiv – 61077, Ukraine phone: (80572) 7051251; e-mail: Alexander. M.Gokov@univer.kharkov.ua

Abstract – Changes in electron density in the middle- latitude D-region of the ionosphere have been experimentally investigated during distant launches of different types of rockets. Short-term pulsing disturbances of the electron density in the lower ionosphere have been discovered. To explain these effects, the hypothesis has been suggested for conditioned pulsing electron streams arriving into the lower ionosphere from the magnetosphere and having the energies of ~102-10 keV and stream densities of p ~108-109m’2 s’1.

I.  Introduction

Phenomena accompanying rocket launches are noted for the variety of their spatial, temporal, power and other characteristics. Until the present time the mechanisms of disturbances transfer over global distances, as well as their propagation velocity, magnitudes and nature of disturbances in the lower ionosphere have remained unclarified. This paper presents the results of experimentally researching possible variations in the electron density in the middle-latitude D-region during distant launches of different types of rockets.

II.  Main part

Measurements of ionospheric parameters were made near Kharkiv between 1990 and 2003 using the partial reflections technique [3] and the equipment from [4]. The duration of continuous measurements was at least 2-4 hours before and after a rocket launch. The number of processed sessions was 56. The calculation of the N(z,t) profiles for 10-minute intervals with an error of <30% was made by the technique [3] for the whole period of the observations. The distance between the launching and the observation sites was R*~1000-10 000 km. A search for possible N(z,t) changes was conducted over the middle-latitude D-region during distant launches of variously powered rockets (global disturbances). It should be noted that we did not manage to record distinct variations in N(z,t) for all experiments. This was due to a number of reasons, including ionospheric conditions at the launching site (in-flight) and the observation site, types (engine power) of rockets, state of radiation belts, etc. During distant rocket launches the following features in the N(z,t) variations were discovered: 1) quasiharmonic N(z,t) changes at z > 80 km with amplitudes of ~50-100% and a period of 30-40 minutes within approx. 10 minutes following the launch; 2) quasiharmonic N(z,t) changes at 81-90 km with amplitudes of ~50% and a 30-50 minute period within 40-50 minutes following the launch, lasting about 2-3 hours; 3) during the launch of a Cosmos space vehicle within 40-45 minutes following the launch N(z,t) decreased by 50- 100% at z>81 km for 40-50 minutes with a subsequent return to diurnal deviation. Disturbances of N(z,t) within about 10-15 minutes following a space rocket launch may be related to the emergence of MHD disturbances in the ionospheric plasma. These disturbances influencing under certain conditions the Earth radiation belts may cause pulsing eruptions of high-energy electrons. The N(z,t) disturbances within 45-50 minutes following a space rocket launch are likely to be related to the activation of fine- adjustment rocket thrusters.

III.  Conclusion

Middle- and high-power rockets are capable of generating short-term pulsing disturbances of electron density in the lower ionosphere ranging up to several thousands of km. Apparently, these effects are caused by the conditioned pulsing electron flows arriving into the lower ionosphere from the magnetosphere and having the energies of ~102-10 keV and stream densities of p ~108-109m’2 s’1.

Аннотация – Экспериментально исследованы изменения плотности электронов в среднеширотной D-области ионосферы во время прохождения утреннего солнечного терминатора. Обнаружено увеличение плотности электронов на 50-150% во время прохождения терминатора и после него. Для объяснения предложена гипотеза о стимулированном высыпании электронов из магнитосферы.

I.  Введение

Солнечный терминатор является мощным естественным источником различных возмущений в ионосфере Земли (см., напр., [1]). Наименее изучено его влияние на параметры нижней части ионосферы

–    D-области, что обусловлено трудностью проведения длительных непрерывных (часы-сутки) систематических измерений. Среди прочих эффектов в [2] обнаружено увеличение плотности электронов N в D- области при прохождении терминатора. В работе приведены результаты экспериментальных исследований изменений N в среднеширотной D-области во время прохождения утреннего терминатора, полученные методом частичных отражений (40) [3]. Рассмотрена возможность стимулированного терминатором высыпания электронов из магнитосферы.

II.  Основная часть

Измерения параметров ионосферы выполнены методом 40 на аппаратуре [4] в различные сезоны вблизи г. Харькова {<р = 49,5°N, /I = 36,3°Е) в 1990- 2003 гг. Основные параметры аппаратуры: рабочие частоты f = 2-4 МГц, длительность зондирующих импульсов т= 25 мкс с частотой повторения F = 1-10 Гц, импульсная излучаемая мощность Pi = 50 кВт. Длительность непрерывных измерений составляла не менее 2-4 часов до и после прохождения терминатора. Число сеансов наблюдений – около 200. Расчёт высотно-временных профилей N(z,t) выполнен по методике [3]. Профили N(z) вычислялись на интервалах в 10 мин для всего периода наблюдений с погрешностью, не превышающей 30%.

Отметим основные особенности динамики N(z,t). Анализ данных об N(z,t) показал, что в -25% случаев во время прохождения терминатора или через 30-60 мин после него N увеличивается на 50-150%. Для иллюстрации на рис. 1 приведены характерные примеры N(z,t). В эксперименте 15.11.00 рост N наблюдается вблизи момента прохождения терминатора, а

05.12.0      – примерно через 40 минут после него. Отметим, что оптическая ширина терминатора, определяемая интервалом времени появления над горизонтом полного диска Солнца, ~ 100 км, поэтому характерный период прохождения оптического терминатора ~ 5 мин. Переходные процессы в области терминатора, определяющие изменение температуры атмосферы, имеют больший период, что обусловлено характером высотного распределения поглощающих солнечную энергию компонент атмосферы и поэтому ширина области терминатора будет заметно больше (~ 1000 км) и характерное время прохождения составляет ~ 30 мин.

Рис. 1. Вариации плотности электронов во время прохождения терминатора.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты