Как облучают ионосферу и что при этом получается

В свежем выпуске Physical Review Letters появились две статьи, в которых рассказывается об интересных экспериментах с ионосферой Земли, проведенных на американской станции HAARP на Аляске.

Эксперименты с ионосферой Земли -- это не так страшно, как может показаться на первый взгляд. Возмущения магнитного поля ионосферы, вызываемые такими исследовательскими станциями, очень маленькие, в сотни тысяч раз слабее магнитного поля Земли. Они также намного слабее возмущений, которые происходят из-за солнечных вспышек. На погоду и климат эти воздействия тоже не влияют, т.к. они не затрагивают стратосферу и тропосферу и к тому же очень кратковременны.

Зато от этих исследований есть большая научная польза (кроме непосредственной практической пользы -- лучшего понимания поведения собственной планеты). Ионосфера -- это замагниченная плазма, находящаяся в нестационарных условиях (обдувается солнечным ветром). А нестационарная замагниченная плазма -- это вообще один из самых сложных объектов в физике из-за многообразия волн, колебаний и нестабильностей. Поэтому ионосфера -- это природная лаборатория для изучения поведения плазмы на таких больших масштабах.

Если кого-то пугает сама по себе постановка экспериментов с земной ионосферой, то полезно вспомнить вот что. Вся "загоризонтная" радиосвязь на коротких, средних и длинных волнах осуществляется с помощью отражения от ионосферы. Мощная антенна излучает радиоволны, которые на высоте 100-300 км (в зависимости от частоты) вступают в резонанс с ионосферой, раскачивают в ней колебания, которые переизлучают радиоволны, и в результате получается отражение. При этом многие ретрансляционные станции для радиовещания имеют мощность, сравнимую с исследовательскими станциями для изучения ионосферы. Просто они излучают радиоволны во все стороны, а в исследовательских станциях излучение сфокусированно вверх.

Кстати, исследования ионосферы такими станциями началось давно, в 60-е годы в СССР и в 70-е годы в США (сейчас в мире имеется пять крупных таких станций). Разумеется, всё было секретно, в том числе и многие теоретические работы, так что куча интересных открытий, сделанных впервые в СССР, так и не получили признания (рекомендую для чтения недавний обзор в УФН А.В.Гуревича -- одного из создателей теории нелинейных эффектов при распространении радиоволн в ионосфере). Оказывается, в СССР были даже идеи освещать города ночью искусственным "полярным" сиянием; впрочем, тогда эксперименты ни к чему не привели. Искусственное полярное сияние, видимое невооруженным глазом, впервые создали совсем недавно, в 2005 году, всё на том же HAARP (см. статью в Nature).

Теперь вернемся непосредственно к станции HAARP. Эта станция представляет собой массив из 180 крестообразных радиоантенн (360 дипольных излучателей) плюс множество разнообразной регистрирующей аппаратуры. Датчики работают постоянно, мониторят состояние ионосферы, а массив антенн (сумарной мощностью 3,6 МВт) запускают на несколько недель в году, во время сеансов "облучения неба".

Антенны станции HAARP (источник).

Станция HAARP имеет интересную историю. Пишут, что она изначально создавалась с чисто военной целью -- наладить передачу сообщений на подводные лодки на ультранизких частотах (такие радиоволны проникают глубоко под землю и под воду; а о том, какие вообще есть методы для связи с подводными лодками, см. тут). С развалом СССР это почему-то перестало быть актуальным. Затем появились идеи борьбы с "электромагнитными атаками", но похоже имеющейся аппаратуры для этого недостаточно. Впрочем, сторонники конспирологических теорий по-прежнему видят в этой станции какое-то секретное оружие.

Так или иначе, но в последние годы на HAARP ведутся (по крайней мере, отчасти) чисто научные исследования. Суть исследований простая -- имея периодическую решетку с 360 дипольных излучателей, можно создавать довольно узконаправленные пучки радиоволн высокой мощности. Когда эти пучки достигают ионосферы, они наводят в ней электрические токи. Когда частота радиоволн совпадает с резонансной частотой плазменных колебаний (а это для мегагерцовых волн на какой-то высоте, да случится, т.к. резонансная частота плавно меняется с высотой), радиоволны начинают сильнее и сильнее раскачивать колебания. Эти колебания приводят к возмущениям в ионосфере, которые порождают разнообразные явления -- индуцированное радиоизлучение, в том числе со смещением частоты, оптическое свечение, возникновение пространственных структур в ионосфере, и т.д.

Эти отклики ионосферы рассказывают о состоянии плазмы в ней, позволяют проверить теоретические работы по физике плазмы, а порой приводят и к интересным практическим приложениям. Например, из-за нетривиальных наведенных пространственных структур в ионосфере возникает явление "ракурсного рассеяния" (цитата из обзора А.В.Гуревича в УФН):

Сразу же было обнаружено явление, которое получило название "гигантского ракурсного рассеяния". (...) При включении мощной станции можно было слышать на больших расстояниях очень малоинтенсивные станции. Например, разговоры таксистов, имеющих передатчик мощностью несколько ватт на частоте 50 МГц, были слышны от Нью-Йорка до Сан-Франциско. Обычно такие станции слышны только в пределах видимости, т.е. на расстоянии в несколько десятков километров, а здесь наблюдалось распространение радиоволн на несколько тысяч километров.

Так вот, в статьях, вышедших в PRL, описывается еще два новых явления, которые можно изучать на таких станциях. Эти явления наблюдались в ходе экспериментов на HAARP в феврале 2008 года.

В первой статье изучался радиоспектр ионосферы при облучении на частоте несколько МГц. Вообще, уже давно известно, что кроме просто отраженного сигнала на исходной частоте в спектре есть отдельные боковые пики, со смещением частоты на десятки и сотни килогерц. Их происхождение -- нелинейные взаимодействия между различными волнами в плазме и нетривиальная пространственная структура ионосферы, которая развивается в течение нескольких секунд после начала облучения.

В новой работе были найдены новые особенности спектра -- неожиданно сильные (~1/10 от мощности прямой отраженной волны) линии, смещенные всего на несколько десятков герц. Раньше эти линий не было видно из-за недостаточно хорошего спектрального разрешения датчиков. Авторы считают, что это результат взаимодействия с еще одним классом колебаний в ионосфере -- медленными ионно-акустическими колебаниями. Есть ли практические применение -- пока непонятно, но получен новый инструмент исследования процессов в ионосфере.

Во второй работе рассказывается о том, что HAARP удалось успешно настроить на излучение радиоволн, несущих ненулевой орбитальный угловой момент (а конкрентно, с орбитальными числами вплоть до L=3).

Вообще, в оптике с фотонами, несущими ненулевой орбитальный угловой момент, уже люди научились работать. Такой пучок света имеет кольцеобразное поперечное сечение, а его волновой фронт имеет "спиральный" вид (см. картинки в моем посте про свет). Насколько я понял, в радиодиапазоне это сделано впервые (хотя это, по сути, очень просто, поскольку фазу, интенсивность и поляризацию каждой из 180 антенн можно настраивать независимо). В результате получилась такая диаграмма направленности излучения (слева -- L=0, справа -- L=1):


Такая диаграмма направленности для L>0 приводит к тому, что в ионосфере облучается не "пытнышко", а кольцо. Эта область ионосферы нагревается радиоволнами и начинает высвечивать как в радиоволнах, так и в оптике. Вот фотография этого "небесного кольца" на высоте порядка 200 км и радиусом несколько десятков км, полученная в зеленом свете:


Слева -- L=0, справа L=1, на котором угадывается кольцо. Градации серого передают яркость зеленого свечения. Шум -- это остаточное свечение заката. Штриховая линия показывает область, куда в основном направленно излучение.

Польза от этого нового типа радиопучков в том, что с помощью ненулевого орбитального момента можно порождать и изучать вихри в ионосфере, а не просто наводить линейные токи. Ну и кроме того, это просто демонстрация того, что можно излучать радиоволны, в которых кроме амплитудной или частотной модуляции, будет также и модуляция в орбитальном угловом моменте. Кто знает, может это и пригодится.

Ссылки:

• А.В.Гуревич, Нелинейные явления в ионосфере, УФН, 177, 1145 (2007).
  
• L. Norin et al, Unprecedentedly Strong and Narrow Electromagnetic Emissions Stimulated by High-Frequency Radio Waves in the Ionosphere, Phys.Rev.Lett. 102, 065003 (2009).
  
• T.B.Leyser et al, Radio Pumping of Ionospheric Plasma with Orbital Angular Momentum, Phys.Rev.Lett. 102, 065004 (2009).