The results of experimental studies conducted in 2018-2023 in the framework of the SURA-CSES program

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

The results of experiments conducted in 2018–2023 to study the characteristics of plasma perturbations, that were generated in the Earth’s outer ionosphere when ionospheric F2 layer was modified by powerful HF radio waves radiated by the mid-latitude SURA heating facility, are discussed. Measurements were taken during the daytime and evening (night) hours at low and high levels of solar activity. Plasma perturbations were registered by the onboard instruments of the Chinese low-orbit satellite CSES (ZH-1) both above the SURA heating facility and in the magnetically conjugate ionosphere. The characteristics of a powerful radio wave penetrating into the outer ionosphere, the influence of ionospheric disturbances of natural and artificial origins on the propagation of a powerful radio wave through the ionosphere, the conditions of VLF radio wave generation due to nonlinear demodulation of a powerful radio wave, etc. were studied. In the paper, it is considered the influence of the main ionospheric trough on the development of interaction of powerful HF radio waves with the ionospheric plasma and on the generation of artificial ionospheric turbulence in the trough.

About the authors

V. L. Frolov

Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod; Kazan (Volga Region) Federal University

Email: frolov@nirfi.unn.ru
Nizhny Novgorod, Russia; Kazan, Russia

A. V. Pershin

Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Email: frolov@nirfi.unn.ru
Nizhny Novgorod, Russia

A. D. Akchurin

Kazan (Volga Region) Federal University

Email: frolov@nirfi.unn.ru
Kazan, Russia

X. Zhang

Institute of Earthquake Forecasting, China Earthquake Administration

Email: frolov@nirfi.unn.ru
Beijing, China

R. V. Vasil'ev

Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS

Email: frolov@nirfi.unn.ru
Irkutsk, Russia

V. Yu. Ermakov

Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS

Email: frolov@nirfi.unn.ru
Irkutsk, Russia

V. P. Lebedev

Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS

Author for correspondence.
Email: frolov@nirfi.unn.ru
Irkutsk, Russia

References

  1. Streltsov A.V., Berthelier J.-J., Chernyshov A.A. et al. Past, present and future of active radio frequency experiments in space // Space Science Review. 2018. V. 214. Art. ID 118. https://doi.org/10.1007/s11214-018-0549-7
  2. Гуревич А.В., Шварцбург А.Б. Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере. М.: Наука, 1973. 272 с.
  3. Gurevich A.V. Nonlinear phenomena in the ionosphere. New York: Springer, 1978. 372 p.
  4. Фролов В.Л. Искусственная турбулентность среднеширотной ионосферы. Монография. Изд. ННГУ, 2017. 468 с.
  5. Zhang Xu., Frolov V., Zhao Sh. et al. The first joint experimental results between SURA and CSES // Earth and Planetary Physics. 2018. V. 2. P. 527–537. doi: 10.26464/epp2018051
  6. Zhang Xu., Frolov V., Shen Xu. et al. The electromagnetic emissions and plasma modulations at middle latitudes related to SURA‑CSES experiments in 2018 // Radio Science. 2020. V. 55(8). Art. ID e2019RS007040. https://doi.org/10.1029/2019RS007040
  7. Беликович В.В., Грач С.М., Караштин А.Н. и др. Стенд «Сура»: исследование атмосферы и космического пространства // Изв. вузов. Радиофизика. 2007. Т. 50. № 7. С. 545–576.
  8. Болотин И.А., Фролов В.Л., Акчурин А.Д. и др. Об особенностях генерации искусственных ионосферных неоднородностей в области масштабов l⊥ ≈ 50–200 м // Изв. вузов. Радиофизика. 2016. Т. 59. № 12. С. 1087–1097.
  9. Фролов В.Л., Акчурин А.Д., Болотин И.А. и др. Высыпания энергичных электронов из радиационного пояса Земли, стимулированные модификацией среднеширотной ионосферы мощными КВ‑радиоволнами // Изв. вузов. Радиофизика. 2019. Т. 62. № 9. С. 641–663.
  10. Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере // УФН. 2007. Т. 177. № 11. С. 1145–1177.
  11. Зюзин В.А., Комраков Г.П., Насыров А.М. и др. Характеристики ракурсного рассеяния при воздействии мощных радиоволн на ионосферу // Изв. вузов. Радиофизика. 1988. Т. 31. № 5. С. 622–624.
  12. Blagoveshchenskaya N.F. Perturbing the high‑latitude upper ionosphere (F region) with powerful HF radio waves: a 25‑year collaboration with EISCAT // Radio Science Bulletin. 2020. Iss. 373. P. 40–55.
  13. Алимов В.А., Токарев Ю.В., Бужере Ж.-Л. и др. Наземные и космические исследования среднеширотного F‑spread // Изв. вузов. Радиофизика. 2000. Т. 43. № 98. С. 755–765.
  14. Костин В.М., Романовский Ю.А., Чмырев В.М. и др. Спутниковые исследования возмущений внешней ионосферы при воздействии мощных КВ‑радиоволн на F‑область ионосферы // Косм. исслед. 1993. Т. 31. № 1. С. 84–92.
  15. Vas’kov V.V., Bud’ko N.I., Kapustina O.V. et al. Detection on the Intercosmos‑24 satellite of VLF and ELF waves stimulated in the topside ionosphere by the heating facility “Sura” // J. Atmos. Sol.–Terr. Phys. 1998. V. 60. Iss. 12. P. 1261–1274.
  16. Фролов В.Л., Рапопорт В.О., Шорохова Е.А. и др. Характеристики электромагнитных и плазменных возмущений, индуцируемых на высотах внешней ионосферы Земли при модификации F₂‑области мощным КВ‑радиоизлучением стенда СУРА // Изв. вузов. Радиофизика. 2016. Т. 59. № 3. С. 198–222.
  17. Фролов В.Л., Лукьянова Р.Ю., Белов А.С. и др. Характеристики плазменных возмущений, вызываемых на высотах 450–500 км при работе стенда СУРА // Изв. вузов. Радиофизика. 2018. Т. 61. № 5. С. 359–373.
  18. Vartanyan A., Milikh G.M., Mishin E. et al. Artificial ducts caused by HF heating of the ionosphere by HAARP // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. Art. ID A10307. doi: 10.1029/2012JA017563.
  19. Демехов А.Г. Формирование крупномасштабных возмущений при высокочастотном нагреве ионосферы: зависимость характеристик возмущений от частоты и мощности высокочастотного излучения // Изв. вузов. Радиофизика. 2022. Т. 65. № 2. С. 79–95. doi: 10.52452/00213462_2022_65_02_79
  20. Lukianova R., Frolov V., Ryabov A. First SWARM observations of the artificial ionospheric plasma disturbances and field‑aligned currents induced by the SURA power HF heating // Geophysical Research Letters. 2019. V. 46(22). P. 12731–12738. https://doi.org/10.1029/2019GL085833
  21. Ружин Ю.Я., Кузнецов В.Д., Ковалев В.И. и др. О возможности локализации суббури нагревным стендом «СУРА» // Изв. вузов. Радиофизика. 2012. Т. 55. № 1–2. С. 94–105.
  22. Гершман Б.Н., Казимировский Э.С., Кокуров В.Д. и др. Явление F‑рассеяния в ионосфере. М.: Наука, 1984. 144 с.
  23. Paul K.S., Haralambous H., Singh A.K. et al. Mid‑latitude spread F long‑term occurrence characteristics as a function of latitude over Europe // Advances in Space Research. 2022. V. 70(3). P. 710–722. https://doi.org/10.1016/j.asr.2022.05.022
  24. Allen E.M., Thome G.D., Rao P.B. HF phased array observations of heater‑induced spread‑F // Radio Sci. 1974. V. 9. Iss. 11. P. 905–916.
  25. Беликович В.В., Бенедиктов Е.А., Гетманцев Г.Г. и др. Новые результаты исследований нелинейных явлений в ионосфере // Изв. вузов. Радиофизика. 1975. Т. 18. № 4. С. 516–526.
  26. Ерухимов Л.М., Метелев С.А., Мясников Е.Н. и др. Искусственная ионосферная турбулентность (обзор) // Изв. вузов. Радиофизика. 1987. Т. 30. № 2. С. 208–225.
  27. Бенедиктов Е.А., Гончаров Н.П., Игнатьев Ю.А. и др. Экспериментальные результаты исследования параметров искусственной области возмущения верхней и нижней ионосферы методом вертикального зондирования // Изв. вузов. Радиофизика. 1984. Т. 27. № 1. С. 12–17.
  28. Черногор Л.Ф. Физика мощного радиоизлучения в геокосмосе. Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2014. 544 с.
  29. Frolov V.L., Andreeva E.S., Padokhin A.M. Spatial structure of plasma density disturbances in the topside ionosphere caused by high‑power HF heating of the F₂ layer // Geomagnetism and Aeronomy. 2024. V. 64. Iss. 3. P. 329–347.
  30. Фролов В.Л., Рябов А.О., Акчурин А.Д. Характеристики искусственной инжекции энергичных электронов из радиационного пояса Земли в среднеширотную ионосферу и их зависимость от геофизических условий // Косм. исслед. 2022. Т. 60. № 4. С. 285–306.
  31. Piddyachiy D., Bell T.F., Berthelier J.-J. et al. DEMETER observations of the ionospheric trough over HAARP in relation to HF heating experiments // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. Art. ID A06304. doi: 10.1029/2010JA016128
  32. Karpachev A.T. Dependence of the trough shape on longitude, altitude, season, local time, solar and magnetic activity // Geomagnetism and Aeronomy. 2003. V. 43(2). P. 256–269.
  33. Karpachev A.T. Statistical analysis of ring ionospheric trough characteristics // J. Geophys. Res.: Space Physics. 2021. V. 1. Art. ID e2021JA0296. doi: 10.1029/2021JA029613
  34. Karpachev A. Sub‑auroral, mid‑latitude, and low‑latitude troughs during severe geomagnetic storms // Remote Sens. 2021. V. 13. Art. ID 534. doi: 10.3390/rs13030534
  35. Deminov M.G., Shubin V.N. Empirical model of the location of the main ionospheric trough // Geomagnetism and Aeronomy. 2018. V. 5832. P. 348–355.
  36. Liu Y., Xie W., Xiong C. et al. Distribution characteristics of the plasma irregularities inside the mid‑latitude ionospheric trough based on SWARM in situ measurements // Space Weather. 2022. V. 20. Art. ID e2021SW002991. https://doi.org/10.1029/2021SW002991
  37. Liu Y., Xiong C., Wan X. et al. Instability mechanisms for F‑region plasma irregularities inside the mid‑latitude ionospheric trough: SWARM observations // Space Weather. 2021. V. 19. Art. ID e2021SW002785. https://doi.org/10.1029/2021SW002785
  38. Токарев Ю.В., Алимов В.А., Белов Ю.И. и др. Радар СУРА–WIND: исследование нелинейных эффектов при просвечивании ионосферы короткими радиоволнами // Изв. вузов. Радиофизика. 1999. Т. 42. № 8. С. 799–809.
  39. Blaunstein N., Plohotniuc E. Ionosphere and applied aspects of radio communication and radar. New York: CRC Press, 2008. 600 p.
  40. Sales G.S., Reinisch B.W., Dozois C.G. et al. Ionospheric modification with oblique incident radio waves // Proc. II Suzdal URSI Symposium (ISIM‑2) / ed. V.V. Migulin. Academy of Sciences of the USSR, IZMIRAN, Troitsk, Moscow, Russia. 1986. Art. ID 79.
  41. Bochkarev G.S. Influence of the ionosphere, modified by powerful oblique radiowaves, on HF radio‑wave propagation // J. Atmos. Sol.–Terr. Phys. 1997. V. 59. Iss. 18. P. 2295–2304.
  42. Zabotin N., Bullet T. Spatial effects of HF multiple scattering in the ionosphere: experimental observations // Radio Sci. 2011. V. 46. Art. ID RS4009. doi: 10.1029/2011RS004645
  43. Zabotin N.A., Bronin A.G., Zhbankov G.A. et al. Anomalous attenuation of extraordinary waves in ionosphere heating experiments // Radio Sci. 2002. V. 37. Iss. 6. Art. ID 1102. doi: 10.1029/2000RS002609
  44. Andreeva E.S., Frolov V.L., Kunitsyn V.E. et al. Radiotomography and HF ray tracing of the artificially disturbed ionosphere above the SURA heating facility // Radio Sci. 2016. V. 51. Iss. 6. P. 638–644. doi: 10.1002/2015RS005939
  45. Бова Ю.И., Крюковский А.С., Лукин Д.С. Распространение частотно‑модулированного излучения электромагнитных волн в ионосфере Земли с учётом поглощения и внешнего магнитного поля // Радиотехника и Электроника. 2019. Т. 64. № 1. С. 1–12.
  46. Kosch M.J., Pedersen T., Mishin E. et al. Temporal evolution of pump‑beam self‑focusing at the High‑Frequency Active Auroral Research Program // J. Geophys. Res. V. 112. Art. ID A08304. doi: 10.1029/2007JA012264
  47. Basu S., MacKenzie E., Basu S. et al. Coordinated measurements of low‑energy electron precipitation and scintillations/TEC in the auroral oval // Radio Science. 1983. V. 18. Iss. 6. P. 1151–1165.
  48. Фролов В.Л., Акчурин А.Д., Когогин Д.А. и др. Зависимость характеристик ИИТ, возбуждаемой на среднеширотном нагревном стенде СУРА, от поляризации мощной радиоволны // Сб. тез. докл. Девятнадцатая конференция “Физика плазмы в солнечной системе”. ИКИ РАН, Москва, Россия. 2024. С. 209.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences