Формирование дискретных динамических спектров электромагнитного излучения в космической и лабораторной плазме А.В. Костров, С.В. Коробков, М.Е. Гущин, А.В. Стриковский

Введение Одним из основных источников информации о физических процессах в космической плазме является радиоизлучение, принимаемое в широком частотном диапазоне. Расшифровка динамических спектров принимаемого радиоизлучения является актуальной задачей, решение которой необходимо для диагностики физических процессов в космической плазме. Динамический спектр – спектр в координатах «частота-время»

Примеры «линейчатых» спектров радиоизлучения Солнца Ранние наблюдения зебра-структур в полосе 500…950МГц (Young et al., 1961) Наблюдаются с конца 1950-х гг.

Примеры «линейчатых» спектров радиоизлучения Солнца Зебра-структуры, зарегистрированные радиоспектрографом ИЗМИРАН в полосе 228…264МГц.

Примеры «линейчатых» спектров радиоизлучения Солнца Спектрограмма «волокон» в полосе 224–247 МГц, зарегистрированных радиоспектрографом ИЗМИРАН; соответствующая амплитудная запись сигнала на частоте 234 МГц с радиоспектрографа Tremsdorf.

Примеры «линейчатых» спектров радиоизлучения Солнца Динамический спектр сигнала в полосе 34…44МГц (циркулярная поляризация), полученный с помощью инструмента DSP обсерватории Nancay, Франция (разрешение по времени 0.05 с).

Примеры «линейчатых» спектров радиоизлучения Солнца Микроволновое излучение: зебра-структуры, наблюдаемые в диапазоне 2.6…3.8ГГц (обсерватория NAOC, Китай)

Примеры динамических спектров радиоизлучения Юпитера Линейчатое излучение типа L3.

Примеры динамических спектров радиоизлучения Юпитера «Тонкая» линейчатая структура спектра одиночного всплеска радиоизлучения S- типа.

Примеры динамических спектров низкочастотных сигналов, возбуждаемых в магнитосфере Земли: структурированные геомагнитные пульсации диапазона Pc1 K. Mursula et al. JGR, 104, (1999) H.T. Fukinishi et al. JGR, 86, 9029 (1981)

Результаты лабораторных экспериментов по распространению электромагнитных волн в плазме с нестационарным магнитным полем Принципиальная схема экспериментов по параметрическому преобразованию частоты в плазме с нестационарным магнитным полем, проводимых на стенде «Крот»

Дисперсионное соотношение для волн свистового диапазона: Компоненты групповой скорости волн свистового диапазона: Продольная составляющая групповой скорости: (1) = 0, (2) = /6, (3) = /4, (4) = /3. n 0 = см -3, B 0 = 100 Гс. p – плазменная частота электронов; H – циклотронная частота электронов; H – циклотронная частота ионов; LH – нижнегибридная частота Общая характеристика волн свистового диапазона

Уравнения переноса частоты в среде с нестационарными параметрами (ВКБ приближение): Уравнение переноса частоты для волн свистового диапазона в плазме с магнитным полем, изменяющимся во времени: Основной эффект – частотная модуляция излучения; максимальная девиация частоты наблюдается, если групповое запаздывание волны в нестационарной области сравнимо с характерным временем изменения магнитного поля: / 0 ~ B/B 0 Параметрическое преобразование частоты в плазме с нестационарным магнитным полем

Осциллограммы (a,b,c) и динамические спектры (d,e,f) пробных свистовых волн, прошедших через область с модуляцией магнитного поля на частоте 1.2 МГц при относительной амплитуде возмущения порядка 2.5%. n 0 =10 11 см -3, B 0 =82 Гс. (a) осциллограмма возмущения магнитного поля; (b) динамический спектр зондирующей свистовой волны; (c) – зависимость девиации частоты f от амплитуды возмущения магнитного поля B. Плотность плазмы n 0 = 3 × см -3. Гармоническая модуляция магнитного поля Апериодические возмущения магнитного поля Экспериментальные результаты: параметрическое преобразование частоты в плазме с нестационарным магнитным полем

Осциллограммы (a,b,c) и динамические спектры (d,e,f) пробных волн (f 0 = 160 МГц), прошедших через область с периодической модуляцией магнитного поля, и принимаемых на различных расстояниях от излучающей антенны. Плотность плазмы см -3, величина магнитного поля 82 Гс. Дисперсионное сжатие волн свистового диапазона в нестационарном магнитном поле: Из-за дисперсии групповой скорости непрерывная волна преобразуется в последовательность отдельных сжимающихся волновых пакетов Схематическое изображение дальнейшей эволюции динамического спектра при наличии сильной дисперсии групповой скорости: z 4 > z 3 > z 2 > z 1

Однотональная частотная модуляция (ЧМ) гармонических сигналов Частотно-модулированный сигнал: U(t) = U m cos( w 0 t+ b sin W t) Фурье-представление ЧМ сигнала: U(t) = J k (m) cos[( 0 + k )t], где J k (m) – функция Бесселя k-ого порядка от аргумента m = Частота: = d /dt = 0 + cos t Девиация частоты: d = Индекс частотной модуляции: d /

Примеры спектров сигналов с однотональной частотной модуляцией (ЧМ) при различных индексах модуляции

Результаты обработки динамических спектров с помощью оконного преобразования Фурье в зависимости от ширины окна Осциллограммы (a) и спектрограммы (b) сигналов, принимаемых из плазмы при различных начальных частотах радиоимпульса (140, 150 и 160 МГц) при периодическом возмущении магнитного поля ( B/B~3%, f=1.2МГц). Длительность окна меньше периода низкочастотного возмущения 2 p / W > t «Узкое» окно ( < 2 /, где - частота модуляции несущей 0 )

Результаты обработки динамических спектров с помощью оконного преобразования Фурье в зависимости от ширины окна Осциллограммы (a) и спектрограммы (b) сигналов, принимаемых из плазмы при различных начальных частотах радиоимпульса (140, 150 и 160 МГц) при периодическом возмущении магнитного поля ( B/B~3%, f=1.2МГц). Длительность окна больше периода низкочастотного возмущения 2 p / W < t «Широкое» окно ( > 2 /, где - частота модуляции несущей 0 )

Результаты обработки динамических спектров: спектр, полученный с помощью анализатора с большим временем усреднения ( > 2 / ) Осциллограмма сигнала из плазмы и его спектр на расстоянии z=130см от излучающей антенны. Частота излучаемой волны 160 МГц, частота модуляции магнитного поля 3 МГц «Широкое» окно ( > 2 /, где - частота модуляции несущей 0 )

Пример спектров ЧМ сигнала, полученных с помощью оконного преобразования Фурье при разной ширине окна обработки U(t) = U m cos( w 0 t+ b sin W t), b =7, f 0 = 24 MHz, F = 100 kHz 2 p / W > t 2 p / W t 2 p / W < t

Пример спектра ЧМ сигнала специального вида, полученного с помощью оконного преобразования Фурье a) истинный спектр сигнала б) результат оконного преобразования Фурье при ширине окна обработки равной пяти периодам НЧ модуляции (а) (б)

Расшифровка динамических спектров радиоизлучения космической плазмы

Частотный диапазон и временное разрешение некоторых радиоспектрографов и радиотелескопов: Ondrejov (Чехия): 0.8…2 ГГц, =5МГц, = 100 мс NAOC (Китай): 2.6…7.6 ГГц, =10МГц, = 5 мс ИЗМИРАН (Россия): 25…270МГц, = 20 мс Tremsdorf (Германия): 40…800МГц, = 16 мс ARTEMIS (Франция): 100…500МГц, = 10 мс УТР-2 (Украина): 8…35МГц, > 1 мс … Характеристики регистрируемых сигналов (зебра-структуры в радиоизлучении Солнца): «Центральная» частота: f = 30МГц…5ГГц Интервал между линиями: f = 1…70МГц >>>1/ f ! Кроме того, из-за конечного частотного разрешения (обычно хуже 1 МГц), определяемого шириной отдельных каналов регистрирующей аппаратуры, «зебра- структуры» с малыми интервалами между линиями не наблюдаются

Расшифровка «зебра-структур» в спектре радиоизлучения Солнца «Реальный» динамический спектр – любой периодический с периодом 2 / f, где f – частотный интервал между линиями

U(t) = U m cos( w 0 t- a t 2 + b sin W t), a = 2.5 GHz/s, b = 0.8, f 0 = 20 MHz, F = 50 kHz Расшифровка «зебра-структуры» в спектре радиоизлучения Солнца Дискретный набор спектральных линий – результат обработки сигнала с однотональной ЧМ и дрейфом «центральной» частоты

U(t) = U m cos( w 0 t- a t 2 + b sin W t), a = 2.5 GHz/s, b = 14, f 0 = 20 MHz, F = 50 kHz Расшифровка «зебра-структуры» в спектре радиоизлучения Солнца Интервал между линиями в спектре – шире, чем «реальная» частота модуляции несущей 0

NAOC dynamic spectrum with zebra pattern, recorded on January 5, 2003 (06:06:10.3 UT). Darker areas correspond to the higher intensity of emission. The horizontal lines show the frequency 5.7 GHz. Bottom: the corresponding temporal profiles of emission with right (RCP) and left (LCP) circular polarization at 5.70 GHz, recorded by the SSRT linear interferometer. The circular polarization degree of the ZP reaches 100% (from Kuznetsov, 2005). Расшифровка «зебра-структуры» в спектре радиоизлучения Солнца

Линейчатое излучение типа L2 U(t) = U m cos( w 0 t+ a t 2 + b sin W t), a = 400 MHz/s, b = 18, f 0 = 19 MHz, F = 50 kHz Радиоизлучение Юпитера

Динамический спектр излучения квазигармонического типа с дрейфом частоты и типичный S-всплеск радиоизлучения U(t) = U m cos( w 0 t+ b sin W t), b =360, f 0 = 24.8 MHz, F = 11 Hz

Возможный механизм формирования динамического спектра Пример сложной тонкой структуры S-всплеска радиоизлучения Юпитера U(t) = U m cos( w 0 t+ a t 2 + b sin W t), a = 280 MHz/s, b = 23.5, f 0 = 19.6 MHz, F = 2 kHz После дисперсионной линии задержки

Примеры всплесков радиоизлучения S-типа

Радиоизлучение Солнца – «зебра-структуры» U(t) = U m sin( W 1 t) cos( w 0 t+ b sin W 2 t), b = 4, f 0 = 25 MHz, F 1 = 3 kHz, F 2 = 100 kHz амплитудно-частотной Пример динамического спектра сигнала с периодической амплитудно-частотной модуляцией

Пример динамических спектров радиоизлучения Солнца в полосе 2.6…3.8ГГц

Примеры «линейчатых» спектров радиоизлучения космической плазмы An example of zebra structure in the event August 18, 1959 (from Elgarøy, 1961).

Заключение Результаты лабораторных экспериментов и анализ радиоизлучения космической плазмы показывают, что формирование дискретных частотных спектров излучения обусловлено нерезонансным параметрическим преобразованием частоты электромагнитных волн, а именно – квазипериодической частотной модуляцией излучения. Нестационарность показателя преломления плазмы, приводящая к частотной модуляции излучения, может быть связана с возмущением магнитного поля низкочастотными колебаниями, возбуждаемыми одновременно с исследуемым высокочастотным излучением. В лабораторных экспериментах показано, что достаточно слабые возмущения магнитного поля ( B/B 0 < 5%), которые вызывают модуляцию частоты распространяющегося электромагнитного излучения ( / 0 ~ B/B 0 ), могут приводить, вследствие дисперсионных эффектов, к сильной амплитудной модуляции сигнала и формированию специфической структуры динамических спектров. В частности, периодические последовательности «волокон» в спектре радиоизлучения Солнца объясняются дисперсионными эффектами при распространении частотно- модулированного излучения в плазме. Наклон «волокон» в плоскости «частота-время» определяется как законом дисперсии возбуждаемых волн, так и длиной трассы распространения этих волн в плазме. В полном соответствии с данными наблюдений, «волокна» с отрицательным дрейфом частоты должны встречаться чаще, чем «волокна» с возрастающей во времени частотой, для формирования которых требуется большая трасса распространения сигнала при наличии сильной дисперсии групповой скорости.

Установлено, что для построения динамического спектра частотно-модулированного сигнала требуется специальный выбор постоянной времени обработки (длительность окна для оконного преобразования Фурье, постоянная времени частотных каналов радиотелескопа). В том случае, если временное окно обработки выбирается большим периода частотной модуляции сигнала ( > 2 / ), динамический спектр имеет линейчатую структуру с интервалом между линиями =, где – частота модуляции радиосигнала с несущей частотой 0 (так называемая «зебра- структура»). Полная ширина «зебра-структуры» пропорциональна амплитуде низкочастотной волны ( / 0 ~ B/B 0 ). Таким образом, из динамического спектра частотно-модулированного сигнала может быть получена информация о частоте и амплитуде низкочастотных волн, возбуждаемых в космической плазме и не принимаемых наземными радиотелескопами. С помощью численного моделирования, с учетом постоянной времени, характерной для действующих радиотелескопов, расшифрованы некоторые уникальные динамические спектры радиоизлучения Юпитера и Солнца. Показано, что эти спектры получаются при одновременной линейной и гармонической частотной модуляции радиоизлучения. Установлено, что интервалы между линиями, получаемые на динамических спектрах, не соответствуют истинной частоте ЧМ, и могут значительно ее превышать. Заключение