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Submitted on 1 Jan 1971
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ETUDE DES PICS DE RESONANCE EXCITES DANS L’IONOSPHERE
R. Feldstein, Ph. Graff, B. Higel
To cite this version:
R. Feldstein, Ph. Graff, B. Higel. ETUDE DES PICS DE RESONANCE EXCITES DANS L’IONOSPHERE. Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C5), pp.C5b-186-C5b-188.
�10.1051/jphyscol:19715119�. �jpa-00214694�
C 5 b - 1 8 6
ETUDE DES PICS DE RESONANCE EXCITES DANS L'IONOSPHERE R. FELDSTEIN, P h . GRAFF
C e n t r e N a t i o n a l d e l a r e c h e r c h e s c i e n t i f i q u e B . HIGEL
BOURSIER C . N . E . S . , C . N . E . T . - R . S . R . 9 2 - ISSY-LES-MOULINEAUX
RESUME
On présente le résultat d'observations de la structure fine des flèches de résonance ; leur analyse quantitative permet d'évaluer la température électronique de l'ionosphère.
ABSTRACT
The results of observations of the detailed structure of the résonance spikes are presented ; their quantitative analysis permits an évaluation of the ionospheric électron température.
I - INTRODUCTION
Les flèches de résonances, qui ont été détectées pour la première fois lors de sondages ionosphériques en contre-haut par satellites.et qui apparaissent à des fréquences caractéristiques du plasma local, présentent une structure fine. Une interprétation théorique de certaines flèches de résonance est exposée en premier lieu. Les résul- tats d'une récente expérience en fusée, présentés ensuite, donnent une description morphologique du même phénomène dans d'autres conditions. Enfin, une confrontation quantitative de la théorie avec des données choisies du satellite Alouette II permet une évaluation de la température électronique.
I I - MODELE THEORIQUE
L'antenne d'un sondeur en contre-haut est un dipôle excité par une tension sinusoïdale décou- pée en impulsions rectangulaires. Lorsqu'une impul- sion se termine, commence une phase d'écoute au cours de laquelle l'antenne est branchée sur un récepteur. En l'absence de plasma, après un court régime transitoire, aucun champ dû à l'impulsion émise n'est reçu au cours de la phase d'écoute. Il n'en est plus ainsi lorsque, le plasma étant présent, le spectre émis comporte des ondes de vitesse de groupe lente. De telles vitesses de groupe inter- viennent au voisinage de la fréquence plasma f , de la gyrofréquence électronique f et de ses harmoni- ques, de la fréquence hybride haute f = (f + 2
2 1/2 T N f „ ) et des fréquences de coupure des modes magnétoioniques, f et f , qui sont les fréquences auxquelles apparaissent les principales flèches de résonance (figure 1). Certaines d'entre elles orit
une structure de franges.
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F i g . 1
:Représentation schématique d'un iono- gramme (Alouette 2, 15 - 12 - 1966,
12 h 26 mm 13 s T.U., BRETIGNY).
Me AFEE (1) i n t e r p r è t e c e t t e s t r u c t u r e à f et f , comme le battement entre deux échos obliques reçus simultanément après propagation en mode é l e c t r o s t a - tique et réflexion sous l ' e f f e t du gradient n a t u r e l
VN de la d e n s i t é é l e c t r o n i q u e et du champ magnéti- que t e r r e s t r e B .Les fréquences de ces échos ont d'abord été calculées par Me AFEE (2) et BITOUN et a l . (3) par le tracé de rayons. FEJER et YU (4) et GRAFF ( 5 ) , par la méthode WKB, en donnent une formulation analytique dans une géométrie p a r t i c u l i è r e . En vue des confrontations avec l ' e x - périence, nous avons élaboré un programme de calcul base sur les r é s u l t a t s obtenus par GRAFF ( 6 ) , ( 7 ) ,
~ * —*•
qui g é n é r a l i s e la méthode au cas où B , VN e t la o
vitesse du satellite $ forment un trièdre s
quelconque.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19715119
ETUDE DES PICS DE R E S O N A N C E E X C I T E S D A N S L'IONOSPHERE
Les études précédentes consistent à rechercher les chemins de phase stationnaire qui recoupent la trajectoire du satellite à l'instant t. L'antenne est représentée par un dipôle court devant les longueurs d'ondes émises et la propagation dans le plasma est décrite par des développements limités de l'équation de VLASSOV au voisinage de fN et fT.
Les fréquences i l et f2 de chacun des échos et la fréquence de battement fB
=f l - f2 dépendent de
-f
+
Bo, VN, fN, de l'instant de réception t et de la température électronique T. L'absence de rensei- gnements sur l'impédance et la distribution de courant de l'antenne en milieu ionisé interdit de mener à bien actuellement le calcul de l'amplitude des échos.
III - ETUDE EXPERIMENTALE A L'AIDE DES FUSELS SONDES EIDI
Les expériences EIDI (octobre 1970) ont permis pour la première fois d'obtenir les signaux de résonance complets, et non pas seulement leur enveloppe.
Les premiers résultats montrent que le spectre des signaux reçus au voisinage de fN est discret : il est composé d'au moins deux raies dont les fré- quences varient de façon non monotone en fonction du temps de réception [figure 2).
Le modèle théorique précédent ne s'applique pas ici car le temps d'écoute total (2 ms) corres- pond
àdes trajets de groupe qui ne sont pas suffi- sament grands devant les longueurs d'ondes.
Quant aux résonances à fH et ses multiples, observéesjusqu'à l'ordre 6, leur spectre présente toujours une fréquence unique dont les variations temporelles sont faibles par rapport à celles des résonances fN. Les fréquences des harmoniques sont entre elles dans des rapports entiers à 1 0 -3 près.
La valeur de B déduite de ces fréquences approche +
à 1 0 - ~ près celle que donne le meilleur modèle théorique (8). Les résonances à f n'apparaissent
T
que quand f / fN est inférieur à environ 3. Au voisinage de l'apogée (500 km), les signaux à nf
H décroissent exponent iellement (figure 3).
h r n c , 4 1antsn"e FU 195 €101 YV I 0 6 / ( 0 / 7 0
Fig. 3 : Résonance 3 fH : enveloppe du signal en fonction du temps de réception
(Ho
=1 0 h 5 0 T.U.).
Les constantes de temps, propres à chaque ordre n, sont très inférieures aux inverses des fréquences de collisions électron-ion.
En plus des résonances usuelles, des signaux ont été reçus tout au long du vol, dans une bande de fréquences centrée sur 2f 1 3 et de largeur
N
proportionnelle à fN ; leur spectre est constitué de raies pures équidistantes de 41 kHz à l'apogée.
Fig'. 2
:Résonance plasma : spectre en fonction
du temps.
R . FELDSTEIN ET P. GRAFF
IV - ETUDE EXPERIMENTdLE A PARTIR IIES ENFS.GISTRE- MENTS :D'ALOUETTE II
On a choisi 2 séries d'ionogrammes d'Alouette 11. L'une. de jour, présente des batte- ments particulièrement nets sur la flèche de réso- nance à fN, corne on peut le voir sur le signal amplitude-temps restitué par la télémesure. L'autre de nuit, permet une analyse des battements à f
T' Les paramètres nécessaires au calcul théorique des fréquences de battement sont : fN et fH, déduits de l'analyse des résonances ; 'Bo , gS et $N ,
fournis par l'exploitation d'autres données. En particulier le gradient de densité -+ VN supposé verti- cal, est déduit de l'échelle de hauteur H
a1 Tl & -'
calculée dans la réduction en hauteur vraie du pro- fil de densité électronique (9). La &sure de la période de battement, intervalle entre deux zéros successifs, sur les enregistrements amplitude temps, permet de construire la variation expérimentale de la fréquence de battement en fonction du temps. Les points de mesure sont portés sur le réseau de cour-
bes théoriques , f (t)
àT constant (figure 4).
Autour de la variation monotone prévue par-la théo- rie, apparaissent des oscillations de la fréquence de battement expérimentale. Compte tenu de la dispersion introduite par ces oscillations, la température déduite de jour à environ 1OûO km d'altitude en été est 2500 2 500° K ; la série de nuit a donné lieu aux valeurs de T portées sur la figure 5.
Al1 ~ 1 2 9 7 1283 1229 1196 fl62 1130 1087 8065 iû34 Km LAT ~57.54 oSs8 54.13 52.37 5û.64 1888 47.05 45.26 43.50°N
