Моделювання впливу атмосфери на астрономогеодезичні виміри в полярних регіонах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний Університет “Львівська політехніка”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

МОДЕЛЮВАННЯ ВПЛИВУ АТМОСФЕРИ НА АСТРОНОМОГЕОДЕЗИЧНІ ВИМІРИ В ПОЛЯРНИХ РЕГІОНАХ

Заблоцький Федір Дмитрович

Спеціальність 05.24.01 - геодезія

Львів - 2002

Анотація

Заблоцький Ф.Д. Моделювання впливу атмосфери на астрономогеодезичні виміри в полярних регіонах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук по спеціальності 05.24.01 - геодезія. Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2002.

Встановлено особливості просторово-часових змін показника заломлення повітря в полярних регіонах і вплив представлення граничного шару атмосфери на величину астрономічної рефракції і атмосферної затримки при супутникових віддалемірних спостереженнях. Розроблено алгоритми обчислення інтегрального кута астрономічної рефракції. За аномаліями астрономічної рефракції оцінено придатність таблиць рефракції для полярних регіонів. Встановлено величину впливу температурної інверсії на астрономічну рефракцію. Розроблено моделі атмосфери для її визначення на Антарктичному узбережжі і в Центральній Антарктиді. Розроблено способи визначення кута астрономічної рефракції за спостереженнями Сонця на великих зенітних відстанях і коефіцієнта земної вертикальної рефракції. Встановлено, що позатропосферна частина вологої складової зенітної затримки у GPS виміри в полярних регіонах, в літній період, сягає 20% і більше від її повної величини. Розроблено моделі атмосфери для визначення зенітної тропосферної затримки на станціях Антарктичного узбережжя.

Ключові слова: полярні регіони, моделі атмосфери, показник заломлення повітря, аномалії астрономічної рефракції, земна вертикальна рефракція, зенітна тропосферна затримка.

Аннотация

Заблоцкий Ф.Д. Моделирование влияния атмосферы на астрономо-геодезические измерения в полярных регионах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.24.01 - геодезия. Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2002.

Установлены особенности пространственно-временных изменений показателя преломления воздуха в полярных регионах и влияние представительства пограничного слоя атмосферы на величину астрономической рефракции и атмосферной задержки при спутниковых дальномерных измерениях. Разработаны алгоритмы вычисления интегрального угла астрономической рефракции. По аномалиям астрономической рефракции оценена пригодность таблиц рефракции для полярных регионов. Установлено величину влияния температурной инверсии на астрономическую рефракцию. Разработаны модели атмосферы для её определения на Антарктическом побережье и в Центральной Антарктиде. Разработаны способы определения угла астрономической рефракции по наблюдениям Солнца на больших зенитных расстояниях и коэффициента земной вертикальной рефракции. Установлено, что внетропосферная часть влажной составляющей зенитной задержки в GPS измерения в полярных регионах, в летний период, достигает 20% і более от её общей величины. Разработаны модели атмосферы для определения зенитной тропосферной задержки на станциях Антарктического побережья.

Ключевые слова: полярные регионы, модели атмосферы, показатель преломления воздуха, аномалии астрономической рефракции, земная вертикальная рефракция, зенитная тропосферная задержка.

Annotation

Zablotskyj F.D. Modelling of atmospheric influence on astrogeodetic measurements in polar regions. - Manuscript.

Doctor of technical sciences degree dissertation by speciality 05.24.01 - Geodesy. National University “Lviv Polytechnic”, Lviv, 2002.

The dissertation outlines theoretical and experimental investigations directed on the problem solution of taking into account of atmospheric influences on the results of astronomic observations, trigonometric levelling, satellite distance measurements in the radio and laser ranges in polar regions.

The problems bounded up with carrying out of the precise astrogeodetic measurements in polar regions have been formulated on the basis of analysis of physical and geographical peculiarities. The features of spatial-temporal changes of the air refractive index for electromagnetic waves in polar regions were determined. An influence of representation of the lowest and boundary atmospheric layers on the value of astronomic refraction and atmospheric delay on the results of satellite distance measurements had been shown.

It was carried out the key approaches review relatively to the determination of astronomic refraction. The algorithms of integral angle calculation of astronomic refraction were modified and developed. An accuracy rating and acceptability appraisal of the basic astronomic refraction tables relative to polar regions have been carried out on the basis of the monthly averaged aerological sounding data for many years and separate aerological profiles of 12 polar stations. Besides the instrumental measurements of the astronomic refraction angles have been realised in Arctic regions and in several regions of middle latitudes for comparison. An influence of temperature inversion on the astronomic refraction quantity have been investigated in detail. It is shown that in Central Antarctica the astronomic refraction anomalous can run up at the intense temperature inversions to 40 of arc and more at the observations in horizon. It is proved that the Pulkovo refraction tables of 5^th edition recommended by the International Astronomical Union for determination of astronomic refraction in different geographical regions can ensure the refraction angle determination in polar regions with precise 0,2 at the zenith distances less than 70 only. Advisability of application of the regional atmospheric models for more precise determination of astronomic refraction angle was demonstrated. Hence, the seasonal atmospheric models have been developed for the Antarctic coast zone and Central Antarctica. The new method of determination of astronomic refraction angle by the Sun observations at the large zenith distances has been developed. It permits allow to determine the astronomic refraction angle values the most precisely and to interpret correctly the refraction anomalous quantities at the zenith distances more than 80.

The spatial-temporal characteristics of the terrestrial vertical refraction in polar regions were established by the meteorological and synoptic data in Arctic and Antarctica as well as by the results of experimental investigations in 4 areas of Novaya Zemlya (Russian Arctic). The recommendations concerning choice of the most appropriate periods for carrying out of trigonometric levelling in polar regions were based on. The new method of determination of the coefficient of terrestrial vertical refraction was developed and had been defended by the certificate of authorship.

Experimental analysis of accuracy of analytical models for the determination of atmospheric delay into the results of satellite distance measurements in the radio and laser ranges was realised on the basis of aerological sounding data in polar regions and in separate points of Ukrainian area. It was established that the replacement of model values of atmospheric pressure, temperature and air humidity in the software support by the corresponding parameters measured on the lower boundary of atmosphere does not lead as a rule to improvement of the obtained results. There were developed the algorithms of reconstruction of partial pressure water vapour and vertical distribution of it in the neutral atmosphere as well as of air refractive index profile for radiowaves in Central Antarctica.

A critical analysis of the most used analytical models for the determination of zenith tropospheric delay into the results of GPS measurements has been made on the basis of the long-term series of atmospheric aerological sounding at the Antarctic coast zone in summer period. It was established that the recommended in analytical models the taking into account of vertical distribution of air humidity to the upper boundary of troposphere do not may be acceptable for polar regions in summer period, especially for the Antarctic coast zone. That is explained by presence of the considerable out-of-tropospheric part of the wet component of zenith tropospheric delay which amounts to 20% and more of total value of the wet component owing to existence of the more warm lower stratosphere here in comparison with the middle and equatorial latitudes.

The atmospheric models for the determination and taking into account of zenith tropospheric delay components into the results of GPS measurements at the stations of Antarctic coast zone in summer period have been developed. The advantages of suggested models were shown in the determination precision of the wet component of zenith tropospheric delay in comparison with other analytical models.

Key words: polar regions, atmospheric models, air refractive index, astronomic refraction anomalous, terrestrial vertical refraction, zenith tropospheric delay.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На сьогоднішній день геодезична наука і практика мають у своєму розпорядженні високоточні кутомірні прилади і лазерні віддалеміри та супутникові радіовіддалемірні системи, що дають можливість визначати місцеположення з високою точністю. Інструментальна здатність віддалемірної техніки сягає міліметрової точності, а кутомірної - десятої долі секунди дуги, проте вплив атмосфери значно знижує цю точність. Головним джерелом похибок вимірювання вертикальних кутів в зенітальних астрономічних спостереженнях і тригонометричному нівелюванні, а також віддалей радіо- і світловіддалемірами і радіовіддалемірними системами є просторово-часова нерівномірність зміни показника заломлення повітря на шляху розповсюдження електромагнітних хвиль.

Дослідженнями астрономічної рефракції доведено, що досягнути точних результатів при спостереженнях на великих зенітних відстанях можна лише при надійному представленні стратифікації атмосфери і, в першу чергу, її граничного шару.

Для визначення висот пунктів найточнішим є геометричне нівелювання, однак воно вельми трудомістке. Тригонометричне нівелювання є менш точним, але найбільш придатним в складних фізико-географічних умовах. Проте вплив вертикальної рефракції є основною перешкодою в досягненні ним точних результатів вимірів.

Одним із основних чинників, що обмежує підвищення точності вимірювання віддалей в радіо- і оптичному діапазоні є нерепрезентативність модельного представлення показника заломлення повітря для електромагнітних хвиль в алгоритмах обробки результатів наземних вимірів, а, особливо, вимірів глобальними позиційними системами (GPS) і супутниковими лазерними віддалемірами (SLR). Причина цього полягає в тому, що аналітичні моделі атмосфери, закладені в програмне забезпечення обробки GPS і SLR вимірів, є глобально усередненими і близькими за своїм представленням до стандартних моделей атмосфери.

Необхідно відзначити, що саме у пошуках оптимальних методів визначення і врахування впливу атмосфери на астрономогеодезичні виміри в середніх широтах чималий внесок до фізики приземного шару зробили за останні десятиліття вчені - астрономи і геодезисти. Це, насамперед, (вчені України і колишнього СРСР) О. Ізотов, Л. Пеллінен, А. Островський, І. Колчинський, М. Прілєпін, М. Міронов, О. Прокопов, І. Куштін, Л. Юношев, Б. Джуман, П. Павлів, А. Нефедьєва, А. Харін, І. Тревого, П. Черняга, Л. Хижак, М. Василенко, М. Нелюбін, Д. Масліч, В. Кірічук, Б. Тлустяк та інші, а також зарубіжні вчені - G. Teleki, F. Bruner, J. Saastamoinen, H. Hopfield, J. Marini, R. Langley, G. Dittrich, S. Meier, A. Niel та інші. Тим не менше, ця проблема ще далеко не вичерпана.

Про актуальність, а також гостроту проблеми точного визначення і врахування впливу атмосфери на результати астрономогеодезичних вимірів у полярних регіонах свідчить те, що сучасні геодезичні технології і, в першу чергу, GPS виміри тут широко починають застосовуватись. Зокрема, в материкових зонах, на островах та архіпелагах арктичного регіону створена мережа GPS пунктів та перманентних станцій. Створена доволі розвинена мережа перманентних GPS станцій в Антарктиді, і все більшого поширення набувають щорічні, тривалістю до одного місяця, GPS кампанії, що охоплюють на сьогодні понад 40 антарктичних станцій. Тут діє також супутникова мережа DORIS станцій, перманентно працюють дві станції наддовгобазисної радіоінтерферометрії та організовуються перманентні SLR станції. З 1996 року Україна започаткувала власні різнобічні наукові дослідження на антарктичній станції “Академік Вернадський ”. Разом з цим, в полярних регіонах, а, особливо, в Антарктиді, питання впливу атмосфери на астрономогеодезичні виміри ще майже не досліджувались.

Отже, проблема точного врахування впливу атмосфери на результати визначення просторового положення пунктів полярних регіонів є не менш актуальною і важливою задачею як для середніх широт, оскільки перші суттєво відрізняються фізико-географічними умовами і, насамперед, структурою тропосфери і нижньої стратосфери.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи узгоджується з Державною програмою досліджень України в Антарктиці на 2002-2010 роки і відповідає науковому напрямку кафедри вищої геодезії та астрономії “Дослідження фігури і гравітаційного поля Землі та їх змін в часі на основі обробки високоточних астрономогеодезичних, супутникових і гравіметричних вимірів ”. Автор був керівником ряду госпдоговірних науково-дослідних робіт, тісно пов'язаних з темою дисертації, а саме: “Вдосконалення і розробка методів астрономогеодезичних вимірів в Арктиці і Антарктиді і дослідження впливу атмосфери на їх результати”, № держ. реєстр. 78047795; “Дослідження профілів показника заломлення електромагнітних хвиль оптичного і радіодіапазонів в граничному шарі атмосфери астрономогеодезичними і метеорологічними методами”, № держ. реєстр. 01880053574; “Експериментальні дослідження рефракції і нерівномірності розповсюдження оптичних хвиль в атмосфері”, № держ. реєстр. 01860123687; “Дослідження рефракції і фазового запізнення електромагнітних хвиль в зоні, близькій до горизонту”, № держ. реєстр. 01860053912, а також договору про творчу співдружність за №463 “Вишукування методів врахування рефракції при астрономогеодезичних вимірах в умовах Крайньої Півночі”.

Мета і задачі дослідження. Основною метою дисертаційної роботи є розробка теоретичних положень і практичних рекомендацій щодо врахування впливу атмосфери на точність астрономічних спостережень, тригонометричного нівелювання, супутникових віддалемірних вимірів в оптичному і радіодіапазонах в полярних регіонах. Для досягнення цієї мети в роботі розв'язуються такі задачі:

- встановлення особливостей просторово-часових змін показника заломлення повітря для електромагнітних хвиль в полярних регіонах;

- встановлення точності врахування астрономічної рефракції за існуючими таблицями при зенітальних астрономічних спостереженнях в полярних регіонах та розроблення регіональних і сезонних моделей атмосфери для визначення астрономічної рефракції;

- вишукування оптимальних методів визначення земної вертикальної рефракції в умовах полярних регіонів;

- встановлення характеру атмосферної затримки при SLR і GPS вимірах та придатності існуючих аналітичних моделей для визначення тропосферної затримки в GPS виміри, розроблення оптимальних моделей для врахування її в полярних регіонах;

- відновлення вертикальних профілів показника заломлення повітря для електромагнітних хвиль в граничному шарі атмосфери.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі вперше:

1. Встановлено просторово-часові зміни показника заломлення повітря для хвиль оптичного і радіодіапазону в атмосфері полярних регіонів та вплив представлення граничного шару атмосфери на величину астрономічної рефракції та атмосферної затримки при супутникових віддалемірних спостереженнях.

2. Проведено аналіз точності існуючих таблиць астрономічної рефракції за даними аерологічного зондування атмосфери на дванадцяти полярних станціях і за вимірами кутів рефракції в Заполяр'ї та на Новій Землі.

3. Розроблено сезонні моделі атмосфери для визначення астрономічної рефракції в районах центральної і берегової Антарктиди.

4. Розроблено спосіб визначення астрономічної рефракції за проходженнями верхнього і нижнього країв диску Сонця через один і той же альмукантарат.

5. Встановлено просторово-часові характеристики земної вертикальної рефракції в полярних регіонах та розроблено новий спосіб визначення коефіцієнта земної вертикальної рефракції лише за наземними метеорологічними і синоптичними вимірами.

6. Проведено експериментальний аналіз аналітичних моделей по визначенню атмосферної затримки при GPS та SLR вимірах для полярних регіонів і для порівняння - окремих районів території України.

7. Встановлено долю вологої складової зенітної тропосферної затримки у нижній стратосфері полярних регіонів та розроблено моделі для визначення цієї затримки в зоні Антарктичного узбережжя.

8. Розроблено алгоритми відновлення приземного значення парціального тиску водяної пари за виміряними значеннями атмосферного тиску і температури повітря в полярних регіонах та вертикального профілю показника заломлення повітря для радіохвиль у нижній тропосфері Центральної Антарктиди.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- точному врахуванні атмосферної рефракції при астрономічних спостереженнях в полярних регіонах і, зокрема, в Антарктиді;

- застосуванні методу визначення астрономічної рефракції за спостереженнями Сонця на великих зенітних відстанях у різних фізико-географічних умовах, що дає можливість достовірно описувати характер аномалій рефракції в зоні близькій до горизонту;

- використанні методів і рекомендацій щодо найбільш сприятливих періодів для проведення тригонометричного нівелювання в полярних регіонах;

- врахуванні і прогнозуванні впливу земної вертикальної рефракції за даними лише наземних метеорологічних та синоптичних вимірів в полярних регіонах;

- визначенні та врахуванні зенітної тропосферної затримки при GPS вимірах в зоні Антарктичного узбережжя;

- точному врахуванні парціального тиску водяної пари в результати наземних і супутникових радіогеодезичних вимірів в полярних регіонах.

Основні результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування при виконанні астрономічних спостережень в Антарктиді і тригонометричного нівелювання на Новій Землі, що проводились підприємством “Сєв.-Зап.Аерогеодезія” (м. Санкт-Петербург), в дослідженнях атмосферної рефракції і нерівномірності розповсюдження електромагнітних хвиль в атмосфері в науково-дослідному інституті радіоелектроніки (м. Москва) і в Інституті оптики атмосфери (м. Томськ) та в навчальних курсах “Фізика Землі з основами геодинаміки” і “Основи геодезичної астрономії”, що викладаються в Національному університеті “Львівська політехніка”.

Основні положення, що виносяться на захист.

Особливості просторово-часових змін показника заломлення повітря, встановлені для електромагнітних хвиль у нижній тропосфері полярних регіонів, що дозволили:

- оцінити характер розподілу показника заломлення повітря і на цій основі довести можливість використання радіовіддалемірів для точних вимірів відстаней на горизонтальних трасах в центральних районах полярних регіонів;

- оцінити вплив приземної і піднятої температурної інверсії на величину астрономічної рефракції та зробити критичний аналіз застосування в полярних регіонах існуючих таблиць астрономічної рефракції і розробити сезонні моделі атмосфери для точного визначення її кута в районах Антарктичного узбережжя і Центральної Антарктиди.

Новий спосіб визначення кута астрономічної рефракції на великих зенітних відстанях за проходженнями верхнього і нижнього країв диску Сонця через один і той же альмукантарат, що дозволяє отримати найбільш достовірні значення кутів астрономічної рефракції та їх аномалій.

Просторово - часові характеристики земної вертикальної рефракції в полярних регіонах і новий спосіб визначення її коефіцієнта за наземними метеорологічними і синоптичними даними, який дозволяє надійно визначати і прогнозувати величини вертикальної рефракції.

Критичний аналіз аналітичних моделей, призначених для визначення складових зенітної тропосферної затримки, що дав можливість встановити особливості формування позатропосферної частини вологої складової в полярних регіонах і розробити моделі для визначення зенітної тропосферної затримки в зоні Антарктичного узбережжя.

5. Алгоритми відновлення приземного значення парціального тиску водяної пари в полярних регіонах та вертикального профілю показника заломлення повітря для радіохвиль у нижній тропосфері Центральної Антарктиди, що дозволяє підвищити точність радіовіддалемірних вимірів.

Особистий внесок здобувача. Із наведених у списку опублікованих праць, виконаних у співавторстві, здобувачу належать: 17, 25 - ідеї та алгоритми нових методів визначення кутів астрономічної та земної вертикальної рефракції; 8, 12, 14, 15, 19, 21, 45 - аналіз існуючих і формування нових моделей астрономічної рефракції; 7, 10, 24 - розроблення програм експериментальних досліджень астрономічної рефракції та аналіз результатів; 27, 34 - розроблення моделей приземного шару атмосфери для визначення, врахування і прогнозування величини земної вертикальної рефракції; 9, 18, 20 - формування програм експериментальних досліджень земної вертикальної рефракції; 11 - розроблення алгоритмів з підготовки ефемерид для визначення астрономічної широти і довготи в Арктиці і Антарктиді; 22, 26 - аналіз матеріалів астрономогеодезичних робіт в антарктичних експедиціях; 41, 43 - моделювання впливу вологості повітря на формування показника заломлення для радіохвиль; 16, 33, 36 - аналіз і оцінка впливу нижньої атмосфери на SLR і GPS виміри; 13, 23, 42, 44 - ідеї та алгоритми відновлення вертикальних профілів складових показника заломлення повітря для електромагнітних хвиль.

Апробація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: Всесоюзній нараді з рефракції електромагнітних хвиль в атмосфері, Томськ, 1983; Всесоюзній науково - практичній нараді з проблем вдосконалення апаратурних засобів і таблиць для визначення рефракції електромагнітних хвиль в земній атмосфері, Іркутськ, 1984;14-й Всесоюзній конференції з поширення радіохвиль, Ленінград, 1984; Всесоюзній конференції “Состояние и перспективы развития геодезии и картографии”, Москва, 1984; Міжнародній конференції з рефракції, Ленінград, 1985; Першій Всесоюзній нараді “Полярная метеорология на службе народного хозяйства”, Мурманськ, 1987; XV-й Всесоюзній конференції з розповсюдження радіохвиль, Алма-Ата, 1987; ІІ-й і ІІІ-й Орловській конференціях “Изучение Земли как планеты методами астрономии, геофизики и геодезии”, Київ, 1988, Одеса, 1992; Х-у Всесоюзному симпозіумі з поширення лазерного випромінювання в атмосфері, Томськ, 1989; Другому, Третьому і Четвертому всесоюзних симпозіумах “Метеорологические исследования в Антарктике”, Ленінград, 1981, 1985, 1990; Всесоюзній нараді з приземного розповсюдження радіохвиль і електромагнітної сумісності, Улан-Уде,1990; XVI-й Всесоюзній конференції з розповсюдження радіохвиль, Харків, 1990; ІХ-у з'їзді Всесоюзного астрономо-геодезичного товариства, Новосибірськ, 1990; Всесоюзній конференції “V совещание по атмосферной оптике”, Томськ, 1991; 3-у Міжнародному семінарі “GPS в Центральній Європі”, Пенс (Угорщина), 1995; Першому Міжнародному симпозіумі з лазерної техніки в геодезії і маркшейдерії, Любляна (Словенія), 1995; Науково-практичній конференції ”Сучасні досягнення геодезичної науки і виробництва в Україні”, Львів, 1996; Міжнародному науково-технічному симпозіумі “Геомоніторинг - 99”, Львів, 1999; Другому і Третьому антарктичних симпозіумах з геодезії і картографії, Варшава, 1999, Санкт-Петербург, 2001; Четвертому, П'ятому і Шостому міжнародних науково-технічних симпозіумах “Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища - GPS i GIS технології”, Алушта, 1999, 2000, 2001; Міжнародних науково-технічних конференціях “Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва”, Львів, 2000, 2002; 3-й Міжнародній науково-технічній конференції “Метрологія в електроніці 2000”, Харків, 2000; 2-й і 3-ій міжнародних конференціях “Кадастр, фотограмметрія, геоінформатика - сучасні технології і перспективи розвитку“, Львів - Краків, 2000, 2001; 2-й Міжнародній нараді “Супутникова навігація в регіоні Центрально-Європейської Ініціативи”, Ольштин (Польща), 2000; XXIII - XXVI-й генеральних асамблеях Європейського Геофізичного товариства, Ніца (Франція), 1998, Гаага (Голландія), 1999, Ніца (Франція), 2000, 2001; Міжнародній конференції “Вивчення геодинамічних процесів методами астрономії, геодезії і геофізики”, Полтава, 1991; 3-й науковій конференції “Вибрані питання астрономії та астрофізики”, Львів, 2002; ІІ-й науково-практичній конференції “Застосування GPS в Україні”, Харків, 2002.

2. Основний зміст роботи

У вступі описано сучасний стан наукової проблеми, обгрунтовані актуальність та новизна предмету дослідження, сформульовані мета та основні завдання дисертаційної роботи, практична цінність проведених наукових досліджень і розробок, їх реалізація, впровадження та апробація, структура і об'єм дисертаційної роботи, сформульовані основні положення, що виносяться на захист, дані про публікації, апробацію і впровадження результатів досліджень.

Перший розділ присвячено аналізу особливостей просторово-часових змін показника заломлення повітря для електромагнітних хвиль в полярних регіонах. В підрозділі 1.1 охарактеризовані фізико-географічні особливості полярних регіонів, які обумовлюють складність проведення астрономо-геодезичних робіт. Вперше проведено детальний хронологічний огляд астрономогеодезичних робіт і наукових досліджень, що були виконані в радянських антарктичних експедиціях, започаткованих Другим Міжнародним Геофізичним Роком. Підрозділ 1.2 висвітлює особливості вертикального розподілу температури і вологості повітря в нижній атмосфері полярних регіонів. Результати досліджень просторово-часової динаміки показника заломлення електромагнітних хвиль та його складових, отриманих автором, приведені в підрозділі 1.3. Тут же наведена характеристика вихідних даних, що покладені в основу дисертаційних досліджень.

На основі аналізу просторово-часових змін показника заломлення повітря для ЕМХ встановлено їх особливості порівняно зі середніми широтами. Так, за вертикальними градієнтами індексу показника заломлення оптичного GN_L і радіодіапазону GN_R у нижній тропосфері встановлено, що при:

- неусталеній стратифікації у всіх регіонах, за винятком Центральної Антарктиди, GN_RGN_L;

- рівноваговій стратифікації і вертикальних градієнтах вологості повітря, близьких до нуля, GN_R GN_L;

- усталеній стратифікації GN_R GN_L, а при значному зростанні інтенсивності інверсії GN_R GN_L. При надінтенсивних інверсіях температури повітря в зимовий період (станція Восток, Центральна Антарктида) градієнти GN_R і GN_L в декілька разів перевищують відповідні величини для умов рівновагової стратифікації.

Середній добовий хід показника заломлення повітря для радіо- і світлових хвиль в полярних регіонах, у порівнянні зі середніми широтами, невеликий. Максимальна добова амплітуда в Арктиці припадає на осінній період, а в Антарктиді (за даними станції Мірний, Антарктичне узбережжя) на весняний і не перевищує 6-8 од N. В річному ході показника заломлення в Антарктиді переважає в загальному співвідношення N_R N_L, що викликано малим вмістом водяної пари в повітрі.

Слід відзначити, що в полярних регіонах, а, зокрема, в Антарктиді, завдяки надзвичайно низькому парціальному тиску водяної пари можуть на відміну від середніх широт широко використовуватись і наземні радіовіддалемірні вимірювання. Крім того, висока прозорість повітря (в Центральній Антарктиді вона близька до прозорості в ідеальній атмосфері) дозволяє значно збільшувати дальність світловіддалемірних вимірювань.

Найбільш достовірним джерелом вивчення будови та динаміки тропосфери і нижньої стратосфери є аерологічне зондування. Але воно, в силу значного кроку відображення метеорологічних параметрів з висотою, слабко представляє нижні шари атмосфери (підрозділ 1.4). Тому нами встановлено вплив представлення їх на формування величин астрономічної рефракції r і віддалемірних поправок S у супутникові лазерні виміри для зенітних відстаней Z 75 (табл. 1). При інверсійній стратифікації у повну величину астрономічної рефракції суттєву частку вносить нижній 300 - метровий шар атмосфери. На зенітній відстані Z = 75 вона складає 14%, а при Z = 89,8 перевищує 50%. Вплив різних шарів тропосфери на величину віддалемірної поправки S є більш рівномірним.

Таблиця 1 Вклад (%) шарів атмосфери в повну величину r і S

Другий розділ присвячений визначенню астрономічної рефракції та її аномалій в зоні близькій до горизонту, що базуються на трьох основних підходах щодо кількісної оцінки кута рефракції:

числовому - визначенні кута астрономічної рефракції шляхом інтегрування профілів показника заломлення чи густини повітря, отриманих за результатами зондування атмосфери;

модельному - побудові глобальних, зазвичай, моделей земної атмосфери і складанні на їх основі таблиць астрономічної рефракції;

інструментальному - найбільш точному визначенні кута рефракції відповідними вимірювальними засобами і методами.

Числове інтегрування виконувалось за модифікованим нами інтегралом астрономічної рефракції (див. Мikkоlа S. Employing aerological measurement data for refraction evaluation // Suomen. geod. laitok. tied.- 1979.- №3 -6 p.) та розробленим алгоритмом інтегрування вертикального профілю густини повітря (підрозділ 2.2):

На основі аналізу аномалій астрономічної рефракції, що являють собою різниці між кутами рефракції, визначеними за середньомісячними аерологічними профілями 12-и полярних станцій і за Пулковськими таблицями рефракції 5-го видання, встановлено (підрозділ 2.4):

на зенітних відстанях до 70⁰ в літній період аномалії рефракції не перевищують за абсолютною величиною 0,3" в Арктиці і 0,2-0,3" в Антарктиді. Зимою вони досягають 0,2-0,3" на Антарктичному узбережжі, 0,3-0,5" в Центральній Антарктиді та 0,4" в Арктиці;

- в діапазоні зенітних відстаней до 80⁰ таблиці дозволяють враховувати рефракцію з похибкою біля 1";

- на великих зенітних відстанях, тобто при Z > 80⁰, жодні таблиці рефракції не забезпечують точного врахування астрономічної рефракції в полярних регіонах.

Однією з основних відмінностей в структурі атмосфери полярних регіонів порівняно зі середніми широтами є переважно усталена термічна стратифікація в граничному шарі атмосфери, тому особлива увага приділена дослідженню впливу приземної інверсії температури на величину астрономічної рефракції при спостереженнях на великих зенітних відстанях (підрозділ 2.5). За трьома зимовими моделями атмосфери станції Восток з однаковими метеорологічними параметрами на нижній границі, але з різною інтенсивністю інверсій температури у різних прошарках нижнього 1,5-кілометрового шару атмосфери встановлено, що на зенітній відстані до 75 різниця в кутах рефракції за різними моделями складає лише 0,02, але зі збільшенням зенітних відстаней вона суттєво зростає і на Z = 89 сягає 1. Встановлено також, що особливо значні аномалії рефракції не лише зимою, а й влітку спричиняє піднесена інверсія температури, яка може охоплювати шар товщиною 100-200 метрів, починаючи з висоти 50-70 метрів від земної поверхні.

Виходячи із зазначених особливостей стратифікації атмосфери в Антарктиді, на основі середньомісячних аерологічних профілів станцій Мірний і Восток були розроблені сезонні та середньорічні моделі атмосфери.

У підрозділах 2.7-2.8 наведено результати інструментальних досліджень аномалій астрономічної рефракції на великих зенітних відстанях, виконаних за участю і під керівництвом автора, за спостереженнями Сонця і яскравих зірок в різних регіонах, а саме: в Заполяр'ї (північ Кольського півострова), в Арктиці (Нова Земля), в Середній Азії (Балхаш) та в Прикарпатті (Львів і Бережани).

За аналізом аномалій, отриманих в Заполяр'ї, встановлено асиметрію астрономічної рефракції в напрямках меридіана і першого вертикала, викликану близькими водяними масами Кольської затоки (табл.2), що розташована на схід і північний схід від пункту спостережень. Подібний, але більш суттєво відмінний характер аномалій рефракції в ранковий і вечірній періоди отримано за спостереженнями Сонця на Новій Землі (див. табл.2), що можна пояснити розташуванням пункту спостережень на східному узбережжі, де в ранковий період світловий промінь проходить над поверхнею холодного Карського моря, що призводить до збільшення кута виміряної астрономічної рефракції.

Таблиця 2. Усереднені за градусними інтервалами по зенітних відстанях аномалії r за спостереженнями Сонця

За спостереженнями яскравих зірок в районі озера Балхаш та в Прикарпатті також встановлено перевагу додатних аномалій у східній частині неба. З аналізу результатів нічних, ранкових та вечірніх спостережень виявлено дещо менші за абсолютною величиною аномалії рефракції в нічний період, що пояснюється формуванням більш стабільного стану атмосфери. Згідно результатів спостережень Сонця на астрономічній обсерваторії Львівської політехніки найбільші за величиною аномалії рефракції отримано в зимовий період (грудень-січень). Окрім аномалій рефракції r, отриманих за Пулковськими таблицями, визначались аномалії , що являють собою різниці між кутами рефракції виміряними і обчисленими за даними аерологічного зондування на станції Львів. На основі більш ніж 400 значень аномалій r і , отриманих переважно за спостереженнями Сонця, встановлено, що на зенітних відстанях до 85 аномалії r і практично не відрізняються. При Z>85 аномалії r різко зростають за абсолютною величиною і при Z89 вони перевищують аномалії у 3-4 рази, підтверджуючи, що для достовірного отримання кутів астрономічної рефракції на великих зенітних відстанях необхідно використовувати регіональні моделі атмосфери.

У підрозділі 2.9 описано розроблений спосіб визначення кута астрономічної рефракції на великих зенітних відстанях за спостереженнями верхнього і нижнього країв диску Сонця на одному альмукантараті, що дає можливість отримати середнє значення кута рефракції, вільне від несиметричної деформації диску Сонця:

На основі сумісних експериментальних досліджень астрономічної і земної вертикальної рефракції, результати яких приведені в підрозділі 2.10, встановлено тісну кореляцію між аномаліями астрономічної рефракції і коефіцієнтами земної вертикальної рефракції. Тут же описано розроблений алгоритм для числового інтегрування світлового променя при відомих початкових умовах для випадку, коли показник заломлення повітря є функцією полярних координат. Даний алгоритм дає можливість обчислити в полярних координатах плоску траєкторію візирного променя і кути вертикальної рефракції в початковій і кінцевій точках.

Третій розділ присвячено дослідженню земної вертикальної рефракції і її впливу на точність тригонометричного нівелювання в полярних регіонах.

Встановлено характеристики турбулентності повітря і земної вертикальної рефракції за щогодинними градієнтними вимірами температури повітря і швидкості вітру в нижньому 30-метровому шарі атмосфери на станції Мідзухо (табл.3) в період з 1 січня по 31 травня 1981 року (підрозділ 3.2). Виявлено такі особливості температурно-вітрової стратифікації в цьому шарі:

- згин профілю з мінімумом температури на висоті 1 м, при цьому середній розподіл температури крім шару 0,5 - 1м підпорядковується логарифмічному закону;

відсутність добового ходу температурних градієнтів в нижньому 2-метровому шарі повітря. У всі періоди вимірів в шарах 0,5-1 і 1-2 м ці величини зберігають знак, а його зміна відбувається лише від шару до шару, причому найінтенсивніший характер цього переходу спостерігається в березні;

в шарі 0,5-2 м, за виключенням січня, розподіл швидкості вітру підпорядковується логарифмічному закону, вище 2 м спостерігається злам;

чітко виражений добовий хід швидкості вітру та її вертикальних градієнтів в шарі до 4 метрів.

Таблиця 3 Середньомісячні рефракційні характеристики на станції Мідзухо

Примітка: коефіцієнт Ri - число Річардсона, що характеризує сталість термодинамічного стану приземного шару атмосфери; t і V, відповідно, різниця температури і швидкості вітру на висоті 0,5 і 2 м; с - аномальна частина вертикального градієнта температури на висоті 1 м; r - кут земної вертикальної рефракції.

Визначені величини r для ліній довжиною 10 км і еквівалентної висоти променя 4 м вказують на суттєвий вплив рефракції в умовах Антарктичного схилу навіть в літній період. Особливо він проявляється у нічні години. Встановлено найбільш прийнятний період доби для проведення тригонометричного нівелювання, що охоплює термін з 8 до 18 години за місцевим середнім сонячним часом. Проте, навіть і в цей період зміна коефіцієнта рефракції при довжині лінії в 10 км може викликати помилку в перевищенні близькою 2 м.

Розроблено новий спосіб визначення коефіцієнта вертикальної рефракції за даними наземних метеорологічних і синоптичних вимірів на одному пункті. Суть його полягає в наступному. Вимірюють короткохвильову складову сонячного випромінювання Q, альбедо земної поверхні A, атмосферний тиск P і вологість повітря. За умови ізотермії величину поглиненої сумарної радіації прирівнюють до величини ефективного випромінювання

Даний спосіб дозволяє підвищити точність тригонометричного нівелювання на протязі світлового дня. Згідно розробленої методики визначено коефіцієнти вертикальної рефракції за щогодинними середньомісячними значеннями сумарної радіації, альбедо підстелюючої поверхні, тиску і вологості повітря на 5-и антарктичних і арктичних станціях. Встановлено, що в добовому ході коефіцієнта рефракції спостерігається чітка залежність від широти. Так, на Антарктичному узбережжі в літній період коефіцієнт змінюється від 0,1 до 0,5, а на високоширотних станціях відбувається його вирівнювання. В річному ході у всіх регіонах коефіцієнт рефракції зростає від літнього до зимового періоду приблизно в 3-4 рази. Встановлено залежність його від альбедо підстелюючої поверхні та періоди спокійних зображень (псз) і відповідні їм коефіцієнти “нормальної” рефракції, які можуть суттєво перевищувати величини, загальноприйняті для середніх широт.

Широкомасштабні експериментальні дослідження впливу вертикальної рефракції на точність тригонометричного нівелювання були проведені нами у літні періоди 1978-1981 років на 4-х ділянках узбережжя Баренцевого і Карського морів на Новій Землі. Проведені багатосерійні односторонні і двосторонні одночасні вимірювання зенітних відстаней на пункти геодезичної мережі, віддалені в середньому на 10-12 км. За вертикальними градієнтами температури _t, отриманими із метеорологічних вимірів, і за середнє інтегральними _t встановлено періоди переходу від нормальної стратифікації повітря до інверсійної і навпаки та проаналізовано ступінь кореляції між метеорологічними та середнє інтегральними градієнтами. На основі порівняння виміряних та обчислених для цих періодів коефіцієнтів вертикальної рефракції встановлено, що швидкість зміни з висотою шару ізотермії майже в два рази менша, ніж в середніх широтах, і складає біля 35 м/год.

Слід зауважити, що літом, в години близькі до полудня, над гірськими відкритими каменистими ділянками і, особливо, над каменистою тундрою розвивається значна турбулентність нижніх приземних шарів повітря. В таких умовах була застосована відома методика врахування вертикальної рефракції за коливаннями зображень візирних цілей. Це дало можливість у півтора-два рази підвищити точність тригонометричного нівелювання. Оскільки такі великі експериментальні дослідження були проведені вперше на території колишньої Радянської Арктики, то вони були направлені, в першу чергу, на вишукування найвигідніших умов для проведення тригонометричного нівелювання, що співпадають з ПСЗ. Ці періоди встановлювались за такими критеріями: точками перетину графіків добового ходу зенітних відстаней; вертикальними градієнтними вимірами температури у нижньому приземному шарі повітря; затуханнями коливань зображень візирних цілей; мінімальними в добовому ході нев'язками перевищень в трикутниках чи лініях геодезичних мереж; співвідношеннями виміряної і обчисленої критичної швидкості вітру для даного моменту.

За результатами спостережень в ПСЗ в третьому районі виміряні зенітні відстані було поділено на три групи в залежності від критичної швидкості вітру u_крит. З коефіцієнтом рефракції K=0,16, визначеним для лінії одночасного двостороннього нівелювання М-Ц, отримана мінімальна нев'язка в ході Р-М-Ц - Г. П, що складала біля 5 см при довжині 24 км, для умов uu_крит. При інших умовах (uu_крит) коефіцієнти рефракції зростають, що вказує на існування в цей час інверсійної стратифікації (табл. 4).

Таблиця 4 Результати геодезичних і метеорологічних вимірів у періоди спокійних зображень в третьому районі

Виконані дослідження надали можливість надійно встановлювати найбільш сприятливі, з огляду на величину кута рефракції, періоди проведення тригонометричного нівелювання в полярних регіонах, розробити методики розрахунку, визначення та прогнозування коефіцієнтів вертикальної рефракції на певний період для конкретного регіону.

У четвертому розділі висвітлені дослідження просторово-часової нерівномірності показника заломлення повітря та атмосферної затримки при супутникових віддалемірних спостереженнях. В підрозділі 4.1 за підібраними парами зондувань атмосфери для літнього періоду з близькими приземними метеорологічними параметрами в кожній парі, проте з суттєво відмінними їх вертикальними профілями і послідовною заміною відповідних вертикальних профілів між собою в парі кожного параметру встановлено, що:

- заміна профілів атмосферного тиску з різними “вагами” (сумами значень тиску для одних і тих же шарів атмосфери) викликає приблизно однакову зміну різниць поправок S_L і S_R, підтверджуючи, що збільшення ваги профілю атмосферного тиску збільшує величину атмосферної затримки. Домінуючий вклад в її зміну як в оптичному, так і радіодіапазоні вносить висотний шар атмосфери у межах 3-15 км;

- заміна профілів температури з додатними різницями “ваг” t приводить до зменшення поправок. Основний вклад в зміну атмосферної затримки тут вносить власне тропосфера, тобто шар висотою до 9-11 км;

- заміна профілів парціального тиску водяної пари практично не змінює величин S_L, а лише поправки S_R. Домінуючий вклад в зміну атмосферної затримки в радіодіапазоні тут вносить нижній 5-и кілометровий шар.

В дослідженнях підрозділу 4.2 встановлено характер сухої та вологої складових показника заломлення повітря і зенітної тропосферної затримки. Визначення окремих складових індексу показника заломлення повітря, а далі, відповідно, тропосферної затримки проводиться за відомою формулою, що справедлива для ідеального газу:

За 50 середньомісячними і миттєвими аерологічними профілями, підібраними для різних регіонів і кліматичних умов, встановлено величини різниць сухої та вологої складових зенітної тропосферної затримки, визначених з допомогою формул (9) і (8):

- для сухої складової різниці становлять біля 1 мм на станціях, відносно близьких за висотами до рівня моря і при температурах повітря біля 0С. Вони змінюються від 0,7 мм при температурі t 20С до 1,3 при t -20С;

- на станціях, розміщених на значних висотах (ст. Восток), вказані різниці зменшуються за рахунок спаду загального атмосферного тиску повітря;

- різниці між величинами вологої складової зенітної тропосферної затримки у всіх регіонах і при різних кліматичних умовах практично дорівнюють нулеві і лише при значному вмісті водяної пари в повітрі можуть досягати -0,1-0,2 мм. Отже, при визначенні вологої тропосферної затримки практично у всіх випадках коефіцієнтом стискування водяної пари можна знехтувати.

За величинами сухої і вологої d_w складових зенітної тропосферної затримки, отриманими за середньомісячними аерологічними профілями, встановлено:

- у Центральній Антарктиді (ст.Восток) величина сухої складової становить, через значну висоту над рівнем моря, в середньому 1430 мм, що складає лише 65% у порівнянні з Антарктичним узбережжям і арктичним регіоном. Волога компонента на станції Восток є дуже малою і становить літом лише 0,5% від повної величини зенітної тропосферної затримки, а зимою вона менша 0,1%;

- на Антарктичному узбережжі, включно з Антарктичним півостровом, і в Центральній Арктиці значення вологої компоненти складає влітку 2-4% і зимою 1,4-0,7%. Для порівняння, у південно-західному регіоні України ця величина становить влітку майже 10%.

В підрозділі 4.3 вперше обгрунтовані особливості формування вологої складової зенітної тропосферної затримки в полярних регіонах. В загальному приймають, що на границі тропосфери і тропопаузи величина парціального тиску водяної пари спадає до нуля, а тому профіль вологості повітря для визначення вологої складової тропосферної затримки рекомендують враховувати в межах тропосфери до її верхньої границі. На цій основі побудовані практично всі аналітичні моделі для визначення вологої складової. Такий підхід до певної міри відповідає дійсності для низьких і середніх широт. В полярних регіонах і, в першу чергу, Антарктиді будова нижньої атмосфери суттєво інша. Так, в літній період, на висоті близько 17 км різниця середніх температур повітря між станціями Одеса і Мірний становить -16С, а між станціями Одеса і Острів Хейса -15С. Внаслідок цього, в “теплій” нижній стратосфері полярних регіонів концентрується значна частина масової долі водяної пари, що формує певне зростання її парціального тиску, а, відповідно, і величину вологої складової тропосферної затримки. В табл. 5 показано усереднений (ст.Мірний, січень і ст.Одеса, липень-серпень) відсотковий вклад величин і e у трьох шарах атмосфери.

Таким чином, для точного врахування вологої складової тропосферної затримки у GPS виміри, що проводяться у літній період в полярних регіонах і, насамперед, в Антарктиді, необхідно включати і позатропосферну величину парціального тиску водяної пари приблизно до висот 20-25 км, яка може бути змодельована на основі детального аналізу, в першу чергу, стратифікації нижньої стратосфери за існуючими аерологічними даними полярних станцій, на яких вже проводяться перманентні GPS спостереження або тривалі літні GPS кампанії.

Таблиця 5 Кількісні характеристики (%) вологої складової зенітної тропосферної затримки та парціального тиску водяної пари в різних шарах атмосфери

Примітка: - верхня границя тропосфери, а - верхня границя зондування відносної вологості.

В підрозділі 4.4 приведені характеристики аналітичних моделей для визначення складових зенітної тропосферної затримки, що використовуються в сучасному програмному забезпеченні при обробці GPS вимірів (див. Mendes V.B. Modeling the neutral-atmosphere propagation delay in radiometric space techniques: Ph.D. dissertation, Department of Geodesy and Geomatics Engineering / Technical Report № 199.-University of New Brunswick, Fredericton, New Brunswick (Canada).- 1999.- 353 p.). Практично кожне програмне забезпечення включає аналітичні моделі Saastamoinen і Hopfield, тому основна увага в роботі приділена аналізу саме цих моделей. Крім цього, аналізуються моделі Ifadis, Baby, Askne and Nordius, Berman i Chao.

В підрозділі 4.5 виконано аналіз точності визначення складових зенітної тропосферної затримки за аналітичними моделями в різних регіонах. Для полярних регіонів він проведений на основі ранкових і вечірніх щоденних зондувань атмосфери на протязі січня на станції Мірний. Рис.3 ілюструє міждобову зміну різниць сухої складової між відповідними величинами із інтегрування та за моделями Saastamoinen (суцільна лінія) і Hopfield (штрихова лінія), які мають один і той же характер, проте між ними спостерігається постійне зміщення, що становить в середньому 7 мм як для 6-ї, так і 18-ї години. Однаковий характер зміни пояснюється тим, що Saastamoinen, Hopfield та інші розробники аналітичних моделей брали за основу переважно стандартні моделі атмосфери, складені за даними аерологічних зондувань, що проводились переважно у Північній Америці чи в Західній Європі.

Вологими складовими, отриманими із інтегрування та за аналітичними моделями Saastamoinen, Hopfield, Ifadis та Baby. Як видно, хід величин d_w із різних аналітичних моделей має практично однакові міждобові зміни. Аналогічну картину, лише зі зміщенням по вертикалі величин d_w, отримуємо і для вечірнього періоду. Це обумовлено дещо відмінною стратифікацією граничного шару атмосфери у ранковий і вечірній періоди. Слід зауважити, що приведені графіки характеризують, власне, точність визначення вологої складової зенітної тропосферної затримки в досліджуваному регіоні в літній період. Абсолютно такий же характер змін мають і величини d_w, отримані з використанням моделей Askne and Nordius, Berman i Chao.