Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

Спутниковое радиозондирование ионосферы из окрестности главного максимума концентрации электронов

Специальность 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

Котонаева Надежда Геннадьевна

Москва - 2010

Работа выполнена в Государственном учреждении «Институт прикладной геофизики имени академика Е. К. Федорова» (ГУ «ИПГ»)

Научный ионосфера спутниковое зондирование радиоволна

консультант:

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией ГУ «ИПГ»

Данилкин Николай Петрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом ГУ «ИПГ»

Тулинов Георгий Филиппович

доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН) Карпачев Александр Трофимович

доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники, главный научный сотрудник Научно-исследовательского института дальней радиосвязи (ОАО НПК НИИДАР)

Шустов Эфир Иванович

Ведущая

организация:

Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета

Общая характеристика работы

Актуальность исследований, проведенных в диссертационной работе, обусловлена необходимостью решения комплекса проблем по разработке современных эффективных методов мониторинга ионосферы Земли.

В соответствии с Федеральной целевой программой «Создания и развития системы мониторинга геофизической обстановки над территорией Российской Федерации на 2008-2015 годы» предусматривается организация оперативного мониторинга геофизической обстановки над территорией Российской Федерации с целью обеспечения заинтересованных федеральных органов исполнительной власти и организаций текущей, прогнозной и экстренной информацией о геофизической обстановке. Основная задача системы мониторинга - проведение наблюдений за состоянием атмосферы, ионосферы и околоземного космического пространства. Полноценный мониторинг геофизической обстановки невозможен без использования широкого комплекса космических наблюдательных средств. Цель создания космического сегмента системы мониторинга геофизической обстановки - получение регулярной информации о состоянии параметров околоземной космической среды бортовыми средствами в спокойный период и в условиях возмущений природного и антропогенного характера. Для реализации указанной цели космический сегмент должен измерять физические характеристики окружающей среды, контролировать ее структуру, определять изменения параметров происходящих процессов и прогнозировать направление их развития.

Одним из основных методов контроля ионосферы является метод радиозондирования ионосферы с наземных и бортовых ионосферных станций. Измеренные параметры ионосферы используются для прогноза ионосферного распространения радиоволн. В настоящее время радиозондирование не только не утратило своего ведущего положения в системе методов контроля состояния ионосферы, но практически превращается в метод контроля всей околопланетной среды.

Расположение ионозонда вблизи и ниже максимума электронной концентрации, несет дополнительную информацию об этой области ионосферы, наиболее интересной с точки зрения практического использования данных для распространения радиоволн. Между тем, именно здесь форма слоя F2 наименее хорошо известна, т.к. в большинстве методов расчета зависимостей электронной концентрации от высоты(N(h)-профилей) здесь заранее предполагается параболическое распределение электронной плотности либо в виде симметричного слоя Эпштейна (иногда выбираются другие модели), и экспериментальные данные подгоняются под это распределение. Расположение ионозонда на высотах вблизи и ниже высоты максимума концентрации электронов слоя F2() позволяло ожидать более точного определения пространственной структуры плотности электронов в этой области.

Поэтому работа по исследованию результатов спутникового радиозондирование ионосферы с высот вблизи главного максимума электронной концентрации, которое дополняет и развивает систему методов радиозондирования на область высот ранее неиспользуемую и приносящую неизвестные ранее и полезные для науки и практического применения сведения, является актуальной.

Степень разработанности проблемы

Впервые исследования внешней ионосферы в планетарном масштабе были проведены на ионозонде на искусственном спутнике Земли(ИСЗ) - «Alouette-1», который начал изучение ионосферы в 1962 году. С его помощью были проведены синоптические исследования внешней ионосферы в пределах полного цикла солнечной активности. «Alouette-1» был запущен перед минимумом солнечной активностии имел почти круговую орбиту с высотой около 1000 км. Основное назначение этого бортового ионозонда сводилось к исследованию ионосферы на высотах больших . Эти измерения создали основу для теоретического осмысливания наблюдаемых явлений.

С тех пор целая серия спутниковых ионозондов «Alouette-2», «ISIS-1-2», «Explorer-XX», «ISS-1,-2», «Интеркосмос-19», «Космос -1809» и др. - принесла огромное количество сведений о морфологии земной ионосферы, позволила оперативно строить планетарные карты основных ионосферных характеристик, которые являются одним из наиболее существенных моментов контроля и прогноза состояния ионосферы.

При этом ИСЗ «Alouette-1», «ISS-1,-2» имели полярные или близкие к ним орбиты. «Космос-1809» и «ISIS-2» летали на аналогичных орбитах с высотой 900 км и 1400 км соответственно. Орбиты спутников «Alouette-2»,«ISIS-1», «Интеркосмос-19» были эллиптическими: 500-3000 км, 570-3550 км и 500-1000 км, соответственно. Ни один из спутников с ионозондами на борту не опускался ниже высоты максимума слоя F2. Спутник «Интеркосмос-19» в конце его существования в отдельные моменты мог опускаться ниже высоты , но отдельные исследования результатов радиозондирования с этих высот не публиковались.

Вертикальное зондирование с борта космических аппаратов (КА) на первых порах не позволяло контролировать структуру ионосферы ниже ее главного максимума, т. е. именно той области ионосферы, данные о которой наиболее необходимы для решения практических задач, связанных с распространением радиоволн.

В эксперименте на ИСЗ «Интеркосмос-19» были реализованы идеи трансионосферного зондирования. Результаты этого исследования показали возможность получать информацию о структуре ионосферы вблизи максимума слоя F2 на основе просвечивания ионосферы насквозь вблизи границы её радиопрозрачности. Была высказана гипотеза о том, что информацию об основных параметрах области F2 (критической частоте ионосферы - и высоте её максимума - ) можно получать, располагая ионозонд на любых высотах ионосферы, включая высоту её максимума плотности электронов.

Эксперимент, проведенный с использованием ионозонда, установленного на орбитальном комплексе (ОК) «Мир», летавшем на высотах 340 - 400 км, стал первым в мире экспериментом по радиозондированию ионосферы со столь низких высот.Эти высоты сравнимы с , и, следовательно, ОК «Мир» в процессе движения по орбите менял свое положение относительно максимума концентрации электронов в ионосфере, пересекал его и определенное время находился ниже максимума. Цифровые данные по радиозондированию с ОК «Мир» были получены в августе 1999 года. Первоначальный анализ этих данных сразу показал необходимость их глубокого изучения для выяснения основного вопроса - является ли радиозондирование с этих высот столь же эффективным средством мониторинга ионосферы, как и зондирование с высоты 1000 км, а также какие оно дает новые возможности и перспективы в исследовании ионосферы. Ранее подобных работ, основанных на экспериментальном материале, не проводилось.

Целью настоящей диссертационной работы является развитие теории и практики непрерывного мониторинга, предназначенного для исследования ионосферы и решения задач оперативного контроля геофизической обстановки, посредством радиозондирования ионосферы со спутников на сверхнизких орбитах.

Реализация поставленной цели достигается на основе решения следующих задач:

- обоснование целесообразности применения радиозондирования со спутников с высотой орбиты, сравнимой с высотой главного максимума концентрации ионосферы, для обеспечения глобального и непрерывного мониторинга высотного распределения электронной концентрации ионосферы;

- морфологический анализ и классификация экспериментального материала радиозондирования ионосферы с ОК «Мир»;

- разработка алгоритмов расчета характеристик многочастотного распространения радиоволн, в частности частотных зависимостей действующих дальностей и вида траекторий, возвращающихся на спутник;

- разработка алгоритмов и математических моделей неоднородного распределения электронной плотности в ионосфере, в рамках которых возможно решение обратной задачи радиозондированиявосстановление распределения электронной концентрации;

- апробация программ реконструкции пространственных распределений электронной концентрации ионосферы Земли по результатам спутникового зондирования сОК «Мир»;

- разработка методик восстановления профилей электронной концентрации по следам трех компонент магниторасщепленного сигнала в окрестности максимума электронной плотности;

- разработка рекомендаций для практической реализации данных радиозондирования с низкоорбитальных спутников и станций наземного зондирования для их локальной экстраполяции в районах, прилежащих к местам проведения экспериментов на основании соотношений планетарного распределения электронной плотности, заложенных в международную эмпирическую модель ионосферы.

Объект исследования- спутниковое радиозондирование ионосферы из окрестности главного максимума концентрации электронов.

Предмет исследования - ионограммы спутникового радиозондирования ионосферы из окрестности главного максимума, как средство определения электронной пространственной структуры ионосферы.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Эмпирической основой для решения поставленных задач стали результаты натурного эксперимента по спутниковому зондированию ионосферы с использованием ионозонда ИОН-1 автоматической ионосферной станции (АИС) АИ-804, установленного на ОК «Мир» с высотой орбиты порядка 350 км. Для анализа использовались экспериментальные ионограммы в цифровой записи, полученные с ОК «Мир», результаты наземного радиозондирования со станций, использованные для сравнения со спутниковым экспериментом, результаты томографического исследования ионосферных разрезов по данным GPS-сигналов в цепочке ионосферных станций Италии. Кроме этого использовалась эмпирическая модель ионосферы IRI-2001.Методологической основой для математического моделирования и интерпретации результатов эксперимента явились современные методы вычислительного эксперимента при задании характеристик ионосферына основе коррекции международной модели с внесением внутренних горизонтальных возмущений электронной плотности. Решение задач осуществлялось с использованием апробированных методов теории распространения радиоволн в ионосфере, методов математического анализа, математической физики, математической статистики. Теоретической основой диссертации стали работы по ионосфере и распространению радиоволн Я. Л. Альперта,Ф. Б. Черного, К. Девиса, Г. Байнона, Дж. А. Ратклиффта,М. П. Долуханова и др., работы А.Н.Тихонова по обоснованию метода математического моделирования, работы Н.П. Данилкина, П. Ф. Денисенко, О.А. Мальцевой, И.И. Иванова по определению пространственных и временных характеристики оносферы по данным наземного, спутникового и трансионосферного радиозондирования, работы Д. Титриджа по методам расчета зависимостей электронной концентрации ионосферы от высоты, работы М. Д. Флигеля по анализ усложных ионограмм траекторными методами, работы Ю. А. Кравцова, Ю.И. Орлова, Р.С. Лоуренса, Д. Дж. Пасаконипо методам расчета траекторий распространения радиолуча в ионосфере и др. Обработка ионограмм осуществлялась в соответствии с рекомендациями международного Радиосоюза, изложенными в «Руководстве URSI по интерпретации и обработке ионограмм».

Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяется использованием адекватного математического аппарата, согласованностью результатов вычислительных экспериментов с результатами натурных исследований и результатами теоретического анализа, соответствием полученных экспериментальных данных с данными других исследований,а также выводами других авторов.

Научные результаты, выносимые на защиту

1. Установленаэффективность метода радиозондирования с высот порядка 350км в определении основных параметров ионосферы, состоящая в том, что данный метод позволяет вычислять высоту расположения максимума и величину концентрации в нем не менее уверенно, а во многих случаях и с меньшей погрешностью, чем радиозондирование с других высот, а так же в том, что полученные данные по критической частоте слоя F2 могут быть использованы не только в точках зондирования, но и экстраполированы на области в окрестности орбиты ИСЗ.

2. Выявлена возможность использования метода радиозондирования с высот порядка 350км как средства контроля состояния ионосферы Земли, заключающаяся в том, что радиозондирование ионосферы с высот ниже высоты максимума электронной концентрации особенно чувствительно к наличию горизонтальных градиентов электронной концентрации. Наличие крупных неоднородностей в районе зондирования вызывает на ионограммах дополнительные следы с большими групповыми задержками.

3. Предложено объяснение новых ионограмм с дополнительными следами с высот ниже главного максимума ионосферы, состоящее в том, что наличие на ионограммах задержанных нижних следов с большими групповыми задержками вызывается фокусировкой радиоволн многих частот на спутник вследствие рефракции на резких горизонтальных градиентах концентрации электронов в структурах ионосферы как регулярного, так и нерегулярного характера.

4. Разработана методика выделения крупномасштабных нерегулярных элементов локальной структуры ионосферы, состоящая в анализе возможных траекторий зондирующих лучей в модельной ионосфере с целью выбора тех из них, чьи действующие дальности соответствуют экспериментальным на каждой частоте зондирования.

5. Проведено исследование элементов глобальной структуры ионосферы ниже высоты максимума ее концентрации в областях экваториальной аномалии, состоящее в построении электронной пространственной структуры локальной ионосферы в районе зондирования.

6. Проведено исследование элементов локальной ионосферы - нерегулярных структур больших масштабов, состоящее в построении распределения электронной плотности, вычислении величины горизонтального градиента концентрации и скорости перемещения неоднородности.

7. Доказана возможность существования критической частоты z-компоненты магниторасщепленного сигнала при радиозондировании из окрестности максимума концентрации электронов ионосферы и возможность использования следа z-моды при расчете вертикальных профилей концентрации.

Научная новизна результатов исследования:

- впервые обоснована практическая целесообразность применения низкоорбитальных спутников в космическом сегменте системы мониторинга ионосферы, отличающаяся тем, что в сегмент вводятся низкоорбитальные КА, выполняющие с одной стороны функцию уточнения главных параметров ионосферы, полученных другими методами в рамках сегмента, а с другой стороны предназначенных для обнаружения резких горизонтальных градиентов концентрации электронов;

- на основе морфологического анализа и классификации результатов радиозондирования с ОК «Мир» установлены новые частотно-высотные характеристики ионосферы, которые определяются по ионограммам спутникового радиозондирования (действующая глубина задержанного нижнего следа на наибольшей частоте его существования, критическая частота z-моды и новое взаимное расположение частоты отсечки о-компоненты и наименьшей частоты отражения от Земли);

- впервые было найдено новое физическое явление, которое состоит в том, что радиозондирование с высот ниже максимума ионосферы в большинстве случае приводит к образованию ранее неизвестного тракта наклонного распространения радиоволн в широком диапазоне частот с возвращением на ИСЗ;

- впервые было показано, что это явление находит свое отражение на спутниковых ионограммах в виде ранее неизвестного следа характерной формы, отличающегося непрерывностью и большими монотонными возрастающими по частоте групповыми задержками. Новый след получил название «задержанный нижний след» (ЗНС), в англоязычной литературе - (RLT);

- впервые было показано, что причиной появления ЗНС является наличие горизонтальных градиентов электронной плотности различного характера вблизи максимума ионосферы;

- впервые построено пространственное распределение электронной плотности краев крупномасштабных неоднородностей, вызывающих появление траекторий радиосигнала, возвращающихся на спутник при наклонном распространении, получены оценки их скорости движения, а так же оценки градиентов роста электронной концентрации;

- разработаны алгоритмы и апробированы программные средства, предназначенные для определения горизонтального распределения электронной концентрации ионосферы Земли по данным радиозондирования с низколетящих спутников в случае наличия дополнительных следов на ионограммах, отличающиеся тем, что позволяют рассчитывать полный комплекс траекторий радиолучей, распространяющихся от передатчика ионозонда в неоднородной ионосфере и возвращающихся обратно в точку излучения;

- впервые были обнаружены z-следы, достигающие максимума ионосферы, даны теоретические оценки интервала высот, в которых след z-компоненты достигает высоты максимума, обоснована и доказана возможность использования z-моды для расчета N(h)-профилей, и проведены соответствующие расчеты, показавшие возможность использования z-следа наравне со следами о- и х-компонент.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость результатов исследования характеризуется:

- обоснованием нового метода спутникового зондирования, получившего в литературе название метода внутреннего спутникового радиозондирования;

- выдвинутыми автором аргументами, подтверждающими гипотезу о возникновении особого тракта распространения в ионосфере радиоволн многих частот, фокусируемых в точку излучения горизонтальными градиентами электронной плотности;

- раскрытием существенных проявлений теории z-волны, объясняющими возможность определения критической частоты ионосферы;

- выделением новой проблемы, подлежащей последующему исследованию, заключающейся в том, что радиозондирование с высоты максимума позволяет изучать неоднородности ионосферы новым способом.

Практическая значимость результатов исследования определяется:

- проделанным в работе анализом экспериментального материала, разработанными методами и проведенными численными исследованиями, которыми было показано, что радиозондирование с низких высот, обладает в большинстве случаев не меньшими возможностями, чем радиозондирование с высоты 1000 км. Тем самым было экспериментально подтверждено, что радиозондирование с целью определения основных параметров ионосферы можно проводить практически с любой высоты расположения КА, что имеет важное практическое значение для организации космического сегмента Ионосферной службы.

- исследованием, ранее неизвестного механизма возвращения радиолучей обратно на ИСЗ при наличии ионосферных неоднородностей и построением модели распространения соответствующего многочастотного сигнала. Разработанные модели возвращаемого на ИСЗ многочастотного сигнала нашли применение при изучении пространственной структуры градиентов электронной концентрации, которые во многих случаях являются определяющими при проектировании и использовании систем радиосвязи через ионосферу.

- разработкой методов определения пространственной структуры ионосферной неоднородности и построением соответствующих моделей. Эти модели могут быть использованы в расчетах параметров ионосферы, определяющих условия распространения радиоволн.

- разработкой метода использования z-следа в комплексе со следами о- и х-компонент для определения основных параметров ионосферы и N(h)-профилей в окрестности максимума электронной концентрации.

- разработкой метода использования ионосферной информации, объединяющего данные наземного и спутникового радиозондирования, для построения карт критической частоты ионосферы. Разработанный метод, соответствующие алгоритмы, а также сами карты, могут использоваться при оперативном мониторинге ионосферы.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности 25.00.29 -«Физика атмосферы и гидросферы»

Диссертационная работа является исследованием метода радиозондирования ионосферы из окрестности главного максимума концентрации электронов, направленным на развитие теории и практики мониторинга ионосферы с целью ее контроля и изучения. Область диссертационного исследования включает разработку теоретических основ и методик использования результатов радиозондирования для определения электронной пространственной структуры ионосферы, а также результаты применения этого метода, основанного на изучении распространения радиоволн, для изучения строения и физики ионосферы.

Указанная область исследования соответствует формуле специальности 25.00.29 - «Физика атмосферы и гидросферы (физико-математические науки)», а именно пункту 3 - «Строение и физика средней атмосферы (стратосфера, мезосфера), верхней атмосферы (термосфера, экзосфера) и ионосферы, включая влияние ионосферы на распространение радиоволн».

Апробация работы

Основные результаты докладывались и были представлены на ХХ-ХХII Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Нижний Новгород,2002 г., Йошкар-Ола,2005 г., Ростов-на-Дону,п. Лоо,2008 г.), на XXVII -XXVIIIGAURSI (Амстердам,2002 г., Дели,2005 г.), на международных научных конференциях «Излучение и рассеивание электромагнитых волн»,ИРЭМВ- (Таганрог,2007 г.,Дивноморское, 2009 г.), на LVI научной сессии, посвященной дню радио (Москва,2001 г.), международной конференции «Интеркосмос-30» (Москва, 2001 г.),на второй Всероссийской научной конференции, «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» (Санкт-Петербург, 2004 г.), на 4-ой международной конференции-выставки «Малые спутники. Новые технологии, миниатюризация, области эффективного применения в 21 веке» (г. Королев, Московской области. 2004 г.), на 10thInternationalConferenceonIonosphericRadioSystemsandTechniques (Лондон, 2006 г.), на NordicHF-10 conference (о. Форе, Швеция, 2010г), на 2 международной специализированной выставке «Граница 2000» (Москва 2000г.), на второй международной научно-практической конференции «Мировое сообщество в борьбе с терроризмом»(Москва 2001 г.).

Реализация результатов работы

Результаты работ использовались в научной деятельности Института прикладной геофизики:

2003-2004 г.тема «Разработка научно-технического, методологического и технологического обеспечения ионосферных наблюдений с космических аппаратов, в том числе с обитаемых космических станций». Рег.№ 01.2.00 310232.

2006г. тема «Развитие методов и технологий космических и гелиогеофизических наблюдений» этап «Разработка научно-технической и методической документации на изготовление и установку бортовой ионосферной станции на современные малые ИСЗ и обитаемые космические станции».

2008-2010 г. тема «Усовершенствование модели ионосферного радиоканала, формируемого областью F ионосферы. Исследование трендов различных параметров верхней атмосферы и ионосферы и их согласованности в рамках современной теории образования ионосферы. Развитие методов мониторинга ионосферы с использованием наземно-космических средств. Проведение исследований по программе «Ионосфера». Рег. № 01.2.00 9 51230.

Результаты исследования используются в практической деятельности РКК «Энергия» им. С.П. Королева при обосновании новых космических экспериментов, включенных в долгосрочную программу Роскосмоса.

Результаты исследования используются в научной деятельности ЦНИИ Машиностроения.

Изложенное подтверждается Актами внедрения результатов исследования.

Публикациии личный вклад автора

Всего по теме диссертации опубликовано 44 научных работы, из них 15 статей в журналах, 28 -статей в материалах конференций либо тезисов к докладам на конференциях, одна статья для 5-ого тома «Энциклопедии холодной плазмы».

Основные результаты опубликованы в 9 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов докторских диссертаций: «Геомагнетизм и аэрономия» -4 статьи, «Известия вузов. Радиофизика» -4 статьи, «Электросвязь» - 1 статья.

Все основные теоретические результаты, представленные в диссертации, получены лично автором. Обработка первичной информации была проведена лично автором, либо совместно с аспирантами М.Р. Азизбаевым и Р.В. Скоморохом. В работах с их участием автору принадлежит также постановка задачи и, в большинстве случаев, выбор метода решения. В частности, под совместным руководством Н.П. Данилкинас автором выполнена кандидатская диссертация М.Р. Азизбаева «Коррекция модели ионосферы по данным спутникового радиозондирования со сверхнизких орбит».Во всех публикациях автор участвовал в постановке задачи, получении, обсуждении и интерпретации результатов. В статьях, написанных совместно с Н.П. Данилкиным, лично автору принадлежат обработка первичной информации и выполненные расчеты, а также равноценное участие в постановке задачи и формулировании основных выводов. В статьях, написанных с М. М. Анишиным, автор использовал программу расчета траекторий, созданную в ЮФУ при активном участииМ. М. Анишина. В статьях, написанных совместно с Ю.К. Калининым, автору принадлежит только часть, касающаяся эксперимента с ОК «Мир».

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она содержит 285 страниц основного текста, 143 иллюстрации, 46 таблиц, список цитируемой литературы из 202 наименований.

Основные элементы структуры диссертации приведены в выдержке из оглавления диссертации, включающей названия глав и параграфов:

• 1 Морфологический анализ ионограмм с ОК «Мир».
• 1.1 Математическое моделирование эксперимента по радиозондированию с ОК «Мир» ионосферы с неоднородностью большого масштаба.
• 1.2 Полный перечень всех сеансов на ОК «Мир».
• 1.3 Морфологическое исследование ионограмм и принципы интерпретации.
• 1.4 Аппаратурная регистрация положения ионозонда относительно максимума ионосферы. Последовательность ионограмм, пересекающих максимум.
• 1.5 Сравнение результатов зондирования с ОК «Мир» с другими исследованиями.
• 1.6 Особенности ЗНС ионограмм из различных районов земного шара.
• 1.7 Сравнительная характеристика узловых деталей ионограмм при зондировании со спутников на различных высотах.
• 2 Траекторный синтез ионограмм.
• 2.1 Начало исследования сложных ионограмм.
• 2.2 Метод расчета траекторий, основанный на правиле Снелиуса.
• 2.3 Методикавосстановления N(h)-профиля по следу отражения от Земли, на основе профиля, рассчитанного ионосферной моделью IRI.
• 2.4 Траекторный синтез ионограмм на основе метода с использованием правила Снелиусав рамках слоистой модели ионосферы.
• 2.5 Математическая модель неоднородной концентрации электронов в ионосфере, основанная навведении функции распределения концентрации электронов в ионосферы.
• 2.6 Траекторный синтез ионограмм на основе метода с использование правила Снелиусав рамках модели ионосферы, заданной функцией распределения концентраци.
• 2.7 Метод расчета возвратных траекторий на основеметода характеристик для уравнения эйконала с описанием движения луча и волнового вектора.
• 2.8 Траекторный синтез на основеметода характеристик для уравнения эйконала с описанием движения луча и волнового вектора.
• 2.9 Сравнение результатоврасчета траектории методом характеристик и методом, основанным на выполнении правила Снелиуса.
• 3 Поведениеz-компоненты магниторасщепленного сигнала при радиозондировании со спутника из окрестности высоты максимума электронной концентрации ионосферы.
• 3.1 Математическое обоснование существования z - компоненты.
• 3.2 Ранние сведения о наблюдении z - компоненты.
• 3.3 Поведение z-компоненты в простом слое Чепмена.
• 3.4 Поведение z-компоненты в условиях реальной ионосферы.
• 3.5 Расчет профиля электронной концентрации по следам отражения о- и z-компоненты от ионосфер.
• 3.6 Некоторые замечания о погрешности расчетов f(h)-профиля.
• 3.7 Восстановление f(h)-профиля в условиях неполной информации.
• 4 Мониторинг ионосферы на основе наземных и спутниковых ионозондов.
• 4.1 Некоторые задачи мониторинга ионосферы.
• 4.2 Адаптация ионосферной модели на основе метода кригинга для решения практических задач. Расчет карты критических частот.
• 4.3 Экстраполяция данных измерений наземных ионосферных станций с использованием модели IRI.
• 4.4 Региональная экстраполяция данных радиозондирования ионосферы с ОК «Мир» совместно с данными наземных ионосферных станцийс использованием модели IRI.
• 5 Геофизические результаты.
• 5.1 Проблема «перекрытия». Сравнение результатов расчета параметров ионосферы по результатамзондирования с ОК «Мир» с результатами других исследований.
• 5.2 Анализ формы f(h)-профиля в окрестности максимума электронной концентрации.
• 5.3 Анализ следов невертикального распространения при отражении и рефракции только от плотных слоев ионосферы.
• 5.4 Анализ серии последовательных ионограмм одного витка.Конфигурация неоднородности в горизонтальной, вертикальной плоскости и пространстве.
• 5.5 Последовательности ионограмм с двух смежных витков. Скорость движения макронеоднородности.
• 5.6 Корреляция с сейсмогенными неоднородностями.
• 5.7 Зоны резкого роста высоты максимума электронной концентрации и зоны резкого изменения плазменных частот в горизонтальном разрезе в планетарной ионосфере.
• 5.8 Регистрация ионозондом наОК «Мир» градиентов электронной плотности, связанных с планетарным распределением концентрации электроновв ионосфере.
• ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
• 1. Установлена эффективность метода радиозондирования с высот порядка 350км в определении основных параметров ионосферы.
• Для решения вопроса об эффективности нового метода радиозондирования был проведен морфологический анализ и классификация обширного экспериментального материала радиозондирования ионосферы ОК «Мир». Эти результаты получены в общей сложности за 40 часов 17 минут работы ионозонда. Основными районами проведения эксперимента стали районы европейской части и Дальнего Востока, но проводились отдельные сеансы над Южной Америкой, Южной Африкой, в районе Австралии, в районе экватора над Тихим и Индийским океанами. Был проведен один почти непрерывный суточный сеанс радиозондирования, а так же несколько дней проводились сеансы на полных последовательных витках орбиты ОК «Мир». Таким способом было зарегистрировано 9217 ионограмм. Ионограммы, полученные с ОК «Мир», были двух видов - аналоговые, которые на частоте 137 МГц передавались на наземные станции, а так же цифровые, полученные в режиме записи, которые представляют собой зависимость групповой задержки сигналов от частоты зондирования при некоторой средней амплитуде. Основные результаты и выводы были сделаны на основе цифровых ионограмм.
• Особенностью этих экспериментов, отличающей их от всех ранее проводимых, являлось то, что орбита станции находилась на высотах в интервале от 330 до 380 км. При движении по орбите аппарат находился либо выше, либо ниже высоты максимума концентрации электронов слоя F2 -, так как эта высота неодинакова в различных географических зонах. До этого все спутниковые эксперименты по радиозондированию ионосферы проводились с высот порядка 1000 км, т.е. всегда существенно выше максимума.
• В те моменты, когда ОК «Мир» находился выше основного максимума ионосферы, записанные ионограммы качественно не отличались от, полученных на других спутниках ранее.
• На ионограммах с высот ниже следы отражений выглядели иначе (рис.1).
• Во-первых, это следы вертикального отражения от ионосферы при распространении вверх. Их оставляют радиоволны, которые распространяются от ИСЗ вверх видами «z», «o» и «x» и, отражаясь от внутренней ионосферы, возвращаются на спутник. Данное распространение происходит в частотном диапазоне между частотами отсечки всех трех компонент магниторасщепленного сигнала и соответствующими критическими частотами ионосферы. Следы обыкновенной и необыкновенной компонент магниторасщепленной волны являются одинаково законченными, несут информацию об ионосфере на интервале от высоты ИСЗ до высоты . Поведение следа «z»-волны отличается от случая зондирования с высот порядка 1000 км. При внутреннем радиозондировании в большинстве случаев «z»- компонента так же, как и «х»- и «о»-компоненты достигает максимума ионосферы и от него отражается, т. е. достигает своей критической частоты . Такое поведение «z»-волны до эксперимента на ОК «Мир» ранее не наблюдалось. В некоторых случаях «z»-компонента обрывалась, видимо, вследствие сильного поглощения радиоволн.
• Рис. 1. Спутниковые ионограммы с высоты ниже с обозначенными следами отражения
• Во-вторых, одновременно на частотах от плазменной частоты ионосферына высоте ИСЗ до максимальной частоты рабочего диапазона происходит распространение радиоволн вниз к Земле, отражение от нее и возвращение обратно на спутник. Эти радиоволны на ионограмме дают след отражения от Земли для «o»- и «x»-компонент.
• В-третьих, на ионограммах появляется задержанный нижний след, который, как было объяснено в результате математического моделирования, является результатом наклонного распространения радиолуча, отражением его от Земли и последующим отражением (либо преломлением) от горизонтальных неоднородностей ионосферы.
• Эти отличия ионограмм с низких высот и позволяют достоверно определять относительное положение ионозонда к положению максимума ионосферы, а также с меньшей погрешностью определять высоту этого максимума, что является достоинством метода зондирования с низких орбит.

В эксперименте были получены ионограммы при положении ИСЗ в максимуме ионосферы. В таком случае от ионосферы могут отражаться только радиоволны частоты , и след отражения от ионосферы становится вертикальным.

Результаты, полученные при радиозондировании с ОК «Мир» были, прежде всего, подвергнуты анализу на возможность существования метода внутреннего радиозондирования, с точки зрения того, будут ли основные параметры ионосферы, такие как критическая частота и высота максимума электронной концентрации определяться корректно при проведении эксперимента со столь низких высот.

Рис.2. Последовательность ионограмм ОК «Мир» в момент пересечения высоты максимума электронной концентрации

Было проведено сопоставление с другими методами исследования ионосферы, проведенными в этот же период. Проводилось сравнение с данными станций наземного вертикального зондирования. Сравнение критических частот, в те моменты, когда ОК «Мир» пролетал близко над станцией наземного вертикального зондирования (Чилтон, Великобритания), показало их совпадение.

Проводилось сравнение с данными станции Chung-Li (Тайвань). Расчеты N(h)-профилей по серии последовательных ионограмм (рис. 2) в этом районе позволили проследить изменения параметров ионосферы. В этот период комплекс пересекал высоту максимума электронной концентрации. Рис.3, на котором представлены рассчитанныеN(h)-профили (сдвиги горизонтальных осей частот пропорциональны времени между ионограммами), иллюстрирует картину изменения высоты вдоль орбиты спутника. На зависимости 2 нанесен профиль (*), рассчитанный в параллельных исследованиях по ионограмме наземного зондирования и по аналоговой ионограмме ОК «Мир». Таким образом, сравнение данных ОК «Мир» с результатами вертикального радиозондирования с Земли показало совпадение в определении критической частоты слоя F2и расчете высоты максимума электронной концентрации.

Рис.3. Зависимости электронной концентрации от высоты, восстановленные по последовательным ионограммам

Для сравнения результатов рассматривались ионосферные разрезы, полученные по данным GPS-сигналов в цепочке трех ионосферных станций Италии при наблюдении ИСЗ системы NNSS.

Было найдено 6 периодов времени, когда измерения на обоих спутниках производились в районе Италии приблизительно одновременно. Временные и пространственные положения обоих ИСЗ были различны, но во всех случаях были зафиксированы совпадения полученных результатов в определения плазменной частоты на высоте спутника с учетом точности определения геофизических параметров.

Проведенные расчеты высоты максимума электронной концентрации по этим ионограммам так же совпали при сравнении с результатами томографического исследования ионосферы

Тем самым была показана возможность определения основных параметров ионосферы, а, следовательно, и возможность существования метода внутреннего радиозондирования.

Проведенные сравнения с известными автору параллельными исследованиями, стали основанием не только для вывода о том, что по следам отражения от ионосферы и от Землиможно определить расположение спутника относительно высоты , но и, при наличии на ионограмме следа отражения от Земли, показали возможность их использования для определения формы f(h)-профиля в окрестности максимума на всем частотном интервале существования следа до частоты (- 0,1) МГц в отличие от предлагаемого ранее в «Руководстве по обработке ионограмм» использования модельного распределения в интервале (0,9;).

Существенное внимание в работе было уделено проблеме экстраполяции результатов радиозондирования в окрестности орбиты ИСЗ и тем самым рассмотрению возможности включения низколетящего ИСЗ с ионозондом на борту в систему контроля над ионосферой.

Для решения этой задачи в работе использовался метод кригинга. Данный метод применяется для интерполяции экспериментальных значений какого-либо параметра, в частности, критической частоты в расчетную точку с заданными координатами. Суть метода состоит во взвешенном усреднении всех экспериментальных значений исследуемого параметра и определении величины этого параметра в любой точке некоторой окрестности, включающей район получения экспериментальной информации, при этом в качестве весового параметра выступает расстояние от эмпирической точки до расчетной. Фоновым значением исследуемого параметра бралось модельное значение, полученное по модели IRI.

Результат экстраполяции представляет собой вычисляемую критическую частоту Z₀ в расчетной точке:

,

гдеf_oF2_IRI- значение, вычисленное по модели IRI в расчетной точке, а коэффициенты _i являются решениями системы линейных уравнений:

.

В данной системе уравнений V_j0 - представляет собой расстояние от j-й точки до точки, в которой производится коррекция, а V_ij - расстояние между i-й и j-й точками, для расчета которого используется (1).

,(1)

где SF - широтный фактор, который имеет значения 2.0 для средних, 0.8 для низких и 2.1 для высоких широт.

Дополнительный множитель Koef_i0 определяется:

,



где и - расстояние по широте и долготе, соответственно, между i-й экспериментальной точкой и точкой, в которой производится коррекция. Данный множитель вводится для усилении влияния точек, наиболее близко расположенных к области экстраполяции ослаблении вклада отдаленных от данной области. Расстояния и- интервалы коррекции - представляют собой характерные расстояния по широте и долготе, на которых критическая частота меняется в e раз. В условиях спокойной ионосферы они составляют= 500 и = 1000 км соответственно. В условиях ионосферы с ярко выраженными градиентами электронной концентрации встает вопрос о правильном выборе этих интервалов коррекции. Для выработки численных критериев ответа можно использовать следующие соображения. На экспериментальной серии выделяется тот участок, где наблюдалось отклонение от регулярных условий. Затем оценивается, какую величину составило максимальное изменение рассматриваемого параметра - критической частоты . Исходя из предположения о том, что в условиях спокойной ионосферы данное изменение на характерных расстояниях составляет , получаем корректирующий множитель. На следующем этапе рассматриваются протяженности данного участка. Данные расстояния рассчитываются: и .

Практической реализацией данного метода являются получаемые региональные карты критической частоты. Такие карты критических частот можно строить по различной экспериментальной информации. В данной работе особый интерес вызвало использование разной геофизической информации как результатов радиозондирования с наземных ионосферных станций, так и спутниковое радиозондирование в этом же районе. Совместное использование данных наземного и спутникового радиозондирования ионосферы является более эффективным, по сравнению с использованием каждого из методов по отдельности, с точки зрения экстраполяции экспериментальных данных на основе ионосферных моделей. В частности, на контурных картах плазменной частоты в максимуме области F2 появляются новые детали, обнаружить которые, пользуясь только результатами наземного радиозондирования, было бы невозможно, пренебрежение которыми может существенно ухудшить условия радиосвязи, прогнозируемые по этим картам.

Для рассмотрения метода коррекции модельных карт по данным наземного и спутникового радиозондирования были выбраны некоторые серии ионограмм, полученные 31 марта. Для численных расчетов был отобран участок траектории в Южном полушарии в районе Австралии, поскольку в этой области находилось наибольшее число наземных ионосферных станций, рядом с которыми пролетала ОК «Мир».

На основании входных данных карта критических частот строилась в трех видах: скорректированная по наземным станциям, по ионограммам с ОК «Мир» и по совместным данным наземного и спутникового зондирования. Результаты представлены на рис. 4.

В среднем относительное отклонение эксперимента от модели составило 15%, варьируясь в пределах от 3.5% до 40.6%. Наибольшее расхождение между моделью и экспериментом наблюдается на двух станциях - Vanimo и Darwin.

Изменения на карте 2, скорректированной по наземным станция ммодели IRI, коснулись, в основном, формы линий одинаковой критической частоты. Результаты коррекции по данным спутникового зондирования приведены на карте 3 рис. 4, где также отмечены места расположения ОК «Мир» во время съемок ионограмм. Относительное отличие модельных критических частот от реальных в среднем составило 10%, варьируясь в пределах от 1.9% до 29.1%. Построенная методом кригинга карта 3 показывает, что на участке траектории наблюдается некоторое «возмущение» критической частоты в области 5° S 135° E. легко заметить образование замкнутой структуры с центром в указанной точке. Стоит отметить также и тот факт, что, несмотря на ориентированность начальных данных вдоль траектории спутника, новая структура на скорректированной карте выглядит ориентированной перпендикулярно направлению движения ОК «Мир», а не вдоль неё, как этого можно было бы ожидать. Иначе говоря, даже при использовании данных, расположенных практически вдоль прямой линии, результат экстраполяции оперативных данных представляет собой не одномерную структуру. Результат построения карты, скорректированной совместными данными от наземных станций и ОК «Мир», приведен на рис. 4 (карта 4). Общая картина говорит о наличии в области 10° S 132° E ионосферной неоднородности замкнутого типа. Данная неоднородность имеет положительный знак, поскольку значение критической частоты внутри нее превышает уровень, соответствующий частоте модели IRI.

Рис. 4. Карты критический частоты (1 - карта, построенная по данным модели IRI, 2 - карта, скорректированная по данным наземных станций, 3 - карта, скорректированная по данным с ОК «Мир», 4 - карта, скорректированная по совместным данным).

Сравнение результатов экстраполяции плазменных частот предлагаемым методом с экспериментальными данными показало, что в конкретном примере величина относительного отклонения критической частоты модели от реальности изменилась в среднем от величины 11.2% до проведения коррекции до величины 6.7% после проведения коррекции. При этом коэффициент корреляции между экспериментальными данными и модельными значениями изменился от 0.53 (до проведения коррекции) до 0.79 (после коррекции и по спутниковым и по наземным данным), что соответствует изменению тесноты связи с «заметной» до «высокой» по шкале Чеддока.

Из проблем рассматриваемого нового метода радиозондирования с пилотируемого комплекса надо выделить появление ионограмм с наклонным отражением от ионосферы. На подобных ионограммах во многом отсутствовал след отражения от Земли, что не давало возможности произвести вычисление N(h)-профилей. Причиной этого является неоптимальное расположение антенн ОК МИР относительно Земли во время получения этих ионограмм и в подобного рода экспериментах со стабилизированном положением антенн ионозонда данная проблема должна отсутствовать.

Итак, проведенные исследования устанавливают эффективность метода радиозондирования с высот порядка 350км в определении основных параметров ионосферы.

2. Предложено объяснение новых ионограмм с дополнительными следами с высот ниже главного максимума ионосферы

Новым результатом, полученным в эксперименте на ОК «Мир» стала регистрация ионограмм с дополнительным следом с большими действующими дальностями (задержанным нижним следом). В работе предлагается объяснение причин появления этого следа и численные расчеты, подтверждающие это объяснение.

Морфологической особенностью ЗНС является его монотонная непрерывность вдоль оси частот. При этом в большинстве случаев наблюдается практически линейная зависимость действующей дальности от частоты. Отсутствуют какие-либо перегибы на кривых ЗНС. Второй особенностью ионограмм с ЗНС является длительность их непрерывного существования на последовательности ионограмм. При этом конкретные параметры ионосферы, определяемые по этим ионограммам, могут изменяться весьма значительно.

Для автора является несомненной гипотеза о том, что причиной возникновения ЗНС служит отражение или преломление зондирующих лучей в сферически неоднородной ионосфере. Указанные выше особенности, являются определяющими для факта, что эта неоднородность есть достаточно большое, несколько сотен километров, единое образование (возможно замкнутой формы) с постоянно увеличивающейся электронной концентрацией, которую можно смоделировать как множество вложенных друг в друга слоев

Для численного подтверждения этого факта рассматривались две математических модели неоднородного распределения плотности электронов в изотропной ионосфере, в которой траектория является плоской кривой.

Первая модель - вспомогательная - основывалась на том, что пространство, где показатель преломления отличен от единицы, делится на слои так, что все параметры плазмы внутри слоя считаются одинаковыми, а между собой отличаются так мало, что отраженной волной на границе раздела можно пренебречь. Уравнение каждого слоя задается аналитически в виде зависимости y(x). В качестве функций y(x) выбирались различного вида соотношения, моделирующие горизонтальные градиенты электронной плотности, в частности, внутренние слои - вложенные друг в друга эллипсы, и наружные слои - кривые Гаусса. Каждой точке пространства (x₀, y₀) можно сопоставить координаты единичного вектора нормали к нижней границе слоя, в котором находится эта точка, а также коэффициент преломления.

Вторая модель - основная - заключалась в задании функции распределения плотности концентрации электроновN(x, z) в виде

,(2)

где N₀(z) - распределение концентрации в зависимости от высоты при отсутствии возмущения (N(h)- профиль);

a, b,L_x, L_y, - параметры, влияющие на размер, интенсивность иположение неоднородности.

Были выбраны два метода расчета траекторий луча в ионосфере. Первый метод является пошаговым методом построения траектории и основан на выполнении закона Снелиуса на каждом шаге.Путем перебора углов вылета радиолуча выбираются те из наклонных траекторий, которые путем отражения от Земли и последующей рефракции и отражения в ионосфере возвращаются обратно.

Моделирование траектории радиоволны происходит следующим образом:

- задается первоначальное направление движения от передатчика (для последующих шагов рассчитывается) по направлению вектора;

- задается шаг расстояния , пройденного лучом в одном направлении;

определяются координаты радиус-вектора новой точки траектории по формуле

,

где - координаты предыдущей точки траектории (или для первого шага координаты передатчика);

определяется номер слоя, в котором находится получившаяся точка, и соответствующие коэффициент преломления и вектор нормали к поверхности ;

в соответствии с законом преломления вычисляются координаты новой волновой нормали .

Алгоритм расчета траектории радиоволны от ИСЗ в ионосфере любой структуры реализован для обеих математических моделей и использовался для оценочных расчетов.

а)б)

Рис. 5 а) возвратные на спутник траектории в неоднородной ионосфере, б) вверху - ионограмма с ОК «Мир», полученная от 5 мая 1999 г., внизу - синтезированная по результатам расчета действующих дальностей ионограмма.

Вторым методом расчета траектории радиоволны стал метод непосредственного численного решения уравнения эйконала. Уравнение эйконала, как уравнение в частных производных первого порядка, приводят к системе обыкновенных дифференциальных уравнений, называемой системой характеристических уравнений. Полученная система решается численно. Этот метод расчета применялся для расчета траектории в рамках математической модели с заданной функцией распределения концентрации электронов. Сравнение результатов расчета возвратных траекторий двумя методами при одинаковых начальных условиях дает удовлетворительное совпадение с отличием рассчитанных действующих дальностей в среднем не более чем на 5%. Использование второго метода предпочтительней, так как позволяет решить все проблемы, связанные с зависимостью результатов от длины шага. Пример расчета траекторий в неоднородной ионосфере приведен на рис. 5а. На рис. 5б представлены реальная и синтезированная ионограммы. На синтезированной ионограмме верхних след соответствует действующим расстояниям вертикальных возвратных траекторий до Земли, а нижний след -наклонным возвратным траекториям. Знаком Ч обозначены действующие дальности тех траекторий, которые изображены на рис. 5а.

...