3. Выявлена возможность использования метода радиозондирования с высот порядка 350км как дополнительного средства контроля состояния ионосферы Земли в период возникновения гелиофизических и сейсмических явлений

В работе проведен морфологический анализ ионограмм с ЗНС из различных районов земного шара. Данные ионограммы всегда регистрировались в виде серий кадров, причем на последовательности можно наблюдать процесс формирования и разрушения следа - на нескольких первых ионограммах он короткий, затем четко выраженный, с протяженностью по частоте до конца диапазона зондирования, в конце серии след становиться диффузным, не четко выраженным, но по-прежнему длинным. Во многих случаях интервал действующих высот, регистрируемый на ионограммах, был недостаточен для отражения ЗНС. Серии ионограмм с ЗНС были зафиксированы в разных регионах. Широтный диапазон изменялся от48 до+34 и в разное местное время от 11,5 до 23,5 часов. Всего было получено 178 ионограмм в 17 сериях, на которых можно отчетливо выделить задержанный нижний след.

Параллельно с описанием каждой серии ионограмм рассматривался прогноз модели IRI-2001 критической частоты слоя F2, плазменной частоты на высоте спутника и высоты максимума электронной концентрации. Морфологическое сравнение результатов радиозондирования с прогнозом состояния ионосферы, полученным по модели IRI-2001, показывает, что в ряде случаев результаты прогноза существенно отличаются от данных эксперимента. Прогноз предполагает стационарное состояние ионосферы с малыми горизонтальными градиентами концентрации, эксперимент в свою очередь фиксирует не только ЗНС, свидетельствующий об их наличии, но и показывает существенные изменения плазменных частот на высоте спутника и критических частот. Однако в большинстве случаев места регистрации серий ионограмм с ЗНС соответствовали тем районам, где модель предсказывала существование зон с увеличенной высотой максимума ионосферы и, следовательно, наличие заметных горизонтальных градиентов электронной плотности. Таким образом, причиной возникновения ЗНС также могут являться регулярные крупномасштабные ионосферные структуры, свойственные этим районам в это время.В случае пересечения ионозондом зоны увеличения высоты максимума слоя F2 на ионограммах возникают невертикальные траектории зондирующих сигналов, возвращающиеся на спутник после отражения от Земли и преломления в ионосфере. В частности в районе экватора так регистрировались участки экваториальной аномалии.

Таким образом было установлено, что ионограммы с ЗНС не являются единичным результатом и в том или ином виде регистрируются всегда при прохождении спутника в районах резкого изменения высоты ионосферы и в районах резких горизонтальных градиентов ионосферной плотности, как известно из литературы, эти изменения сопровождают гелиофизические и сейсмические явления.

Форма и параметры ЗНС на одной серии ионограмм не позволяют определить характер неоднородности в ионосфере, которая их вызывает. То есть невозможно отличить являются ли данные неоднородности регулярными для данной области земной ионосферы либо они имеют другой характер, в том числе являются сейсмогенными макронеоднородностями. Для этого необходимы дополнительные параллельные исследования другого типа либо сравнения и анализ ионосферных моделей.

Так в частности были сопоставлены параллельные наблюдения состояния ионосферы по анализу относительной вариации критической частоты от времени, регистрируемых цепочкой наземных АИС. Эти исследования показали наличие перемещающейся одиночной макронеоднородности в районе близком к месту регистрации ионозондом ОК «Мир» серии ионограмм с ЗНС.

Cравнение показало возможность использования метода внутреннего радиозондирования для регистрации новообразований электронной плотности в ионосфере различного, в том числе с сейсмогенного характера.

4. Разработана методика выделения крупномасштабных нерегулярных элементов локальной структуры ионосферы ниже высоты максимума концентрации электронов.

Изложенные выше математические модели неоднородного распределения плотности электронов в ионосфере, а также методы расчета траекторий радиолуча легли в основу методики, алгоритмов и программ восстановления локальной структуры ионосферы ниже высоты максимума концентрации электронов.

Основные этапы данной методики:

1. Выделение из экспериментального материала серии ионограмм с ЗНС.

2. Подготовка экспериментальных данных к расчётам. С использованием модели IRI-2001и ее корректировки по высоте и плазменной частоте на высоте спутника вычисляется первоначальный N(h)-профиль. Проверка адекватности рассчитанной зависимости производиться путём расчёта вертикальных траекторий в невозбуждённой ионосфере без неоднородности, вычисления действующих дальностей следа отражения от Земли и сравнения их с экспериментальными результатами.

3. Введение неоднородности, учитывая ее влияния на вертикальный профиль под спутником, и вторичная корректировка вертикального N(h)-профиля.

4. Последовательный подбор параметров неоднородности (2) и расчеты многочастотного распространения радиоволн с целью получения комплекса траекторий с действующими расстояниями, соответствующими экспериментальным значениям дальностей ЗНС. В диссертации приводятся рекомендации по оптимизации времени подбора параметров.

На основании методик, описанных работе, проведены расчеты многочастотного распространения радиоволн в рамках математических моделей неоднородного распределения электронной плотности в ионосфере, подтверждающие, что наличие горизонтальных неоднородностей в районе вызывает на ионограммах дополнительные следы с большими групповыми задержками.

На рис. 5, 6, 7 приведены результаты применения этой методики.

5. Проведено исследование элементов глобальной структуры ионосферы ниже высоты максимума ее концентрации в областях экваториальной аномалии

Внутреннее радиозондирование фиксирует регулярные пространственные структуры ионосферы, такие как всплески и падения высоты максимума электронной плотности характерные отдельным географическим регионам Земли.

В эти моменты бортовая АИС реагирует на вхождение ИСЗ в область с высотой максимума концентрации большей высоты спутника формированием на последовательности ионограмм ЗНС, выход из района резкого горизонтального изменения электронной плотности сопровождается разрушением и исчезновением ЗНС на ионограммах. Чем контрастнее горизонтальные неоднородности электронной плотности, тем меньшую действующую дальность имеет ЗНС.

Таким образом ионозонд реагировал на структуру ионосферы в районе экваториальной аномалии в полдень по местному времени на 9 последовательных витках 31 марта 1999 г. На рис. 6 приведено моделирование возвратных траекторий, действующие дальности которыхсоответствуют зафиксированным в эксперименте, для двух ионограмм, полученных над различными районами экватора.

Рис. 6.Расчеты возвратных траекторий на спутник а) для ионограммы № 807 третьего витка; б) ионограммы № 940 четвертого витка.

Подтверждением такого объяснения наличия ЗНС на ионограммах является регистрация схожих последовательностей ионограмм в одном и том же районе в одно и то же местноевремя двое и более суток. Так были зафиксированы схожие последовательности ионограмм с ЗНС 10 и 11 марта в Южной Америке.

В подавляющем большинстве случаев горизонтальные градиенты электронной плотности, вызывающие ЗНС на ионограммах, полученных ОК «Мир» превосходили возможные изменения, предусмотренные ионосферной моделью IRI. Несмотря на это, проведенные расчеты показали, что даже в рамках усредненной ионосферы на модельных ионограммах с высоты ниже максимума электронной концентрации появляются ЗНС. Отличие от реальных ионограмм состоит в том, что действующие дальности ЗНС, зафиксированные в эксперименте на ОК «Мир», превосходят в 1,5 - 2 раза действующие дальности ЗНС, вычисленные на основе модели IRI.

6. Проведено исследование элементов локальной структуры ионосферы в местах регистрации ионозондом нерегулярных неоднородностей больших масштабов.

В районе юго-западнее о. Мадагаскар 5 мая 1999 года был зафиксированы две серии ионограмм с ЗНС. В первой последовательности зарегистрировано 18 ионограмм с периодом 8 с, во второй сериичерез 1ч 20 мин. - 24 ионограммы с периодом 8 с. Состояние ионосферы в этом месте в этот момент резко отличалось от предполагаемого моделью IRI-2001. Причем различия были не только в величинах плазменных частот (для одной ионограммы из серии плазменная частота на высоте спутника, полученная в эксперименте на ОК «Мир» составила 7,1 МГц, а модельная в этой же точке = 4,1 МГц), но и в резко увеличенной высоте максимума концентрации ионосферы, так модель прогнозирует = 280км, а ионограммы показывают, что спутник, летящий на высоте более 350 км, находится ниже .

Таким образом, метод внутреннего радиозондирования с высот ниже зарегистрировал крупномасштабную нерегулярную структуру электронной плотности ниже высоты .

Методом траекторного синтеза для каждой ионограммы в рамках модели распределения электронной плотности была восстановлена структура линий электронной изоконцентрации в области, через которую проходят возвратные траектории радиосигналов, один из разрезов приведен на рис. 7. Математическая модель подтверждается экспериментом только в области, отмеченной на рис. 7 черным прямоугольником. В остальной части математическая модель распределения концентрации в ионосфере является только математическим продуктом, и замкнутость (рис.8 слева) либо открытость (рис. 7 справа)линий одинаковой концентрации не является доказанной.

Наличие серий ионограмм с малым временным интервалом (8 секунд) между соседними кадрами позволяет оценить размеры неоднородности вдоль орбиты ИСЗ и восстановить предположительную конфигурацию линий одинаковой электронной плотности в рамках используемых математических моделей. Повторение однотипных серий ионограмм в близких районах на двух соседних витках позволяет выдвинуть гипотезу о том, что это есть одна и та же крупномасштабная перемещающаяся неоднородность. Скорость движения образования в этих предположениях составляла 1200 км/ч. Средний горизонтальный градиент нарастания электронной концентрации в слоях неоднородности составляет на высоте 360 км 18 Гц/м первые 150 км и 19 Гц/м первые 200 км, что соответствует~ 4300 - 4800 электронов/см^-3 на километр.

Рис. 7. Возвратные на спутник траектории сигналов разных частот в ионосфере с различной структурой линий изоконцентрации

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.

При проведении эксперимента по радиозондированию со спутника на ионограммах появляются следы трех компонент магниторасщепленного сигнала. Причем о- и х- компоненты, начинаясь,соответственно, на частотах и, достигают высоты максимума электронной концентрации, z-компонента в случае зондирования с высоты существенно большей высоты , начинаясь на частоте , прекращает свое существование значительно выше высоты максимума на максимальной частоте своего распространения, обозначаемой . В случае зондирования с высот из окрестности максимума ионосферы, как показали ионограммы сОК «Мир», z-компонента достигает на своей критической частоте(рис.8).

Было проведено теоретическое исследование возможности такого поведения z-компоненты в рамках ионосферных моделей. В частности в рамках модели простого слоя Чепмена был проведен численный эксперимент по радиозондированию в предположении простого слоя при нахождении ионозонда на различных высотах. Результатом этого эксперимента стали смоделированные зависимости действующих дальностей от частоты(ионограммы) дляz-компоненты.

Рис.8.Ионограммы с ОК «Мир» из окрестности максимума электронной концентрации со следами отражения от ионосферы z-компоненты

Суть численного эксперимента состояла в следующем. Ионосферу делили на n слоев, для каждой зондирующей частоты в каждой точке вычисляли значения параметров, и до тех пор, пока Х(X_z;1+Y).

Здесь- плазменная частота, - частота зондирования,- гирочастота,, - угол между направлениями нормали к фронту волны и вектором магнитного поля Земли Н.

Существование z-компоненты при вертикальном распространении возможно, если Х>X_z. Как только на некоторой высоте выполнялось условие отражения z-компоненты:

Х = 1 + Y,

фиксировалось значение истинной глубины, и по ней вычислялась действующая дальность для частоты зондирования как сумма групповых задержек на каждом слое. Данный метод хотя и является простейшим методом интегрирования при определении действующего расстояния, но отражает суть численного эксперимента и имеет ясное физическое и математическое толкование.

Смоделированные ионограммы показали, что при распространении z-сигнала с высот выше максимума слоя F2 не более чем на 80% от приведенной высоты атмосферы луч достигает своего критического значения , то есть z-волна достигает высоты максимума концентрации электронов. Аналогично, при зондировании с высот ниже максимума электронной концентрации не более чемна 60 % от приведенной высоты атмосферы луч также достигает своего критического значения. При этом с уменьшением высоты зондирования наибольшая частота распространения стремится к .

При использовании модели IRI высотный интервал, в котором z-компонента достигает высоты или его ближайшей окрестности составляет от 200 до 400 км. В частности, для распределения электронной концентрации с = 10.67 МГц, и высотой главного максимума ионосферы =300 км интервал высот, при зондировании с которых z-компонента достигает критического значения, составил 260 - 360 км.

В том случае, когда следы z-компоненты достигают высоты максимума, они являются столь же информативными, как и следы о- и х-компонент и также позволяют вычислить зависимости истинной высоты от плазменной частоты ионосферы и высоту максимума ионосферы.

На примерах, в частности, ионограммы рис. 8 г проведены расчеты f(h)-профиля отдельно по следам отражения от ионосферы o- и z-компонент. Для восстановления профиля по следу обыкновенной компоненты можно воспользовались одним из методов решения обратной задачи. При восстановлении профиля по следуz-компоненты использовался метод последовательного приближения решения прямой задачи. Для определения высоты максимума использовалось модельное приближение. Расчеты показали, что отличия между значениями истинной высоты находятся в интервале от 3 до 5 км. Наибольшее отличие наблюдается в окрестности максимума критической частоты, то есть интервале 8,9 - 9МГц, а именно там, где эксперименты по радиозондированию не могут дать достаточной информации.

Показано, путем расчета профилей концентрации по конкретным ионограммам, что в условиях ионограмм с неполной геофизической информацией совместный учет всех трех компонент магниторасщепленного сигнала позволяет восстановить недостающие сведения. Таким образом, вычисление характеристик плазмы по следам отражений различных компонент дает возможность улучшить пространственное разрешение измерений с помощью ионозонда.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Установлена эффективность метода радиозондирования свысот вблизи максимума ионосферы в определении основных параметров ионосферы: концентрации электронов в максимуме, высоты максимума, N(h)-профиляна интервале высот между спутником и максимумом ионосферы. При этом параметры определяются не менее уверенно, чем при радиозондировании с других высот, а в некоторых случаях с меньшей погрешностью.

2. Показано, что радиозондирование с высот ниже максимума ионосферы в большинстве случаев приводит к образованию ранее неизвестных многочастотных трактов наклонного распространения радиоволн с возвращением на ИСЗ. При этом на ионограммах возникает неизвестный ранее многочастотный след характерной формы, отличающейся непрерывностью и большими монотонно возрастающими по частоте групповыми задержками.

3. Выявлена чувствительность метода радиозондирования ионосферы с высот ниже высоты максимума электронной концентрации к наличию горизонтальных градиентов электронной концентрации. Метод может регистрировать как крупномасштабные нерегулярные структуры электронной плотности ниже высоты отдельных районов, так и фиксировать всплески и падения высоты максимума электронной плотности характерные отдельным географическим регионам Земли. Наличие серий ионограмм с малым временным интервалом между соседними кадрами позволяет оценить размеры неоднородности и восстановить конфигурацию линий одинаковой электронной плотности в рамках используемых математических моделей. Повторение однотипных серий ионограмм в близких районах на двух соседних витках свидетельствует о наличии крупномасштабной перемещающейся неоднородности.

Для повышения чувствительности методанеобходимо увеличить интервал регистрации действующих расстояний от 800 км, используемых на ОК «Мир», до 1200 - 1500 км.

4. Ионограммы, полученные сОК «Мир», подтвердили возможность существования критической частотыz-компоненты магниторасщепленного сигнала. Следы z-компоненты позволяют вычислить зависимости плазменной частоты ионосферы от высоты и высоту максимума ионосферы, что дает возможность улучшить пространственное разрешение измерений с помощью ионозонда.

5. Разработана методика экстраполяции совместно используемых экспериментальных данных полученных как стациями наземного вертикального радиозондирования, так и спутникового радиозондирования. Показано, что получаемые региональные карты критической частоты в большей степени соответствуют реальности и, тем самым, служат более надежным средством прогнозирования условий распространения КВ-радиоволн.

6. Низкоорбитальные спутники возможно и целесообразно использовать в космическом сегменте системы глобального мониторинга ионосферы. Продолжение исследований по радиозондированию с низких орбит рационально продолжать на грузовом КА «Прогресс-М».

Радиозондирование с грузовика будет иметь определенные преимущества перед радиозондированием ионосферы с ОК «Мир»: суммарное время эксперимента будет больше, чем время эксперимента на ОК «Мир», это позволит провести достаточное количество суточных сеансов радиозондирования. Можно ожидать, что период существования даже одного грузовика окажется достаточным для накопления статистически значимого материала, как для диагностики сейсмогеных неоднородностей, так и для весомого вклада в коррекцию существующих ионосферных моделей. Качество ионограммс КА «Прогресс-М» должно быть лучше, так какКА в период эксперимента по радиозондированию будет стабилизирован таким образом, чтобы плоскость антенн была бы параллельна земной поверхности.

Предполагается, что поскольку в период эксперимента высота орбиты будет постепенно уменьшаться, то в исследовании будут задействован значительно больший диапазон высот ниже максимума, чем был возможен на ОК «Мир». Моделирование показало, что при этом ЗНС при тех же градиентах электронной плотности будет более выражен.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Данилкин Н.П., Журавлев С.В., Котонаева Н.Г. Радиозондирование ионосферной плазмы с ИСЗ// Энциклопедии холодной плазмы, Изд-во РАН. 2009. т. №5, с. 43 - 53 1,95 п.л. (лично автором0,65 п.л.).

2. Котонаева Н.Г. Математическая модель радиозондирования ионосферы с искусственного спутника Земли на высотах ниже максимума концентрации электронов// Геомагнетизм и аэрономия. 2006.Том 46, № 2, с. 234-242. 1 п.л. (из перечня ВАК) (лично автором 1 п.л.).

3. Котонаева Н.Г. Z-компонента магниторасщепленного сигнала при радиозондировании из окрестности максимума концентрации слоя F2// Известия ВУЗов, Радиофизика.2009. Том LII № 5-6.С.390-399.1 п.л. (из перечня ВАК) (лично автором 1 п.л.).

4. Котонаева Н.Г., Скоморох Р.В.О структурных параметрах макронеоднородности ионосферы по данным радиозондирования с высот ниже максимума слоя F2// Геомагнетизм и аэрономия.2006. Том 46 №6. С. 769-774.0,8 п.л. (из перечня ВАК) (лично автором0,4 п.л.).

5. Данилкин Н.П., Котонаева Н.Г. Обработка и интерпретация ионограмм радиозондирования ионосферы со сверхнизких орбит спутников// Геомагнетизм и аэрономия. 2009. Том 49 №1.С. 74-87. 1,68 п.л. (из перечня ВАК) (лично автором0,84 п.л.).

6. Данилкин Н.П.,Котонаева Н.Г. Расчет высотных профилей электронной концентрации в ионосфере по ионограммам космической станции «Мир».//Радиофизика. Известия вузов. -2002. Том XLV N5. С. 367 - 374.0,93 п.л. (из перечня ВАК) (лично автором0,46 п.л.).

7. Данилкин Н.П., Котонаева Н.Г. Особенности радиозондирования ионосферы с орбитального комплекса«Мир». //Радиофизика. Известия вузов. - 2002. Том XLV N6.С.473-481. 1,04 п.л. (из перечня ВАК) (лично автором0,52 п.л.).

8. Данилкин Н.П., Котонаева Н.Г., Анишин М.М. Задержанный нижний след на спутниковых ионограммах - новое средство изучения макронеоднородностей ионосферы// Известия ВУЗов, Радиофизика. 2006. Том XLIX. №1.С. 9-20. . 1,3 п.л. (из перечня ВАК) (лично автором 0,43 п.л.).

9. Данилкин Н.П., Котонаева Н.Г.,Азизбаев М. Р. Коррекция ионосферных моделей непосредственными измерениями// Электросвязь. 2007. № 7. 0,8 п.л. (из перечня ВАК) (лично автором0,27 п.л.).

10. Данилкин Н.П., Котонаева Н.Г.,Азизбаев М. Р. Региональная коррекция модели IRI по данным радиозондирования ионосферы с пилотируемой космической станции «Мир»// Геомагнетизм и аэрономия. 2007. Том 47. №5.С. 639-645.0,9 п.л. (из перечня ВАК) (лично автором0,3 п.л.).

11. Pulinets S. A., Jann-Yeng Liu, Chuo Y.J., Danilkin N.P.,Depuev V.Kh., Kotonaeva N.G. Mir space station topside sounder: Possibilities for equatorial anomaly study// Terr. Atmos. Ocean. Sci. J.2001. Vol.12. №3.C.525-536.0,7п.л. (личноавтором0,1 п.л.).

12. Danilkin N. P., Kotonaeva N. G. Quantitative explanation of the satellite ionograms taken within the F 2-layer maximum// International Journal of Geomagnetism and Aeronomy. 2003. Vol.4. №1.C. 23-28.0,5 п.л. (лично автором 0,25 п.л.).

13. Danilkin N. P., Kotonaeva N. G.,Mitchell C.N. Comparison of the results of ionospheric radiosounding on board the MIR Manned Space Station with the data of ionospheric ground-based network and the TRANSIT signal observations».// International Journal of Geomagnetism and Aeronomy. 2003.Vol. 4. №1. C.29-36.0,5п.л. (личноавтором0,17п.л.).

14. Kalinin Yu. K., Danilkin N. P., Larichev L., Sergeenko N. P., Kotonaeva N. G. Macro-scale ionospheric irregularities registered by the MIR onboard ionosonde// International Journal of Geomagnetism and Aeronomy. 2004. Vol.4. №1.C. 1-6. 0,5 п.л. (лично автором0,1 п.л.).

15. Kotonaeva N. Quantitative Explanation of the New Satellite Ionograms Taken Below the F2-Laer Maximum. // XXVII GA of URSI.Маастрихт, Нидерланды, 2002. 0,4 п.л. (лично автором 0,4 п.л.).

16. Kotonaeva N. G. Ionosphere irregularity mathematical models from satellite radio sounding data of heights below F2 maximum// XXVIII GA URSI. Дели, Индия,2005.0,3п.л. (личноавтором0,3п.л.).

17. Kotonaeva N. G. Inverse problems of ionospheric radiosounding at heights below the maximum of the F2 layer//10th International Conference on Ionospheric Radio Systems and TechniquesЛондон, Великобритания, 2006.0,4 п.л. (лично автором0,4 п.л.).

18. Котонаева Н.Г., Скоморох Р.В. Горизонтальные градиенты электронной плотности в экваториальной области по данным радиозондирования с орбитального комплекса «Мир»// Труды Международной научной конференции Излучение и рассеяние электромагнитных волн ИРЭМВ-2009Таганрог-Дивноморское,2009.0,61 п.л. (лично автором0,3 п.л.).

19. Котонаева Н.Г., Скоморох Р.В. Пространственное распределение электронной концентрации ионосферы по данным радиозондирования с последовательных витков низкоорбитального ИСЗ// Сборник докладов XXII Всероссийскойнаучной конференции по распространению радиоволн. Ростов-на-Дону,п. Лоо,2008. 0,25 п.л. (лично автором0,125 п.л.).

20. Данилкин Н. П., Хавлин В.М.,Вайсман Г.М., Котонаева Н.Г. Определение оптимальных рабочих частот для радиосвязи в коротковолновом диапазоне. // Научно-технический сборник по материалам межведомственной конференции на второй международной специализированной выставке « Граница 2000». Москва: Граница, 2000.0,45 п.л. (лично автором 0,3 п.л.).

21. Danilkin N., Kotonaeva N.: New Ionospheric Structures from theData ofSatellite 350 km Height Radio Sounding.// XXVII GA of URSI-Маастрихт, Нидерланды, 2002. 0,4п.л. (личноавтором0,2п.л.).

22. Danilkin N.P., Kotonaeva N. G., Alferov K.A. Satellite Radiosounding of the ionosphere from Heights near to a Maximum of F2 Layer//10th International Conference on Ionospheric Radio Systems and Techniques Лондон,Великобритания, 2006. 0,4п.л. (личноавтором0,14п.л.).

Размещено на Allbest.ru