Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка параметров атмосферы и ионосферы по данным наземного и спутникового приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Оценка параметров атмосферы и ионосферы по данным наземного и спутникового приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М В ЛОМОНОСОВА

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ И ИОНОСФЕРЫ ПО

ДАННЫМ НАЗЕМНОГО И СПУТНИКОВОГО ПРИЕМА СИГНАЛОВ ВЫСОКООРБИТАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ

СИСТЕМ.

Специальность 25 00 29 - физика атмосферы и гидросферы

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 551 510 535 629 783

Пядохин Артем Михайлович

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ООЗ166622

Москва 2008 г

Работа выполнена на кафедре физики атмосферы физического факультета Московского Государственного Университета им М В Ломоносова

Научный руководитель

Доктор физико-математических наук,

профессор Куницын Вячеслав Евгеньевич

Официальные оппоненты Доктор физико-математических наук профессор

Кандидат физико-математических наук

Ведущая организация Институт физики атмосферы РАН

Защита диссертации состоится «17» апреля 2008 г

в 45 —часов на заседании Диссертационного совета Д501 001 63

при МГУ им М В Ломоносова по адресу 119991, Москва, Ленинские горы, дом

1, стр 2, физический факультет, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ

Автореферат разослан «А ?» л^. 2008 г

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д501 001 63 кандидат физико-математических наук

Лукин Дмитрий Сергеевич Алпатов Виктор Владимирович

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы В связи с использованием спутниковых навигационных систем во все большем числе прикладных исследований, задача изучения ионизированных слоев Земли (среды распространения спутниковых навигационных радиосигналов) особенно в период сильных гелиогеофизических возмущений приобретает все большее практическое значение

Известно, что во время сильных гелиогеофизических возмущений ионосфера отличается чрезвычайно сложной структурой и высокой динамикой Каждое такое возмущение обладает как рядом общих с другими свойств, так и своим уникальным набором специфических проявлений, поэтому исследованию особенностей структуры распределения электронной плотности ионосферной плазмы, вызванных воздействием солнечных вспышек на ионосферу Земли, уделяется особое внимание

Существующие навигационные спутниковые системы второго поколения GPS/ГЛОНАСС и широкая сеть приемников их сигналов на Земле позволяют получать данные о пространственной и временной зависимости поля электронной концентрации в ионосфере и о его интегральной характеристике - поле вертикального полного электронного содержания ТЕС [1-4] Уже сейчас сигналы достаточно большого количества спутников GPS и ГЛОНАСС доступны непрерывно в любой точке Земли, а с развертыванием системы Galileo это число еще увеличится Информация с сети приемных станций, принимающих сигналы GPS/ГЛОНАСС, предоставляется в специальном формате и находится в свободном доступе в сети Интернет Плотность существующей сети станций достаточно велика и позволяет осуществлять глобальный мониторинг ионосферы Земли, при этом временное разрешение GPS данных, достаточно для исследований изменений электронной концентрации, вызванных быстрыми процессами, протекающими на Солнце во время вспышек [4-7]

Системы GPS/ГЛОНАСС также дают возможность получать дополнительную информацию о состоянии атмосферы по данным спутникового приема их навигационных сигналов Такие методики активно развиваются в настоящее время Одним из методов, основанных на спутниковом приеме сигналов этих систем, является радиозатменный или рефрактометрический метод [8-10], позволяющий получать данные о параметрах атмосферы в труднодоступных областях, в которых отсутствуют традиционные измерения Получаемые при этом данные могут быть использованы для корректировки входных данных существующих региональных моделей атмосферы

Дели работы. Моделирование восстановления глобальных распределений электронной концентрации в ионосфере по данным высокоорбитальных спутниковых навигационных систем Оценка параметров распределений электронной концентрации в ионосфере по реальным данным высокоорбитальных спутниковых навигационных систем, а также изучение ионосферных эффектов солнечных вспышек по данным этих систем Целью работы также является разработка и тестирование методов восстановления профилей метеопараметров из профилей показателя преломления, полученных рефрактометрическими методами

Новизна результатов. Впервые создан комплекс программ для решения прямой задачи моделирования восстановления глобальных пространственно-временных распределений электронной концентрации в ионосфере по данным высокоорбитальных навигационных систем для реальной геометрии спутников и приемников для выбранного дня и заданного модельного распределения электронной концентрации

Предложен метод восстановления и оценки параметров поля электронной концентрации в ионосфере по фазовым данным высокоорбитальных навигационных систем в приближении модели толстого слоя

Проанализированы возможности восстановления параметров глобальных неоднородностей распределения электронной концентрации (экваториальной аномалии, главного ионосферного провала, суточного и широтного градиентов) в ионосфере, а также параметров ионосферы во время солнечных вспышек предложенным методом

Предложен и реализован метод оценки интенсивности ионизирующего солнечного излучения во время вспышки по данным о скорости изменения ТЕС, полученным с помощью наземного приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем

Предложен новый алгоритм использования данных об интегральном содержании водяного пара в столбе атмосферы в качестве априорной информации при восстановлении параметров атмосферы по данным о профилях показателя преломления, полученных в радиозатменных экспериментах

Научная и практическая ценность работы. Использование программного комплекса для решения прямой задачи моделирования восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере, разработанного в данной работе, позволит тестировать различные методы мониторинга ионосферы по данным фазовых измерений высокоорбитальных навигационных систем Предложенный метод получения параметров распределения электронной концентрации позволит

проводить непрерывное исследование и глобальный мониторинг параметров ионосферы, что важно для практических задач радионавигации и дальней радиосвязи Предложенный метод получения информации об ионизирующем излучении Солнца во время вспышки по фазовым данным навигационных систем может давать дополнительную, независимую информацию для изучения солнечных вспышек Предложенный алгоритм использования априорной информации об интегральном содержании водяного пара при восстановлении метеопараметров из профиля показателя преломления расширяет спектр и возможности подобного рода алгоритмов

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на российских и международных конференциях 2nd CHAMP Science meeting Sep 1-4 2003 GFZ Potsdam, Special Symposium of the URS I Joint Working Group FG (Италия, Матера, 2003г ), «Физические проблемы экологии» (Москва 2004г ), Научная сессия, посвященная Дню радио (Москва 2005г), Научная конференция «Ломоносовские чтения» (Москва 2005г), XXI Всероссийская конференция по распространению радиоволн (Йошкар-Ола 2005г ), X и XI Всероссийские школы-семинары «Волновые явления в неоднородных средах» (Звенигород 2006, 2007 гг ), XIII International symposium Atmospheric and ocean optics Atmospheric physics (Томск 2006г ), Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва 2007), Байкальская школа молодых ученых (Иркутск 2007), Asia Oceania Geophysical Society Meeting (Bangkok 2007), International Hehophysical Year 2007 New Insights in Solar-Terrestrial Physics (Звенигород, 2007) По теме диссертации опубликовано 15 работ в отечественных и зарубежных изданиях

Основные результаты и защищаемые положения:

1. Создано программное обеспечение, позволяющее решать прямую задачу моделирования восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере для реальной геометрии всех спутников системы GPS и наземных приемников для выбранного дня и предложенного аналитического модельного распределения, отражающего такие особенности исследуемой среды, как широтный и суточный градиенты, экваториальная аномалия, главный ионосферный провал, локальные неоднородности

2 Предложен метод и создано программное обеспечение для восстановления глобальных распределений вертикального ТЕС в ионосфере по фазоразностным данным системы GPS На предложенном модельном распределении показана возможность восстановления разработанным методом параметров глобальных неоднородностей распределения (экваториальной аномалии, главного ионосферного

провала), параметров локальных неоднородностей, внезапного увеличения ТЕС во время солнечных вспышек

3 Проведены реконструкции параметров глобального распределения электронной концентрации в ионосфере (пространственных размеров экваториальной аномалии, значений ТЕС в гребнях экваториальной аномалии, критической частоты слоя F2) по реальным данным наземного приема сигналов GPS в различные временные периоды и их сравнение с ионозондовыми измерениями

4 Предложен и реализован метод оценки интенсивности ионизирующего солнечного излучения во время вспышки по данным о скорости изменения ТЕС, полученным с помощью наземного приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем Проведены оценки для вспышек 28 10 2003 (Х17) и 04 11 2003 (Х28)

5 Реализован предложенный алгоритм использования данных об интегральном содержании водяного пара в столбе атмосферы в качестве априорной информации при восстановлении параметров атмосферы по данным о профилях показателя преломления, полученных в радиозатменных экспериментах

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы Работа содержит 113 страниц текста, 57 рисунков

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность, новизна, научная и практическая ценность решаемой задачи, сформулированы основные результаты и защищаемые положения, кратко изложено содержание диссертации

Первая глава диссертации посвящена использованию высокоорбитальных навигационных систем для исследования атмосферы и ионосферы Земли

В первом параграфе описаны высокоорбитальные навигационные системы второго поколения GPS и ГЛОНАСС Приведены данные об орбитальных группировках систем, характеристиках сигналов и навигационных сообщений Приведены уравнения наблюдений и основные линейные комбинации наблюдаемых величин, позволяющие компенсировать или выделить вклад той или иной высотной области атмосферы в наблюдаемые величины

Второй параграф посвящен описанию методов двухмерной томографии ионосферы на основе низко- и высокоорбитальных[12]

спутниковых систем и сети наземных приемников Приведена постановка задачи фазоразностной томографии ионосферы [1,2,11]

В третьем параграфе описывается технология построении глобальных ионосферных карт полного электронного содержания по данным наземного приема сигналов GPS [4] Эти карты, предоставляемые несколькими научными группами, имеют разрешение (5°long, 2 5°lat, 2 часа), что зачастую оказывается не достаточным для исследования быстрых процессов перестройки ионосферы.

Четвертый параграф посвящен описанию радиозатменного метода исследования атмосферы, основанного на восстановлении профиля показателя преломления атмосферы из зависимости индекса рефракции от прицельного параметра, полученной при наблюдении радиовосхода или радиозахода спутника системы GPS с низкоорбитального спутника LEO в предположении квазисферической симметрии атмосферы [8-10]

В пятом параграфе описана возможность совместного использования радиозатменного и радиотомографического методов для улучшения пространственного разрешения получаемых реконструкций [10]

В шестом параграфе даются общие сведения об ионосфере Земли Приводятся характерные высотные профили электронной концентрации в ионосфере для различных сезонов и широт Описаны причины и механизмы формирования таких крупных неоднородностей распределения электронной концентрации как экваториальная аномалия и главный ионосферный провал Кратко описаны процессы, протекающие в ионосфере в периоды солнечных вспышек

Во второй главе диссертации описывается моделирование восстановления глобального распределения электронной концентрации в ионосфере по данным наземного приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем GPS/TJIOHACC

В первом параграфе ставится задача восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере по данным высокоорбитальных навигационных систем Приводятся формулы, позволяющие получать информацию об ионосфере из групповых (Р1У Р2) и фазовых (Ц, Ь2) GPS-данных на частотах f, и /2 соответственно

TEC = \Ne{T)dl =

А Л

f2f2 с

Jl Jl - 4- const (1)

\Ji JïJ

TEC = \Ne{r)dl= Рг~Р\Л I J___1_

fî'f!

А2-А2 к

Во втором параграфе строится модельное распределение электронной концентрации в ионосфере, качественно отображающее такие особенности исследуемого поля, как широтный и суточный градиент распределения электронной концентрации, экваториальная аномалия, ориентация гребней экваториальной аномалии вдоль магнитного экватора, главный ионосферный провал, а также локальные неоднородности распределения электронной концентрации Модель строится в приближении толстого слоя, то есть все временные зависимости и пространственные неоднородности задаются распределением электронной концентрации на высоте максимума слоя

В третьем параграфе формулируется прямая задача моделирования восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере по данным GPS, в которой для реальной геометрии спутников и приемников GPS для заданного дня вычисляются интегралы (1) от модельного распределения, описанного во втором параграфе, по всем лучам «спутник-приемник», для которых в этот день имеются экспериментальные данные Приводится пример решения прямой задачи для 30 октября 2003 года

В четвертом параграфе формулируется обратная задача моделирования По значениям интегралов по набору лучей необходимо восстановить модельное распределение электронной концентрации Задача переформулируется для использования разностей интегралов по соседним лучам L, и Ц для устранения неопределенности начальной фазы

ТЕС,-ТЕС, = ¡Ne(r)dl-iNJr)dI (3)

L, L,

В пятом параграфе строятся линейные проекционные операторы для заданной конфигурации спутников и приемников Используется сферическая система координат (long,lat,h) Для дискретизации задачи используется разложение восстанавливаемого поля в приближении толстого слоя

Р1 (Л—ft*,)1 J' max

l-(h~Khfrh^<h<h- (4)

V max "first > 0, h < hfirsl

Ne (long, lat,h,t) = Ne (long, lat,t)

Для представления Ne(long,lat,t) используется локальная интерполяция полиномами Лагранжа первой степени по t и первой или второй степени по long и lat на равномерной сетке После чего задача переписывается в виде системы линейных уравнений, для нахождения

элементов матрицы которой, требуется вычислять интегралы от слагаемых интерполяционного полинома Лагранжа вдоль лучей спутник-приемник Для вычисления этих интегралов с высокой скоростью и точностью используется квадратурная форма Гаусса-Кронрода с 61 узлом Приводится построение проекционного оператора в случае использования локальной интерполяции полиномами Лагранжа первой степени по long, lat, t

В шестом параграфе приведены алгоритмы решения полученной после дискретизации задачи системы линейных алгебраических уравнений При типичном размере ячейки дискретизации (1 градус по долготе, 1 градус по широте, 1 час по времени) и типичном числе лучей для всех пар спутник-приемник за 1 день, используемых при восстановлении, порядка 400 ООО, матрица задачи содержит порядка 10й элементов, но является при этом достаточно разреженной В данном случае имеет смысл использовать итерационные, а не прямые, методы решения системы линейных уравнений Приводятся формулы используемых итерационных методов ART и SIRT

Другой особенностью задачи является ее недоопределенность Существуют конечные пространственно-временные элементы разбиения исследуемой области, которые не пересекает ни один луч спутник-приемник В параграфе используется межитерационное сглаживание решения, основанное на методе неопределенных множителей Лагранжа, для получения гладкого решения недоопределенной задачи, минимизирующего некоторую Соболевскую норму [2], заданную матрицей L

L'LX + A'h-0

где А - матрица исходной задачи, у - столбец наблюдений, х - столбец неизвестных, h - неопределенные множители Лагранжа Для решения этой системы можно использовать метод ART или SIRT Добавление второй группы уравнений в систему (5) соответствует проведению межитерационного сглаживания Характерный масштаб сглаживания, проведенного за N итераций, порядка -In ячеек, те при измельчении сетки число итераций, необходимых для сглаживания, будет возрастать как квадрат числа ячеек (по одной координате)

Седьмой параграф посвящен описанию результатов моделирования Для дня 30 октября 2003 года решена прямая и обратная задачи Использовалась реальная геометрия спутников и приемников для этого дня, а также такие лучи спутник-приемник, для которых в реальных экспериментальных данных не было сбоев Только такое моделирование способно дать информацию о применимости алгоритма в данном

конкретном случае. Показано, что предлагаемый метод, позволяет восстанавливать в областях с достаточным числом приемников такие параметры распределения электронной концентрации, как максимальные значения, размер и ориентацию гребней экваториальной аномалии, положение и величину ионосферного провала, параметры локальных неоднородностей. Ошибка восстановления на исследуемых модельных распределениях как правило составляла 10-20% и не превышала 30%.

Проведено моделирование возможности восстановления внезапного увеличения электронной концентрации в ионосфере в момент солнечной вспышки предложенным методом. Показано, что предложенный метод позволяет восстанавливать увеличение среднего по всей Земле значения N на высоте максимума слоя, а следовательно и увеличение значения среднего ТЕС в момент вспышки.

Третья глава диссертации посвящена применению, описанного во второй главе метода к восстановлению распределения вертикального ТЕС в ионосфере по реальным данным наземного приема сигналов системы GPS.

В первом параграфе приведены глобальные распределения ТЕС во время сильнейших гелиогеофизических возмущений 30 октября 2003 года, когда максимальные значения ТЕС достигали 220 TECU. Пример реконструкции глобального распределения ТЕС для 22 UT представлен на рис. 1.

Reconstruction of TEC distribution (TECU), Т=22 UT 90 -----

-90 -

-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 3 0 60 90 120 150 180

Рисунок 1. Восстановленное распределение ТЕС в ионосфере 22UT 30.10.2003

На реконструкции также видно пятно ионизации над Европой в ночное время со значениями ТЕС достигавшими 35 TECU, такие значения характерны для дневной ионосферы.

Во втором параграфе проведена оценка критической частоты слоя F2 по данным реконструкции и ее сравнение с данными ионозондов. На рис. 2 для 30 октября 2003г оно показано на примере ионозондов Hainan (слева) и Athens (справа). Видно хорошее совпадение временного хода и даже значений f0F2 по данным ионозондов с результатами реконструкции по данным GPS. Разница в значениях f0F2 по данным ионозондов и по данным GPS вызвана различием между реальной высотой слоя F2 в ионосфере и значением высоты максимума слоя используемой в алгоритме восстановления.

Рисунок 2. Восстановление критической частоты слоя К2. Пример сравнения с

данными ионозондов.

Третий параграф посвящен сравнению результатов реконструкций вертикального ТЕС с данными глобальных ионосферных карт. Показано качественное совпадение структуры и величин восстанавливаемых полей.

В четвертом параграфе представлено сравнение распределений вертикального ТЕС, полученного по данным GPS, и ТЕС, полученного методом двумерной низкоорбитальной радиотомографии, вдоль цепочки на Аляске (145° ЗД) для 30 октября 2003г. Наблюдались как случаи хорошего совпадения широтных зависимостей и даже значений ТЕС вдоль цепочки приемников по данным низкоорбитальной томографии и по высокоорбитальным данным, так и случаи значительного расхождения ТЕС, полученного этими двумя методами. Расхождение в данных может объясняться тем, что в возмущенный период, каким и является 30 октября 2003г., практически мгновенное распределение ТЕС по данным низкоорбитальной томографии в связи с быстрыми процессами перестроения ионосферы не будет совпадать с усредненным по достаточно большому временному интервалу (1 час) распределением ТЕС, построенным по высокоорбитальным данным.

В пятом параграфе приведены примеры восстановления параметров экваториальной аномалии над Юго-Восточной Азией для 22 октября 2003 г

(см рис. 3 слева). На реконструкции хорошо видны северный и южный гребни экваториальной аномалии. Северный гребень имеет большую протяженность, порядка 4000км., и вытянут вдоль 20° СШ. Южный гребень менее выражен, имеет протяженность порядка 3500км. и вытянут вдоль 5° ЮШ. Значение ТЕС в максимуме экваториальной аномалии на 25-ЗОТЕСи выше значений ТЕС на экваторе. Проведено сравнение с данными альтиметра спутника ТОРЕХ (см рис. 3 справа), показавшее хорошее совпадение восстановленного ТЕС.

TEC Reconstruction. 22.10.2003, 5UT

—о-- - ТОРЕХ ТЕС —о— High orbital TEC reconstruction

TEC along TOPEX trajectory for 22.10.2003 (4:15-4:50 UT)

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30

Latitude

Рисунок 3. Реконструкция вертикального TEC в области экваториальной аномалии. Сравнение с данными ТОРЕХ-альтиметра.

В шестом параграфе приведен пример восстановления параметров главного ионосферного провала над Европой для 20UT 22 июля 2004г. (см рис. 4)

Reconstruction of TEC distribution (TECU), Т=20 UT

30

-10 0 1 0 20 30 40 50

Рисунок 4. Реконструкция вертикального ТЕС в области провала ионизации над Европой для 20 ит 22.07.2004.

Отчетливо восстанавливается стенка провала, падение вертикального ТЕС более чем в два раза (с 12 TECU до 5 TECU). Ширина провала по данным реконструкции составляет ~15°. Отметим, наличие станций IGS в Европе на широтах выше широты провала, что необходимо для восстановления параметров провала.

Таким образом, предложенный метод позволяет восстанавливать структуру крупных неоднородностей ионосферы, таких как экваториальная аномалия, главный ионосферный провал, пятна ионизации и.т.д. Сопоставление результатов восстановления с независимыми измерениями ионозондов, низкоорбитальной томографии и глобальными ионосферными картами показало эффективность применяемого подхода.

5 четвертой главе диссертации проведено исследование внезапного увеличения полного электронного содержания (SITEC) в ионосфере во время ряда интенсивных солнечных вспышек по данным наземного приема сигналов системы GPS.

В первом параграфе приведены временные зависимости TEC(t) и дТЕС , v

-(?) во время вспышки для различных пар приемник-спутник GPS для

дt

вспышек: Х17 - 28.10.2003, Х28 - 04.11.2003, Х6 - 14.07.2000, Х20 -02.04.2001, Х4.2 - 17.01.2005. Для вспышки Х6 - 14.07.2000 эти зависимости показаны на рис. 5.

14.7.2000 dTEC/dt for ACOR statbn and 20 satellite

10:05 10:10 1 0:15 10:20 10:25 10:30 10:35 10:05 1 0.10 10:15 10:20 10:25 10:30 10:35

line lime

Рисунок 5. TEC и скорость изменения TEC для двух пар «спутник-приемник» во время солнечной вспышки 14.07.2000

14.72000 relative TEC tor ACORC-8.4,432) station and 20 satellite

trne

14.72000 relative TEC (or MALI(40.2,-3)stetbnand 3 selenita

Для каждой из проанализированных вспышек наблюдается подобие „ дТЕС

временных зависимостей -(0 для различных пар спутник-приемник,

dt

для восходящих (рис 5 сверху) и нисходящих (рис 5 снизу) траекторий спутников, что говорит о связи временной зависимости скорости изменения ТЕС с интенсивностью ионизирующего излучения Солнца в момент вспышки

Во втором параграфе предложен новый параметр - эффективная ионизирующая интенсивность солнечного излучения во время вспышки и методы ее определения по данным высокоорбитальных навигационных систем Показано, что скорость изменения ТЕС во время вспышки пропорциональна интенсивности дополнительного ионизирующего излучения, вызванного солнечной вспышкой

этес^АУМЛ» (6)

dt 1 ' sec%

где ?7,(A) - фотоионизационный выход 1-й газовой составляющей атмосферы на длине волны Л, А/„(Л) - дополнительная интенсивность солнечного излучения с длинной волны Л на верхней границе атмосферы, вызванная вспышкой Таким образом, можно ввести эффективную ионизирующую интенсивность излучения при вспышке в интервале длин волн АЛ, как

/дТЕС , \

т si/.WaW (7)

Я I Л I

где l^/oosx) [4] усредненное по всем станциям наблюдения,

\ dt /

расположенным на дневной стороне Земли, значение скорости изменения электронной концентрации в ионосфере, приведенное к зенитному углу Солнца для каждой точки наблюдения

На основе (7) предложен алгоритм оценки интенсивности солнечного излучения вне диапазона (1-8)А по данным о скорости изменения ТЕС со станций сети IGS и об интенсивности солнечного рентгеновского излучения в диапазоне (1-8)А со спутников серии GOES Приведем оценку этой интенсивности для вспышек 28 10 2003 и 04 11 2003 (см рис 6)

Рисунок 6. Совместный график среднего по всем станциям дневной стороны

Земли dTEC/dt, интенсивности рентгеновского излучения по данным GOES, и оцененной по этим данным интенсивности солнечного излучения в диапазоне Л >8А. во время вспышек 28.10.2003 (слева) и 04.11.2003 (справа).

Несмотря на то, что вспышка 04.11.2003 была самой интенсивной из наблюдаемых в рентгеновском диапазоне, SITEC вызванный ею в несколько раз меньше, чем SITEC вызванный менее интенсивной вспышкой 28.10.2003. Это можно объяснить тем, что больший вклад в ионизацию вносит более длинноволновое ультрафиолетовое излучение, что подтверждается приведенными на рис. 6 оценками.

Третий параграф посвящен исследованию параметров глобального распределения электронной концентрации в ионосфере в момент вспышки. Была исследована зависимость изменения ТЕС в ионосфере в момент вспышки от положения точки наблюдения, показана связь величины SITEC с зенитным углом Солнца точки наблюдения.

Рисунок 7. Вариация полного электронного содержания для вспышек Х17

28.10.2003 (слева) и Х10 29.10.2003 (справа) по данным реконструкции и глобальных ионосферных карт Юв, совместно с солнечным рентгеновским излучением в диапазоне (1-8)А.

Проведена реконструкция глобального распределения электронной концентрации во время вспышки по данным GPS, методом, описанным во второй главе, с шагом по времени 20 мин для вспышек 28 10 2003 и 29 10 2003 По данным реконструкции определялась вариация среднего по всему земному шару значения ТЕС во время вспышки Показано что среднее значение ТЕС, полученное этим методом (см рис 7), в момент вспышки возрастает, в то время как посчитанное для сравнения среднее значение ТЕС по данным глобальных ионосферных карт IGS не обладает достаточным временным разрешением, чтобы описать быстрые процессы, происходящие в ионосфере во время солнечной вспышки

Пятая глава диссертации посвящена возможности использования данных спутникового приема сигналов GPS/ГЛОНАСС для оценки параметров атмосферы Земли Одним из методов использующих спутниковый прием сигналов высокоорбитальных навигационных систем является радиозатменный или рефрактометрический метод Он позволяет в приближении локальной сферической симметрии атмосферы получить информацию о высотном профиле показателя преломления, который, в свою очередь, содержит информацию об основных метеорологических полях

В первом параграфе приведена зависимость показателя преломления от основных параметров атмосферы, таких как давление, температура, влажность, электронная концентрация в ионосфере Описано, на каких высотах соответствующие параметры вносят максимальный вклад в показатель преломления Указано на возможность выделения вклада отдельных областей атмосферы в показатель преломления с использованием двух частот системы GPS

Во втором параграфе приведена система уравнений для восстановления профилей плотности р, температуры Т, давления р и влажности pw из профиля показателя преломления N, состоящая из уравнения гидростатики, уравнения состояния и уравнения для показателя преломления

1

м,

(8)

p{h) = glp(r)dr

h

}p{r)dr

Г(й) = —--

К P(h)

Данная система является незамкнутой и для замыкания требует дополнительной, априорной информации о состоянии атмосферы Рассмотрены различные подходы замыкания этой системы, а именно приближение «сухой» атмосферы, применимое в областях, где влиянием водяного пара можно пренебречь (например в Арктике), использование в качестве априорной информации профиля или приземного значения температуры Предложен метод использования независимо измеренного полного содержания водяного пара в столбе атмосферы, как априорной информации для восстановления метеопараметров Он заключается в следующем

1 Выше некоторой высоты Н влиянием водяного пара можно пренебречь и восстанавливать профили давления и температуры в приближении сухой атмосферы

2 Для высот меньших Н априорная информация об интегральном содержании водяного пара позволяет определить градиент профиля температуры в предположении, что температура меняется по линейному закону

3 Зная профиль температуры, можно восстанавливать профиль давления и влажности из профиля показателя преломления известными алгоритмами

В третьем параграфе дается краткое описание модели НПШАМ4, на основе которой строились модельные профили показателя преломления

Четвертый параграф посвящен моделированию восстановления профилей метеопараметров из профилей показателя преломления, полученных при трассировке модели НШНАМ4 Арктического региона Была оценена возможная точность каждого из описанных в параграфе третьем алгоритмов Полученные результаты показывают, что в ряде случаев источником ошибок может служить поле влажности, не учет которого приводит к относительным ошибкам порядка 10% для приземных значений температуры и порядка 5% для приземных значений давления Наличие априорной информации о поле температуры позволяет уменьшить максимальные относительные ошибки восстановления давления до 1%, а также восстанавливать поле влажности с точностью порядка 10% для приземных значений Использование априорной информации об интегральном содержании водяного пара приводит к ошибкам восстановления, сравнимым с ошибками, получаемыми при восстановлении профилей влажности и давления при наличии априорной информации о профиле температуры, причем восстановление профиля температуры происходит тем лучше, чем ближе поведение реального профиля температуры к линейному Полученные результаты могут быть использованы для прогноза возможных ошибок в реальных экспериментальных данных и для создания процедур коррекции этих

данных, причем прогноз вероятных ошибок будет тем точнее, чем точнее модель Н11ШАМ4 описывает состояние атмосферы.

Пятый параграф посвящен восстановлению профилей метеопараметров из профилей показателя преломления, полученных в реальных радиозатменных экспериментах на спутнике СНАМР (0Б2-Ро1Бс1ат). Было обработано несколько сотен профилей показателя преломления. Пример профилей метеопараметров, полученных в результате обработки приведен на рис. 8. Восстановленные профили метеопараметров хорошо согласуются с данными, представляемыми GFZ-Ро15с1ат, но, не смотря на это, исходя из результатов моделирования, можно сделать вывод, что полученные профили метеопараметров могут нести в себе относительные ошибки порядка 3% для температуры и 1% для давления, что для приземных значений может составлять 3-4К и 10 мбар соответственно. Ошибки в определении влажности вообще могут быть ненормированны, вплоть до восстановления отрицательных значений влажности. Таким образом использовать профили метеопараметров, полученных в радиозатменных экспериментах следует с большой осторожностью. Разумным представляется использовать эти сильно усредненные, в силу предположения о локальной сферической симметрии атмосферы, профили в качестве начального приближения для других методов восстановления.

показателя преломления, полученного со спутника СНАМР, профиль температуры (Т dry); профиль температуры (Т dry СНАМР), независимо определенный GFZ-Potsdam по данным СНАМР; априорный профиль температуры (Т wet). Профиль парциального давления водяного пара, восстановленного по данным СНАМР (Р wv) и профиль давления водяного пара, независимо определенный GFZ-Potsdam по данным СНАМР (Р wv СНАМР)

В заключении приведены основные результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, а именно:

1. Создано программное обеспечение, позволяющее решать прямую задачу моделирования восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере для реальной геометрии всех спутников и приемников GPS

для выбранного дня и предложенного модельного распределения Это распределение построено в приближении толстого слоя постоянной толщины и качественно отражает широтный и суточный градиенты распределения электронной концентрации, такие глобальные неоднородности как экваториальная аномалия и главный ионосферный провал Возможно введение локальных неоднородностей, волновых структур, а также задание внезапного увеличения электронной концентрации во время солнечных вспышек

2 Предложен метод построения приближенных дискретных проекционных операторов задачи восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере по данным GPS, использующий приближение толстого слоя постоянной толщины для вертикальной составляющей разлагаемого поля и локальную интерполяцию полиномами Лагранжа первой или второй степени для представления пространственно-временной структуры разлагаемого поля на высоте максимума слоя Предложен метод межитерационного сглаживания решения для получения гладкого решения задачи На основе предложенных методов реализован алгоритм восстановления глобального пространственно-временного распределения электронной концентрации в ионосфере по фазоразностным данным высокоорбитальных навигационных систем

3 На предложенном модельном распределении электронной концентрации в ионосфере проведено компьютерное моделирование и показана возможность восстановления разработанным методом характерных особенностей распределения электронной концентрации в ионосфере широтных и суточных градиентов, параметров экваториальной аномалии и ионосферного провала, локальных неоднородностей Показана возможность восстановления разработанным методом внезапного увеличения среднего или суммарного по всей Земле значения ТЕС во время солнечных вспышек

4. Проведены реконструкции глобального распределения электронной концентрации в ионосфере по реальным данным наземного приема сигналов GPS в различные временные периоды Приведены реконструкции ионосферы для дня сильнейшей геомагнитной бури 30 октября 2003 года Получены аномально высокие значения ТЕС порядка 220TECU в дневное время над Калифорнией В тоже время, значения ТЕС в верхних широтах над Аляской достигают значений, характерных для дневной приэкваториальной ионосферы в невозмущенные периоды Также приведены реконструкции области экваториальной аномалии для 20 октября 2003 года и главного ионосферного провала для 22 июля 2004 года Проведенные сравнения данных реконструкций с данными ионозондов и ТОРЕХ-альтиметра показали хорошее качество реконструкций

5 Предложен метод оценки интенсивности ионизирующего солнечного излучения во время вспышки по данным о скорости изменения среднего ТЕС, полученным с помощью наземного приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем Исследована связь между внезапным увеличением ТЕС во время солнечной вспышки, зенитным углом Солнца данной точки наблюдения и потоками солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучения во время вспышки

6 Реализован предложенный алгоритм использования данных об интегральном содержании водяного пара в столбе атмосферы в качестве априорной информации при восстановлении параметров атмосферы по данным о профилях показателя преломления, полученных в радиозатменных экспериментах

Публикации по теме диссертации

1 V Kumtsyn, V Zakharov, A Padokhm, К Dethloff, A Weisheimer, M Gerding, R Neuber, A Rinke, I Hesbestadt The use of regional models for the correction of reconstruction data in radio occultation experiments Book of abstracts 2nd CHAMP Science meeting Atmosphere/Ionosphere p. 15, Sep 1-4 2003 GFZ Potsdam

2 Захаров В И, Куницын В Е, Падохин A M, Методики использования априорной метеорологической информации для рефрактометрии атмосферы Труды 4-й Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии (Экологическая физика)», стр 15, 2004 г

3 Захаров В И, Куницын В Е, Падохин A M, Возможности рефрактометрии атмосферы при наличии априорной метеорологической информации Сборник докладов конференции «Ломоносовские чтения Секция физики»,стр 114 апрель 2005 г

4 Куницын В Е, Захаров В И, Падохин A M, Использование априорной метеорологической информации в методах восстановления метеопараметров Сборник докладов XXI Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн», т 1, стр 248-252, Йошкар-Ола, 2005 г

5. Куницын В Е, Захаров В И, Падохин A M, Влияние априорной информации об атмосфере на точность восстановления метеопараметров в радиозатменных экспериментах Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи, Серия Научная сессия, посвященная Дню радио, выпуск LX-2, стр 155, Москва 2005 г

6 VI Zakharov, A M Padokhm and Е A Leont'eva, Reconstruction of refractivity index and meteoparameters in radio occultation experiments and its comparison with the data of radio sondes Book of abstracts XIII

International symposium Atmospheric and ocean optics Atmospheric physics, D-69, p 200, Tomsk, 2006

7 В И Захаров, A M Падохин, Е А Леонтьева, Восстановление показателя преломления и метеопараметров в радиозатменных экспериментах, сравнение с данными радиозондов Труды X Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах, секция 7», стр 37 Звенигород, май 2006

8 Куницын В Е, Захаров В И, Зиенко А С , Падохин А М, Леонтьева Е А Сравнение погрешностей контактного и радиозатменного методов определения метеопараметров Электромагнитные волны и электронные системы №8 т 12, стр 41-46,2007

9 Куницын В Е, Падохин А М, Определение интенсивности ионизирующего излучения солнечных вспышек по данным навигационных систем GPS/ГЛОНАСС, Вестник МГУ Физика и Астрономия, №5 стр 68-71,2007

10 Куницын BE, Падохин AM, Ионосферные эффекты солнечных вспышек по данным навигационных систем GPS/ГЛОНАСС, Труды XI Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах, секция 6», стр 22-24, Звенигород, май 2007

11 Падохин А.М, Куницын BE, Нестеров И А Определение интенсивности ионизирующего излучения солнечных вспышек по данным навигационных систем GPS/ГЛОНАСС, стр 171-173, Труды X Конференции молодых ученых "Современные проблемы в астрофизике и физике космической плазмы", БШФФ-2007 Изд-во ИСЗФ СО РАН, Иркутск, 2007

12 Падохин А М, Моделирование возможности восстановления глобального распределения ТЕС томографическими методами по данным высокоорбитальных GNSS, Сборник тезисов конференции «Ломоносов 2007 Секция физики», стр 51-53,2007

13 V Е. Kunitsyn, Е S Andreeva, IA Nesterov and А М Padokhin Study of Solar Radiation Impact on the Ionosphere by Radiotomography Technique, paper ST09-A0006, Book of Abstracts Asia Oceania Geophysical Society Meeting, Bangkok, 2007

14 V E Kunitsyn, E D Tereshenko, E S Andreeva, M О Nazarenko, IA Nesterov, A M Padokhm Tomographic imaging of ionospheric disturbances and wavelike structures, paper ST15-A0003, Book of Abstracts Asia Oceania Geophysical Society Meeting, Bangkok, 2007

15 Kunitsyn V, Tereshenko E, Andreeva E, Nesterov I, Padokhin A Radiotomographic studies of ionospheric response to solar activity p 65, Book of Abstracts International Heliophysical year 2007 New insights to Solar-Terrestrial Physics, Zvemgorod 2007

Список цитируемой литературы

1 Куницын В Е, Терещенко Е Д, Андреева Е С Радиотомография ионосферы, М Наука, 2007

2 Куницын В Е, Андреева Е С, Кожарин М А, Нестеров И А, Радиотомография ионосферы с применением высокоорбитальных навигационных систем, Вестник МГУ Физика и Астрономия, № 1, стр 74,2005

3 G S Bust, G Crowley, Т W Garner, Т L Gaussiran II, R W Meggs, С N Mitchell, P S J Spencer, P Yin, and В Zapfe Four-dimensional GPS imaging of space weather storms SPACE WEATHER, VOL 5, S02003

4 Афраймович Э JT, Перевалова H П, GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли Институт солнечно-земной физики, Иркутск, Изд-во ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМ, 2006

5 Е L Afraimovich, Е A Kosogorov, and L A Leonovich, The use of the international GPS network as the global detector (GLOBDET) simultaneously observing sudden ionospheric disturbances // Earth Planets Space, 52,1077-1082,2000

6 Tsurutani, В T, et al., The October 28, 2003 extreme EUV solar flare and resultant extreme ionospheric effects Comparison to other Halloween events and the Bastille Day event // Geophys Res Lett, 32, L03S09, 2005

7 J Y Liu, С H Lin et al, Ionospheric solar flare effects monitored by the ground-based GPS receivers Theory and observation // Journal of Geophys Res, 109, A01307,2004

8 ME Gorbunov and A S Gurvich Remote sensing of the atmosphere using a system of synchronously orbitmg satellites Radio Science Vol 28 Num 4 Pages 595-602 July-August 1993

9 E R Kursinski, G A Hajj, J T Schofield, R P Linfield, and К R. Hardy Observing Earth's atmosphere with radio occulation using the Global Positioning System // Journal of Geophysical Research, Vol 102, No D19, Pages 23,429-23,465, october 20,1997

10 Андреева EC, Бербенева НА, Захаров В И, Куницын BE, Радиотомографический и радиозатменный методы исследования ионосферы Радиотехника и электроника, Т 1 №1, стр 74-80,2000

11 Andreeva Е S , Franke J S , Yeh К С, Kumtsyn V Е Some features of the equatorial anomaly revealed by ionospheric tomography // Geophys Res, Lett 2000 V 27, P 2465-2468

12 E Yizengaw, MB Moldwm, PL Dyson, E A Essex, Using tomography of GPS TEC to routmely determine ionospheric average electron density profiles Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 69, 314-321, 2007

Подписано к печати ОЪ 0& Тираж 4Ю Заказ 36

Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Падохин, Артем Михайлович

Введение.

Глава 1. Использование высокоорбитальных навигационных систем для исследования атмосферы и ионосферы.

1.1 Высокоорбитальные спутниковые навигационные системы GPS/TJIOHACC

1.2 Двухмерная томография ионосферы с использованием спутниковых навигационных систем.

1.3 Построение глобальных ионосферных карт ТЕС по данным высокоорбитальных навигационных систем.

1.4 Радиозатменный метод исследования атмосферы.

1.5 Совместное использование радиотомографического и радиозатменного метода исследования атмосферы Земли.

1.6 Неоднородности глобального распределения электронной концентрации в ионосфере Земли. Ионосфера во время гелио-геофизических возмущений.

Глава 2. Моделирование восстановления глобальных распределений электронной концентрации в ионосфере по данным наземного приема сигналов высокоорбитальных GNSS.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Модельное распределение электронной концентрации.

2.3 Прямая задача моделирования восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере по данным высокоорбитальных навигационных систем.

2.4 Обратная задача восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере по данным высокоорбитальных навигационных систем.

2.5 Построение проекционного оператора.

2.6 Алгоритмы решения СЛАУ задачи восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере по данным высокоорбитальных навигационных систем.

2.7 Результаты моделирования.

Глава 3. Оценка параметров ионосферы по данным наземного приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем.

3.1 Восстановление глобальных распределений ТЕС в ионосфере.

3.2 Оценка критической частоты слоя F2, сравнение с данными ионозондов.

3.3 Сопоставление с данными глобальных ионосферных карт.

3.4 Сопоставление с результатами 2D томографии.

3.5 Восстановление параметров экваториальной аномалии.

3.6 Пример восстановления главного ионосферного провала.

Глава 4. Исследование ионосферных эффектов солнечных вспышек по данным наземного приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем.

4.1 Ионосферные эффекты солнечных вспышек по данным системы GPS.

4.2 Оценка ионизирующего излучения Солнца во время вспышки по данным системы GPS.

4.3 Исследование параметров глобального распределения электронной концентрации в ионосфере во время солнечной вспышки по данным системы GPS.

Глава 5. Восстановления параметров атмосферы по данным спутникового приема сигналов высокоорбитальных GNSS.

5.1 Связь показателя преломления с параметрами атмосферы и ионосферы.

5.2 Методы восстановления метеопараметров по данным рефрактометрии.

5.3 Модель НШНАМ4.

5.4 Результаты моделирования возможности восстановления метеопараметров из профиля показателя преломления, полученного радиозатменным методом.

5.5 Восстановление метеопараметров по данным реальных радозатменных экспериментов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оценка параметров атмосферы и ионосферы по данным наземного и спутникового приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем"

Актуальность проблемы. В связи с использованием спутниковых навигационных систем во все большем числе прикладных приложений, задача изучения ионизированных слоев Земли (среды распространения спутниковых навигационных радиосигналов) в период сильных гелиогеофизических возмущений, приобретает все большее практическое значение Известно, что во время сильных гелиогеофизических возмущений ионосфера отличается чрезвычайно сложной структурой и высокой динамикой. Каждое такое возмущение обладает как рядом общих с другими свойств, так и своим уникальным набором специфических проявлений, поэтому исследованию особенностей структуры распределения электронной плотности ионосферной плазмы, вызванных воздействием солнечных вспышек на ионосферу Земли уделяется особое внимание.

Существующие навигационные спутниковые системы второго поколения GPS/TJIOHACC и широкая сеть приемников их сигналов на Земле позволяют получать данные о пространственной и временной зависимости поля электронной концентрации в ионосфере и о его интегральной характеристике - поле вертикального полного электронного содержания ТЕС. Уже сейчас сигналы достаточно большого количества спутников GPS и ГЛОНАСС доступны непрерывно в любой точке Земли, а с развертыванием системы Galileo это число еще увеличится. Информация с сети приемных станций, принимающих сигналы GPS/TJIOHACC, предоставляется в специальном формате и доступна в свободном доступе в сети Интернет. Плотность существующей сети станций достаточно велика и позволяет осуществлять глобальный мониторинг ионосферы Земли. Системы GPS/TJIOHACC также дают возможность получать дополнительную информацию о состоянии атмосферы, по данным спутникового приема их навигационных сигналов. Такие методики активно развиваются в настоящее время. Одним из методов, основанных на спутниковом приеме сигналов этих систем, является радиозатменный или рефрактометрический метод, позволяющий получать данные о параметрах атмосферы в труднодоступных областях, в которых отсутствуют традиционные измерения. Получаемые при этом данные могут быть использованы для корректировки входных данных существующих региональных моделей атмосферы.

Цели работы. Моделирование восстановления глобальных распределений электронной концентрации в ионосфере по данным высокоорбитальных спутниковых навигационных систем, восстановления глобальных распределений электронной концентрации в ионосфере по реальным данным высокоорбитальных спутниковых навигационных систем а также изучению ионосферных эффектов солнечных вспышек по данным этих навигационных систем. Целью работы также является разработка и тестирование методов восстановления профилей метеопараметров из профилей показателя преломления, полученных рефрактометрическими методами.

Новизна результатов.

Впервые создан комплекс программ для решения прямой задачи моделирования восстановления глобальных пространственно-временных распределений электронной концентрации в ионосфере по данным высокоорбитальных навигационных систем для реальной геометрии спутников и приемников для выбранного дня и заданного модельного распределения электронной концентрации.

Предложен метод восстановления глобальной структуры поля электронной концентрации в ионосфере по фазовым данным высокоорбитальных навигационных систем в приближении модели толстого слоя. Проанализированы возможности восстановления параметров глобальных неоднородностей распределения электронной концентрации (экваториальной аномалии, главного ионосферного провала, суточного и широтного градиентов) в ионосфере, а также параметров ионосферы во время солнечных вспышек предложенным методом.

Предложен и реализован метод оценки интенсивности ионизирующего солнечного излучения во время вспышки по данным о скорости изменения ТЕС, полученным с помощью наземного приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем.

Предложен алгоритм использования данных об интегральном содержании водяного пара в столбе атмосферы в качестве априорной информации при восстановлении параметров атмосферы по данным о профилях показателя преломления, полученных в радиозатменных экспериментах.

Научная и практическая ценность работы.

Использование программного комплекса для решения прямой задачи моделирования восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере, разработанного в данной работе , позволит тестировать различные методы мониторинга ионосферы по данных фазовых измерений высокоорбитальных навигационных систем. Предложенный метод получения параметров распределения электронной концентрации позволит проводить непрерывное исследование и глобальный мониторинг ионосферы, расширение сети приемных станций приведет к увеличению точности получаемой информации. Предложенный метод получения информации об ионизирующем излучении Солнца во время вспышки по фазовым данным навигационных систем может давать дополнительную независимую информацию для изучения солнечных вспышек. Предложенный алгоритм использования априорной информации об интегральном содержании водяного пара при восстановлении метеопараметров из профиля показателя преломления расширяет спектр и возможности подобного рода алгоритмов.

Апробация работы и публикации.

Результаты работы докладывались на российских и международных конференциях: 2nd CHAMP Science meeting. Sep 1-4 2003. GFZ Potsdam, Special Symposium of the URSI Joint Working Group FG (Италия, Матера, 2003 г.), «Физические проблемы экологии» (Москва 2004 г.), Научная сессия, посвященная Дню радио (Москва 2005 г.), Научная конференция «Ломоносовские чтения» (Москва 2005 г.), XXI Всероссийская конференция по распространению радиоволн (Йошкар-Ола 2005 г.), X и XI Всероссийские школы-семинары «Волновые явления в неоднородных средах» (Звенигород 2006, 2007 гг.), XIII Internationa] symposium Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics (Томск 2006 г.), Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва 2007), Байкальская школа молодых ученых (Иркутск 2007), Asia Oceania Geophysical Society Meeting (Bangkok 2007), International Heliophysical Year 2007: New Insights in Solar-Terrestrial Physics (Zvenigorod 2007) По теме диссертации опубликовано 15 работ в отечественных и зарубежных изданиях.

Основные результаты и защищаемые положения:

1. Предложено модельное распределение электронной концентрации в ионосфере для тестирования методов оценки параметров ионосферы по данным наземного приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем.

2. Создано программное обеспечение, позволяющее решать прямую задачу моделирования восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере для реальной геометрии спутников и приемников и предложенного модельного распределения.

3. Предложен и реализован программно метод восстановления глобальных распределений вертикального ТЕС в ионосфере по фазоразностным данным системы GPS. На предложенном модельном распределении показана возможность восстановления разработанным методом параметров глобальных неоднородностей распределения (экваториальной аномалии, главного ионосферного провала), параметров локальных неоднородностей, внезапного увеличения ТЕС во время солнечных вспышек.

4. Проведены реконструкции параметров глобального распределения электронной концентрации в ионосфере по реальным данным наземного приема сигналов GPS в различные временные периоды.

5. Предложен и реализован метод оценки интенсивности ионизирующего солнечного излучения во время вспышки по данным о скорости изменения ТЕС, полученным с помощью наземного приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем. Проведены оценки для вспышек 28.10.2003 (Х17) и 04.11.2003 (Х28).

6. Реализован предложенный алгоритм использования данных об интегральном содержании водяного пара в столбе атмосферы в качестве априорной информации при восстановлении параметров атмосферы по данным о профилях показателя преломления, полученных в радиозатменных экспериментах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 113 страниц текста, 57 рисунков.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Падохин, Артем Михайлович

Заключение

В заключении приведем основные результаты, полученные в ходе работы над диссертацией:

1. Предложено модельное распределение электронной концентрации в ионосфере для тестирования методов оценки параметров ионосферы по данным наземного приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем. Это распределение построено в приближении толстого слоя постоянной толщины и качественно отражает широтный и суточный градиенты распределения электронной концентрации, такие глобальные неоднородности как экваториальная аномалия и главный ионосферный провал. Возможно введение локальных неоднородностей, волновых структур, а также задание внезапного' увеличения- электронной концентрации во время солнечных вспышек.

2. Создано программное обеспечение, позволяющее решать прямую задачу моделирования восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере для реальной геометрии всех спутников и приемников для выбранного дня и предложенного модельного распределения.

3. Предложен метод построения приближенных дискретных проекционных операторов задачи восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере по данным GPS, использующий приближение толстого слоя постоянной толщины для вертикальной составляющей разлагаемого поля и локальную интерполяцию полиномами Лагранжа первой или второй степени для представления пространственно-временной структуры разлагаемого поля на высоте максимума слоя. Предложен метод межитерационного сглаживания решения, для получения гладкого решения задачи. На основе предложенных методов реализован алгоритм восстановления глобального пространственно-временного распределения электронной концентрации в ионосфере по фазоразностным данным высокоорбитальных навигационных систем.

4. На предложенном модельном распределении электронной концентрации в ионосфере проведено компьютерное моделирование и показана возможность восстановления разработанным методом характерных особенностей распределения электронной концентрации в ионосфере: широтных и суточных градиентов, параметров экваториальной аномалии и ионосферного провала, локальных неоднородностей. Показана возможность восстановления разработанным методом внезапного увеличения среднего или суммарного по всей Земле значения ТЕС во время солнечных вспышек.

5. Проведены реконструкции глобального распределения электронной концентрации в ионосфере по реальным данным наземного приема сигналов GPS в различные временные периоды. Приведены реконструкции ионосферы для дня сильнейшей геомагнитной бури 30 октября 2003 года. Получены аномально высокие значения ТЕС порядка 220TECU в дневное время над Калифорнией. В тоже время значения ТЕС в верхних широтах над Аляской достигают значений характерных для дневной приэкваториальной ионосферы в невозмущенные периоды. Также приведены реконструкции области экваториальной аномалии для 20 октября 2003 года и главного ионосферного провала для 22 июля 2004 года. Проведенные сравнения данных реконструкций.с данными ионозондов показали' хорошее качество реконструкций.

6. Предложен метод оценки интенсивности ионизирующего солнечного излучения во время вспышки по данным о скорости изменения ТЕС, полученным с помощью наземного приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем. Исследована связь между внезапным увеличением ТЕС во время солнечной вспышки, зенитным углом Солнца данной точки наблюдения и потоками солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучения во время вспышки.

7. Реализован предложенный алгоритм использования данных об интегральном содержании водяного пара в столбе атмосферы в качестве априорной информации при восстановлении параметров атмосферы по данным о профилях показателя преломления, полученных в радиозатменных экспериментах.

В заключении выражаю глубокую признательность научному руководителю д.ф.-м.н. Куницыну В.Е. за постановку задачи и внимание к работе, а также сотрудникам кафедры физики атмосферы к.ф.-м.н. Андреевой Е.С., к.ф.-м.н. Назаренко М.О., к.ф.-м.н. Нестерову И.А., и к.ф.-м.н. Захарову В.И. за постоянный интерес и советы в процессе выполнения работы.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Падохин, Артем Михайлович, Москва

1. Ратклифф Дж. Введение в физику ионосферы и магнитосферы, М.: Мир, 1975.

2. Физика верхней атмосферы., под. ред. Ратклифа Дж., М.: Физ-мат. лит., 1963

3. Иванов-Холодный Г.С., Никольский Г.М., Солнце и ионосфера, М.: Наука, 1969.

4. Акасофу С.И., Чепмен С., Солнечно-земная физика, М.: Мир, 1975.

5. Митра А., Воздействие солнечных вспышек на ионосферу Земли, М.: Мир, 1977

6. Зверев В.Е. Синоптическая метеорология. //Гидрометеоиздат, Ленинград, 1977.

7. Хргиан А.Х. Физика атмосферы, т1,т2//Гидрометеоиздат, Ленинград, 1978.

8. Брюнелли Б.Е. Намгаладзе А.А. Физика ионосферы, М.: Наука, 1988.

9. Kunitsyn V.E., E.D.Tereshchenko. Ionospheric Tomography. Springer-Verlag. 2003.

10. Куницын B.E., Терещенко Е.Д., Андреева E.C. Радиотомография ионосферы, М. Наука, 2007

11. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Томография ионосферы, М. Наука, 1991

12. Яковлев О.И. Космическая радиофизика//РФФИ, Москва, 1998.

13. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П., GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Институт солнечно-земной физики, Иркутск, Изд-во ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМ, 2006.

14. NAVSTAR GPS. Interface Control Document. 1991.

15. Global Positioning System Standard Positioning Service Signal Specification. 2nd Edition, 1995, June 2

16. M.S. Grewal, L.R. Weill, A.P. Andrews, Global positioning system, Inertial navigation, and Integration, John Wiley & Sons, 2001.

17. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. —М.: 1995.

18. Н.М.Волков, Н.Е.Иванов, В.А.Салищев, В.В.Тюбалин, Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС // Успехи современной радиоэлектроники №1, 1997 г

19. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред.

20. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998

21. Austen J., Frake s., Liu С. Ionospheric imaging using computerized tomography // Radio Science, 23, p.299, 1988

22. Афраимович Э.Л., Пирог O.M., Терехов А.И. Диагностика крупномасштабных структур высокоширотной ионосферы на основе томографической обработки сигналов навигационных ИСЗ и данных ионосферных станций. // Препр. Сиб. ИЗМИР №18-89 стр 1-12,1989

23. Kunitsyn V.E., Tereshchenko E.D. et al. Phase and phase-difference ionospheric radio tomography, Int// J. Imaging Syst. Technol. 1994. 5. P. 128-140.

24. Куницын B.E, Терещенко Е.Д., Андреева E.C. и др. Радиотомография глобальных ионосферных структур. // Препр. ПГИ №90-10-78 стр. 1-30, 1990

25. E.S. Andreeva, V.E. Kunitsyn and E.D. Tereshchenko, Phase difference tomography of the ionosphere // Ann. Geophys. 10, p. 849,1992

26. Андреева E.C., Куницын B.E., Терещенко Е.Д. и др. Томографическая реконструкция провала ионизации околоземной плазмы // Письма в ЖЭТФ. 1990. Т.52, С.145-148.

27. Pryse, S.E., Kersley, L.,. A preliminary experimental test of ionospheric tomography. // Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics 54, p. 1007, 1992.

28. Kersley, L., Heaton J.A.T,, Pryse, S.E., Raymund T. // Ann. Geophys. 11, p 1064, 1993

29. Foster J. C., Kunitsyn V.E., Tereshchenko E.D. et al. Russian-American tomography experiment. // Int. J. Imaging Syst. Technol. V.5. P. 148-159. 1994.

30. Andreeva E. S., Franke J.S., Yeh K.C., Kunitsyn V.E. Some features of the equatorial anomaly revealed by ionospheric tomography // Geophys. Res., Lett. 2000.V.27, P. 2465-2468.

31. Yeh K.C., Franke S J., Andreeva E.S., Kunitsyn V.E. An investigation of motions of the equatorial anomaly // Geophys. Res., Lett. 2001. V.28. P. 4517-4520.

32. Franke S.J., Yeh K.C., Andreeva E.S., Kunitsyn V.E. study of the equatorial anomaly ionosphere using tomographic images. // Radio Sci. 2003. V.38. Nol. P. 111 1112.

33. Kunitsyn V.E., Andreeva E.S., Franke S J., Yeh K.C. Tomographic investigations of temporal variations of the ionospheric electron density and the implied fluxes .// Geophys. Res. Lett. 2003. V.30, No.16, 1851

34. E. Yizengaw, M.B. Moldwin, P.L. Dyson, E.A. Essex, Using tomography of GPS TEC to routinely determine ionospheric average electron density profiles // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 69, 314-321, 2007

35. Mannucci A.J. Wilson B.D. et al. A global mapping technique for GPS-derived ionospheric TEC measurements // Radio Sci., V.33(3), P.565-582, 1998.

36. IONEX: The IONosphere Map Exchange Format Version 1 Stefan Schaer, Werner Gurtner Astronomical Institute, University of Berne, Switzerland

37. Яковлев О.И. Радиозатменный метод контроля атмосферы и ионосферы. // Труды XI всероссийской школы-конференции по дифракции и распространению волн стр. 171-181, Москва 1998

38. E.R. Kursinski, G.A Hajj, J.T Schofield, R.P Linfield, and K.R. Hardy. Observing Earth's atmosphere with radio occulation using the Global Positioning System // Journal of Geophysical Research, Vol 102, No D19, Pages 23,429-23,465, october 20,1997.

39. M.E. Gorbunov and A.S. Gurvich. Remote sensing of the atmosphere using a system of synchronously orbiting satellites. // Radio Science Vol 28 Num 4 Pages 595-602 July-August 1993.

40. E. R. Kursinski, G. A. Hajj, S. S. Leroy, B. Herman. The GPS radio occultation technique. //TAO, Vol. 11, No.l, 53-114, March 2000.

41. Захаров В.И., Куницын B.E. Моделирование влияния ионосферы и протоносферы на точность восстановления параметров атмосферы методом радиопросвечивания // Вестник МГУ, Физика и Астрономия. №4, стр. 45, 1998

42. Захаров В.И., Куницын В.Е. Влияние многолучевого распространения на точность восстановления профилей параметров сред в радиозатменных экспериментах // Вестник МГУ, Физика и Астрономия. №4, стр. 42,1999

43. Gorbunov M.E. Radio holographic methods for processing radio occultation data in multipath regions // DMI report № 01-02, Danish Meteorological Institute, 2001

44. Lindal G., Wood G., Levy G. et al. // J. Geophys. Res., 92(A13), p. 8721, 1981

45. Tyler G., Eshleman V., Anderson I., // Science, 212(4491) p. 201, 1981

46. Berbeneva N., Kunitsyn V., Razinkov O., Zakharov V. // Phys. Chem. Earth (A),26(3), p. 131,2001

47. Андреева E.C., Бербенева H.A., Куннцын B.E., Радиотомография с применением квазикасательного радиозондирования на трассах спутник-спутник. // Геомагнетизм и аэрономия, Т.39 №6, стр. 109-114, 1999

48. Андреева Е.С., Бербенева Н.А., Захаров В.И., Куницын В.Е., Радиотомографический и радиозатменный методы исследования ионосферы. // Радиотехника и электроника, Т.1 №1, стр. 74-80, 2000

49. Martyn, D. F., Atmospheric tides in the ionosphere. I. Solar tides in the F2 region // Proc. R: Soc. London, A189, 241-260, 1947.

50. Hanson W.B:, Moffett R.J., Ionization transport effects in the equatorial F-region // Ibid., vol. 71, № 23, p 5559-5572, 1966.

51. Knudsen W.C., Magnetospheric convection and the high-latitude ionosphere // J. Geophys. Res. Vol. 79, №7, p. 1046-1055, 1974

52. C. Reigber, H. Luhr, P. Schwintzer. Announcement of opportunity for CHAMP. // GeoForschungsZentrum Potsdam (http://op.gfz-potsdam.de/champ/) May 28. 2001.

53. J. Wickert; G. Beyerle, G.A. Hajj, V. Schwieger, C. Reigber. GPS radio occultation with CHAMP: Atmospheric profiling utilizing the space-based single difference technique. // GeoForschungsZentrum Potsdam (http://op.gfz-potsdam.de/champ/).

54. Mendillo M., Klobuchar J.A. et al. // J.Geophys. Res., v. 79,665, 1974

55. W. Wan, L.Liu et al. The GPS measured SITEC caused by very intense solar flare on July 14,2000 // Advances in space research, v 36, p2465, 2005

56. Tsurutani, В. Т., et al., The October 28, 2003 extreme EUV solar, flare and resultant extreme ionospheric effects: Comparison to other Halloween events and the Bastille Day event // Geophys. Res. Lett., 32, L03S09, 2005

57. J. Y. Liu, С. H. Lin et al., Solar flare signatures of the ionospheric GPS total electron content // Journal of Geophys. Res., Ill, A05308, 2006

58. J. Y. Liu, С. H. Lin et al, Ionospheric solar flare effects monitored by the ground-based GPS receivers: Theory and observation // Journal of Geophys. Res, 109, A01307, 2004

59. E. L. Afraimovich, E. A. Kosogorov, and L. A. Leonovich, The use of the international GPS network as the global detector (GLOBDET) simultaneously observing sudden ionospheric disturbances // Earth Planets Space, 52, 1077—1082, 2000

60. JI.A. Леонович, Е.Б. Романова, A.B. Тащилин, В.Г. Ковтуненко, Моделирование ионосферного эффекта солнечной вспышки 23 сентября 1998 г. // Солнечно-земная физика. Вып. 8,стр. 135-139, 2005

61. J.H. Christensen, О.В. Christensen, P. Lopez, Е. Van Meijgaard, М. Botzek, The H3RHAM 4 regional atmospheric climate model. Report under EU grand EV%V-CT94-0505 and EV5V-CT94-0507. // Danish Meteorol. Inst., 1994.

62. Захаров В.И., Куницын В.Е., Падохин A.M., Возможности рефрактометрии атмосферы при наличии априорной метеорологической информации. II Сборник докладов конференции «Ломоносовские чтения. Секция физики»,стр. 114 апрель 2005 г.

63. Куницын В.Е., Захаров В.И., Зиенко А.С., Падохин A.M., Леонтьева Е. А. Сравнение погрешностей контактного и радиозатменного методов определения метеопараметров. // Электромагнитные волны и электронные системы №8 т. 12, стр. 41-46, 2007

64. Куницын В.Е., Падохин А.М, Определение интенсивности ионизирующего излучения солнечных вспышек по данным навигационных систем GPS/ГЛОНАСС, // Вестник МГУ Физика и Астрономия, №5 стр. 68-71, 2007

65. Куницын В.Е., Падохин А.М, Ионосферные эффекты солнечных вспышек по данным навигационных систем GPS/ГЛОНАСС // Труды XI Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах, секция 6», стр.22-24, Звенигород, май 2007.

66. Падохин A.M., Моделирование возможности восстановления глобального распределения ТЕС томографическими методами по даннымвысокоорбитальных GNSS // .Сборник тезисов конференции «Ломоносов 2007. Секция физики», стр. 51-53, 2007.

67. V.E. Kunitsyn, E.S. Andreeva, I.A. Nesterov and A.M. Padokhin. Study of Solar Radiation Impact on the Ionosphere by Radiotomography Technique // Book of Abstracts Asia Oceania Geophysical Society Meeting, paper ST09-A0006, Bangkok, 2007