Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Радиопросвечивание атмосферы Земли с целью определения параметров атмосферных движений

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Чукин, Владимир Владимирович

Ведение.

1. Распространение радиоизлучения в атмосфере Земли.

1.1. Пространственное распределение коэффициента преломления радиоволн атмосферы.

1.1.1. Коэффициент преломления ионосферы.

1.1.2. Коэффициент преломления тропосферы и стратосферы.

1.2. Неоднородности коэффициента преломления атмосферы.

1.2.1. Неоднородности коэффициента преломления ионосферы.

1.2.2. Неоднородности коэффициента преломления тропосферы и стратосферы.

1.2.2.1. Слоистообразные неоднородности коэффициента преломления.

1.2.2.2. Турбулентные неоднородности коэффициента преломления.

1.3. Рассеяние радиоизлучения при радиопросвечивании атмосферы Земли.

1.4. Поглощение радиоизлучения при радиопросвечивании атмосферы Земли.

1.4.1. Поглощение радиоизлучения в ионосфере.

1.4.2. Поглощение радиоизлучения в тропосфере и стратосфере.

Выводы по первой главе.

2. Источники радиоизлучения при радиопросвечивании атмосферы Земли.

2.1. Фоновое радиоизлучение Галактики.

2.1.1. Спектр фонового радиоизлучения Галактики.

2.1.2. Поглощение фонового радиоизлучения Галактики в межзвездной и межпланетной среде.

2.2. Дискретные источники радиоизлучения.

Выводы по второй главе.

3. Теоретические и экспериментальные исследования по дистанционному определению параметров атмосферных движений методом радиопросвечивания атмосферы.

3.1. Теоретические исследования по применению разнесенного в пространстве приема радиоизлучения для дистанционного определения параметров атмосферных движений

3.2. Экспериментальные исследования по дистанционному определению параметров атмосферных движений.

3.2.1. Аппаратура и методика проведения эксперимента по регистрации "несобственного" радиоизлучения атмосферы.

3.2.2. Методика анализа экспериментальных данных, полученных при регистрации "несобственного" радиоизлучения атмосферы.

3.2.3. Анализ экспериментальных данных с целью определения параметров атмосферных движений.

Выводы по третьей главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Радиопросвечивание атмосферы Земли с целью определения параметров атмосферных движений"

Поиск новых методов дистанционного зондирования атмосферы Земли определяется современными требованиями к системам зондирования. К ним в первую очередь следует отнести: доступность, надежность, простоту и экономичность эксплуатации. Применительно к системе дистанционного определения параметров воздушных движений эти требования могут быть учтены путем: использования естественного радиоизлучения в качестве зондирующего (применение только приемной аппаратуры), регистрации радиоизлучения в диапазоне метровых длин волн (значительно упрощается приемная аппаратура), использования микропроцессорной техники при записи и обработке данных измерений (полная автоматизация процесса и отсутствие расходных материалов).

Настоящая работа посвящена разработке метода дистанционного определения параметров атмосферных движений на основе анализа влияния атмосферы на распространение радиоволн (в частности рассеяния радиоволн на неоднородностях коэффициента преломления атмосферы), рассмотрения основных параметров источников естественного радиоизлучения и разработки методов анализа регистрируемого радиоизлучения.

Метод радиопросвечивания был впервые применен к атмосферам планет Солнечной системы /1/. Затем, разработанная методика была применена при радиопросвечивании атмосферы Земли с целью восстановления вертикальных профилей температуры, влажности и давления /2, 3, 4/. Применение радиопросвечивания для определения скорости и направления ветра в ионосфере обсуждается в работе /5/, где показано, что в результате рассеяния на неоднородностях коэффициента преломления, обусловленных флуктуациями электронной концентрации, формируется рассеянное радиоизлучение, несущее информацию о поле ветра в ионосфере. Исследования, выполненные при изучении дальнего тропосферного распространения радиоволн (ДТР) УКВ диапазона за счет рассеяния на неоднородностях коэффициента преломления в тропосфере, рассмотренные в работах Б. А. Введенского, О. И. Яковлева, Н. А. Арманда и В. Н. Троицкого /6, 1, 7, 8/, а также /9/, показали возможность определения составляющей скорости ветра, перпендикулярной к направлению распространения радиоволн, в предположении точечного источника радиоизлучения. Теоретические вопросы рассеяния на неоднородностях коэффициента преломления и теория турбулентности изложены в работах А. Н. Колмогорова, А. М. Обухова, В. И. Татарского, А. С. Монина, А. М. Яглома, М. П. Долуханова, Ф.Б.Черного, Л. Я. Казакова, А.Н.Ломакина, Ю.А.Кравцова /10, 11, 12, 13, 14, 15, 16/. Специальных работ, посвященных определению ветра в тропосфере по наблюдениям рассеяния естественного радиоизлучения, в частности фонового радиоизлучения Галактики, автору не известны. Поэтому было определено именно это направление исследования.

В процессе работы над диссертацией необходимо решить следующие задачи: систематизировать данные о строении радиоатмосферы, рассмотреть характеристики основных источников естественного радиоизлучения, обобщить аналитическую модель рассеяния на неоднородностях коэффициента преломления на случай пространственно-разнесенного приема радиоизлучения от пространственно-распределенного источника, провести серию экспериментов по регистрации рассеянного радиоизлучения, осуществить анализ полученных данных.

В первой главе рассматривается строение атмосферы Земли с точки зрения влияния на распространение радиоволн. Подробно анализируется явление рассеяния радиоволн на неоднородностях коэффициента преломления атмосферы и поглощение радиоизлучения на различных частотах.

Во второй главе приводятся сведения о источниках естественного радиоизлучения, которые могут быть использованы в качестве зондирующего радиоизлучения.

В третьей главе рассматриваются теоретические вопросы дистанционного определения параметров атмосферных движений, основанные на регистрации радиоизлучения, рассеянного на неоднородностях коэффициента преломления, разнесенными в пространстве приемными антеннами и результаты экспериментальных исследований.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Чукин, Владимир Владимирович

Выводы по первой главе

Коэффициент преломления радиоволн в тропосфере больше единицы и сильно зависит от метеопараметров атмосферы. С увеличением высоты коэффициент преломления радиоволн уменьшается и в стратосфере уже мало отличается от единицы. В верхней

56 стратосфере, в слое I) ионосферы, коэффициент преломления становится меньше единицы и достигает минимума на высоте максимальной ионизации слоя F2.

Неоднородности коэффициента преломления в слое от земной поверхности до высоты 5-6 км в основном обусловлены флуктуациями влажности воздуха, а выше этого слоя, до высоты 24-27 км — флуктуациями температуры. На высотах расположения ионосферы неоднородности коэффициента преломления обусловлены флуктуациями электронной концентрации, наиболее интенсивными в слое от 200 до 600 км.

Радиоизлучение испытывает рассеяние на неоднородностях коэффициента преломления. Поскольку- неоднородности перемещаются со скоростью ветра, то рассеянное радиоизлучение несет в себе информацию о поле ветра в атмосфере. Естественные источники радиоизлучения, которые могут быть использованы в качестве зондирующих (первичных) излучений рассматриваются во второй главе.

При углах места антенны Д, > 5° полное поглощение, при прохождении радиоволн через атмосферу Земли, в диапазоне частот от 100 до 1000 МГц не превышает 1 дБ, что позволяет осуществлять уверенный прием излучения внеземных радиоисточников в данном диапазоне частот при любых условиях погоды и любом состоянии ионосферы.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Чукин, Владимир Владимирович, Санкт-Петербург

1.1. Фоновое радиоизлучение Галактики

2. Фоновое радиоизлучение Галактики было впервые обнаружено инженером американской фирмы "Белл" Карлом Янским в декабре 1931 года во время исследования атмосферных помех, возникающих при грозовых разрядах.

3. В 1946 году Хей, Филлипс и Парсонс в Англии исследовали распределение интенсивности радиоизлучения Галактики на частоте 64 МГц (>.=4,7 м) /107/. Ими были построены карты распределения интенсивности излучения в области галактических широт от -30° до 60°.

4. Сандер дал оценку яркостной температуры на частоте 60 МГц в направлении галактического экватора и галактического полюса, которые соответственно составили 10000 К и 1800 К/108/.

5. В результате наблюдений Моксона в 1946 году на частотах 40 МГц (Х=7,5 м), 90 МГц (А,=3,3 м) и 200 МГц (А,=1,5 м) максимальная антенная температура оказалась равной 350 К на частоте 200 МГц и 25000 К на частоте 40 МГц /109/.

6. Как видно из рис. 2.2, интенсивность излучения на частоте 200 МГц существенно ниже, чем на частоте 100 МГц. На карте видны максимумы в области галактического центра и антицентра.21.1. Спектр фонового радиоизлучения Галактики

7. Распределение интенсивности радиоизлучения Галактики на частоте 200 МГц поданным Аллена и Гама /111/1. Гамктжшя дшот

8. Зависимость яркостиой температуры от частоты излучения для разных областей неба112/1- зависимость для области галактического центра;- зависимость для области галактического экватора и "холодной" области неба.