Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Спутниковое радиозондирование ионосферы из окрестности главного максимума концентрации электронов
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы
Автореферат диссертации по теме "Спутниковое радиозондирование ионосферы из окрестности главного максимума концентрации электронов"
На правах рукописи
Котонаева Надежда Геннадьевна
СПУТНИКОВОЕ РАДИОЗОНДИРОВАНИЕ ИОНОСФЕРЫ ИЗ ОКРЕСТНОСТИ ГЛАВНОГО МАКСИМУМА КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ
Специальность 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
2 4 ОКТ 2013
005535646
Москва-2013
005535646
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении «Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова» (ФГБУ «ИПГ»)
Научный Данплкпн Николай Петрович - доктор физико-
консультант: математических наук, профессор, заведующий лабораторией ФГБУ «ИПГ»
Официальные Туликов Георгий Филиппович — доктор фнзико-оппоиенты: математических наук, заведующий отделом ФГБУ «ИПГ»
Афанасьев Николай Тихонович — доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры радиофизики ФГБОУ ВПО "Иркутский государственный университет"
Шустов Эфнр Иванович - доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники, главный научный сотрудник Научно-исследовательского института дальней радиосвязи (ОАО НПК НИИДАР)
Ведущая организация:
ФГБУН «ИЗМИРАН»
Защита диссертации состоится «4» декабря 2013 в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 327.008.01 в Институте прикладной геофизики имени ак. Е. К. Федорова по адресу: 129128, г. Москва. Ростокннская ул., Д. 9.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной геофизики имени академика Е. К. Федорова
Автореферат разослан « с? ¿^-£^2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 327.008.01
кандидат физико-математических наук /V __E.H. Хотенко
J (QXtO^-Z/^
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований, проведенных в диссертационной работе, обусловлена необходимостью и возможностью расширения потенциала метода вертикального радиозондирования ионосферы со спутников как за счет изменения высоты расположения ионозонда, так и за счет разработки новых методов интерпретации и обработки понограмм п их последовательностей.
Метод вертикального радиозондирования ионосферы с наземных п бортовых ионосферных станций является одним из основных методов контроля ионосферы. В настоящее время он не только не утратил своего ведущего положения в системе методов диагностики состояния ионосферы, но и явился значимой частью создаваемой п воссоздаваемой системы оперативного мониторинга геофизической обстановки над территорией Российской Федерашш. Основная задача системы мониторинга - проведение наблюдений за состоянием атмосферы, ионосферы и околоземного космического пространства с целью обеспечения заинтересованных федеральных органов исполнительной власти и организаций текущей, прогнозной и экстренной информацией о геофизической обстановке. Полноценный мониторинг геофизической обстановки невозможен без использования широкого комплекса космических наблюдательных средств. Цель создания космического сегмента системы мониторинга геофизической обстановки -получение регулярной информации о состоянии параметров околоземной космической среды бортовыми средствами в спокойный период и в условиях возмущений природного и антропогенного характера. Для реализации указанной цели космический сегмент должен измерять физические характеристики окружающей среды, контролировать ее структуру, определять изменения параметров происходящих процессов н прогнозировать направление их развития.
Настоящее исследование представляет развитие метода вертикатьного радиозондирования в свете уменьшения высоты орбиты искусственного спутника Земли (ИСЗ) с ионозондом на борту до высот вблизи и ниже максимума электронной концентрации. Высота проведения экспериментов с ИСЗ по вертикальному радиозондированию ионосферы, а тем более спутникового мониторинга состояния ионосферы исторически обусловливалась разными фактами, как физической составляющей самого эксперимента, так и физическими и экономическими условиями запуска и поддержания на орбите ИСЗ. Об оптималь-
3
ной орбите спутника с ионозондом на борту до настоящего времени ведутся дискуссии. При этом без сомнения принимается то, что при исследовании ионосферы высоты в окрестности максимума концентрации электронов наиболее интересны с точки зрения практического использования данных для распространения радиоволн.
Поэтому работа, содержащая комплексный анализ результатов спутникового радиозондирования ионосферы с высот вблизи высоты главного максимума электронной концентрации (h,rF2), которое дополняет и развивает систему методов радиозондирования на область высот ранее неиспользуемую и приносит неизвестные ранее и полезные для науки и практического применения сведения, является актуальной.
Степень разработанности проблемы
Впервые исследования внешней ионосферы в планетарном масштабе были проведены на ионозонде на ИСЗ - «AIouette-1», который начал работу в 1962 году. С его помощью были проведены синоптические исследования внешней ионосферы в пределах полного цикла солнечной активности. «AIouette-1» был запушен перед минимумом солнечной активности и имел почти круговую орбиту с высотой около 1000 км. Основное назначенне этого бортового ионозонда сводилось к исследованию ионосферы на высотах больших k„F2. Эти измерения создали основу для теоретического осмысливания наблюдаемых явлений.
С тех пор иелая серия спутниковых ионозондов - «Alouette-2». «ISIS-1-2», «Explorer -XX», «ISS-1,-2». «Интеркосмос-19». «Космос -1809» и др. - принесла огромное количество сведений о морфологии земной ионосферы, позволила оперативно строить планетарные карты основных ионосферных характеристик, которые являются одним из наиболее существенных моментов контроля и прогноза состояния ионосферы.
При этом ИСЗ «Alouette-1». «ISS -1,-2» имели полярные или близкие к ним орбиты. «Космос-1809» и «ISIS-2» летали на аналогичных орбитах с высотой 900 км и 1400 км соответственно. Орбиты спутников «Alouette-2». «ISIS-1 », «Интеркосмос-19» были эллиптическими: 500-3000 км. 570-3550 км н 500-1000 км, соответственно. Ни один из спутников с ионозондамн на борту систематически не опускался ниже высоты максимума слоя F2. В последние годы появились интересные публикации о том. что ИСЗ «Интеркосмос-19» в отдельные
4
моменты в области ярко выраженной экваториальной аномалии мог опускаться ниже высоты Ь^П.
Вертикальное зондирование с борта космических аппаратов (КА) на первых порах не позволяло контролировать структуру ионосферы ниже высоты ее главного максимума, т. е. именно тон области ионосферы, данные о которой наиболее необходимы для решения практических задач, связанных с распространением радиоволн.
В эксперименте на ИСЗ «Интеркосмос-19» были реализованы идеи тран-споносферного зондирования. Результаты этого исследования показали возможность получать информацию о структуре ионосферы вблизи максимума слоя ¥2 на основе просвечивания ионосферы насквозь вблизи границы её ра-днопрозрачности. Была высказана гипотеза о том. что информацию об основных параметрах области Б2 (критической частоте ионосферы - /0Г2 п высоте максимума концентрации электронов - ЬтР1) можно получать, располагая ноно-зонд на любых высотах ионосферы, включая высоту её максимума плотности электронов.
Эксперимент, проведенный с использованием нонозонда, установленного на орбитальном комплексе (ОК) «Мир», летавшем на высотах 340 - 400 км, стал первым в мире экспериментом по радиозондированию ионосферы со столь низких высот. Эти высоты сравнимы с 1>„,Г2, и, следовательно, ОК «Мир» в процессе движения по орбите менял свое положение относительно максимума концентрации электронов в ионосфере, пересекал его и определенное время находился ниже максимума. Цифровые данные по радиозондированию с ОК «Мир» были получены в августе 1999 года после возвращения их на Землю космонавтами. Первоначальный анализ этих данных сразу показал необходимость их глубокого изучения для выяснения основного вопроса - является ли радиозондирование с этих высот столь же эффективным средством исследования ионосферы, как и зондирование с высоты 1000 км, а также какие оно дает новые возможности и перспективы. Ранее подобных работ, основанных на экспериментальном материале, не проводилось.
Целью настоящей диссертационной работы является развитие теории и практики непрерывной диагностики состояния ионосферы вдоль орбиты ИСЗ,
предназначенной как для научных исследований, так п для решения задач оперативного контроля геофизической обстановки, посредством радиозондирования ионосферы со спутников на сверхнизких орбитах.
Реализация поставленной цели достигается на основе решения следующих задач:
- обоснование целесообразности применения радиозондирования со спутников с высотой орбиты, сравнимой с высотой главного максимума концентрации электронов ионосферы, для обеспечения непрерывного исследования высотного распределения электронной концентрации ионосферы вдоль орбиты ИСЗ;
- морфологический анализ и классификация экспериментального материала, полученного в результате радиозондирования ионосферы с ОК «Мир»:
- разработка алгоритмов расчета характеристик многочастотного распространения радиоволн, в частности, частотных зависимостей действующих дальностей траекторий, возвращающихся на спутник;
- апробация программ реконструкции пространственных распределений электронной концентрации ионосферы Земли по результатам спутникового радиозондирования с ОК «Мир»;
- разработка новых типовых методов обработки нестандартных нонограмм с дополнительными следами отражений и их последовательностей, интерпретация и обоснование причин их появления:
- разработка методов восстановления профилей электронной концентрации по следам трех компонент магннторасщепленного сигнала в окрестности максимума электронной плотности;
- разработка рекомендаций для практической реализации данных радиозондирования с низкоорбитальных спутников и станций наземного зондирования для их локальной экстраполяции в районах, прилежащих к местам проведения экспериментов на основании соотношений планетарного распределения электронной плотности, заложенных в международную эмпирическую модель ионосферы.
Объект исследования - спутниковое радиозондирование ионосферы пч окрестности главного максимума концентрации электронов.
Предмет исследования - нонограммы спутникового радиозондирования ионосферы из окрестности главного максимума, как средство определения электронной пространственной структуры ионосферы.
6
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Эмпирической основой для решения поставленных задач стали результаты натурного эксперимента по спутниковому радиозондированию ионосферы с использованием ионозонда ионосферной станции АИ-804, установленного на ОК «Мир» с высотой орбиты близкой к 350 км. Для анализа использовались экспериментальные понограммы в цифровой записи, полученные с ОК «Мир», результаты наземного радиозондирования, использованные для сравнения со спутниковым экспериментом, результаты томографического исследования ионосферных разрезов по данным сигналов спутников системы NN58 в цепочке ионосферных станций Италии, карты полного электронного содержания по данным Мирового Центра Данных (\\ЮС). Кроме этого использовалась эмпирическая модель ионосферы 1Ы-2001. Методологической основой для математического моделирования н интерпретации результатов эксперимента явились современные методы вычислительного эксперимента при задании характеристик ионосферы на основе коррекции международной модели с внесением внутренних горизонтальных возмущений электронной плотности. Решение задач осуществлялось с использованием апробированных .методов теории распространения радиоволн в ионосфере, методов математического анализа, математической физики, математической статистики. Теоретической основой диссертации стали работы по ионосфере и распространению радиоволн Я. Л. Аль-перта, Ф. Б. Черного, К. Девиса, Г. Байнона, Дж. А. Ратклиффта. А. А. Намга-ладзе, М. П. Долуханова и др., работы А. Н. Тихонова по обоснованию метода математического моделирования, работы Н. П. Данилкнна, П. Ф. Денисенко, О. А. Мальцевой, И. И. Иванова по определению пространственных и временных характеристик ионосферы по данным наземного, спутникового п трансноно-сферного радиозондирования, работы Дж. Титериджа по методам расчета зависимостей электронной концентрации ионосферы от высоты, работы М. Д. Флигеля по анализу сложных понограмм траекторными методами, работы Д.С. Лукина, Ю. А. Кравцова. Ю. И. Орлова, Р. С. Лоуренса, Д. Дж. Пасаконн по методам расчета траекторий распространения радиолуча в ионосфере п др. Обработка понограмм осуществлялась в соответствии с рекомендациями международного Радносоюза, изложенными в «Руководстве 1Ж51 по интерпретации II обработке понограмм», а также индивидуальными рекомендациями, выданны-
7
ми по данному эксперименту Филом Вилкинсоном главным редактором специального бюллетеня по обработке, публикации н анализу новых понограмм.
Достоверность и обоснованность результатов н выводов диссертационной работы определяется использованием адекватного математического аппарата, согласованностью результатов вычислительных экспериментов с результатами натурных исследований и результатами теоретического анализа, соответствием полученных экспериментальных данных с данными других исследовании, а также выводами других авторов.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Установлена эффективность метода радиозондирования с высот близких к 350 км в определении основных параметров ионосферы, состоящая в том, что данный метод позволяет вычислять высоту расположения максимума ионосферы и величину концентрации электронов в нем не менее уверенно, а во многих случаях п с меньшей погрешностью, чем радиозондирование с других высот, а так же в том, что полученные данные по критической частоте слоя F2 могут быть использованы не только в точках зондирования, но и экстраполированы на области в окрестности орбиты ИСЗ.
2. Предложено объяснение ионограмм с задержанными нижними следами с высот ниже главного максимума ионосферы, и разработан метод обработки отдельных ионограмм и их последовательностей. Объяснение состоит в том, что наличие на ионограммах задержанных нижних следов (ЗНС) с большими групповыми задержками вызывается накпонным распространением радиоволн многих частот с отражением от Земли и возвращением на ИСЗ вследствие рефракции на резких горизонтальных градиентах концентрации электронов. Статистически показано, что появление таких монограмм свойственно районам склонов гребней экваториальной аномалии даже при спокойной геомагнитной и геодп-нямпчеекоп обстановке.
3. Доказана возможность существования критической частоты :-компоненты магннтораацепленного сигнала при радиозондировании из окрестности максимума концентрации электронов ионосферы и возможность использования следа z-моды при расчете вертикальных профилен концентрации.
4. Выявлена способность метода радиозондирования с высот близких к 350 км регистрировать крупномасштабные неоднородности ионосферы Земли в
8
окрестности орбиты, состоящая в появлении аномальных следов на понограм-мах при прохождении ИСЗ вблизи ионосферных неоднородностей различного происхождения.
5. Высказана гипотеза о возможности образования области повышенной электронной плотности весной в полуночные часы в районах экваториальной аномалин. Предположение состоит в том, что весной в полуночные часы в восточном полушарии на широтах ~30 - 35° N наблюдается резкий рост плазменной частоты, сменяющийся повышением высоты максимума концентрации электронов и появлением ЗНС на нонограммах, что свидетельствует о существовании крупномасштабной области повышенной электронной плотности.
Научная новизна результатов исследования:
- впервые обоснована практическая целесообразность применения низкоорбитальных спутников в космическом сегменте системы исследования ионосферы, отличающаяся тем, что нпзкоорбитальные КА могут с одной стороны выполнять функцию пополнения базы данных главных параметров ионосферы, создаваемой различными сегментами структуры ионосферного мониторинга, а с другой стороны быть средством для обнаружения резких горизонтальных градиентов концентрации электронов:
- на основе морфологического анализа н классификации результатов радиозондирования с ОК «Мир» установлены новые частотно-высотные характеристики ионосферы, которые определяются по ионограммам спутникового радно-зондирования (действующая дальность ЗНС на наибольшей частоте его существования, критическая частота 2-моды и новое взаимное расположение частоты отсечки о-компоненты и наименьшей частоты отражения от Земли):
- впервые было обнаружено новое физическое явление, которое состоит в том, что радиозондирование с высот ннже максимума ионосферы в районе экваториальной аномалии приводит к образованию ранее неизвестного тракта наклонного распространения радиоволн в широком диапазоне частот с возвращением на ИСЗ:
- впервые было показано, что это явление находит отражение на спутниковых нонограммах в виде ранее неизвестного следа характерной формы, отличающегося непрерывностью и большими монотонными возрастающими по частоте
qjynnoBbiMii задержками. След получил название «задержанный нижний след» (ЗНС), в англоязычной литературе - (RLT) (INAG Bulletin 2003);
- впервые построено крупномасштабное неоднородное распределение электронной плотности, вызывающих появление траекторий радиосигнала, возвращающихся на спутник при наклонном распространении, получены оценки градиентов электронной концентрации;
- впервые выявлена и проанализирована последовательность ионограмм, полученных «изнутри» области искусственного ионосферного возмущения, возникшего в результате выброса большого количества химических реагентов в области пролета ОК «Мир», получены оценки размеров возмущения и оценки градиента падения электронной концентрации;
- разработаны алгоритмы и апробированы программные средства, предназначенные для определения горизонтального распределения электронной концентрации ионосферы Земли по данным радиозондирования с низколетящих спутников в случае наличия дополнительных следов на понограммах, отличающиеся тем, что позволяют рассчитывать полный комплекс траекторий радиолучей, распространяющихся от передатчика нонозонда в неоднородной ионосфере и возвращающихся обратно в точку излучения;
- впервые были обнаружены следы z-компоненты, достигающие максимума ионосферы, даны теоретические оценки интервала высот, в которых след z-компоненты достигает высоты максимума, обоснована и доказана возможность использования z-моды для расчета Ке(11)-профилей. и проведены соответствующие расчеты, показавшие возможность использования следа z-компоненты наравне со следами о- и х-компонент.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость результатов исследования характеризуется:
- обоснованием нового метода спутникового радиозондирования, получившего в литературе название метода внутреннего спутникового радиозондирования:
- выдвинутыми автором аргументами, подтверждающими гипотезу о возникновении особого тракта распространения в ионосфере радиоволн многнх частот, возвращающихся в точку излучения горизонтальными градиентами электронной плотности:
- высказанной гипотезой о существовании области повышенной электронной плотности в районах экваториальной аномалии в полуночные часы в весенний период.
- раскрытием существенных проявлении теории г-волны, объясняющих возможность определения критической частоты ионосферы;
- выделением новой проблемы, подлежащей последующему исследованию, заключающейся в том, что радиозондирование с высоты максимума позволяет изучать неоднородности ионосферы новым способом.
Практическая значимость результатов исследования определяется:
- проделанным в работе анализом экспериментального материала, разработанными методами и проведенными численными исследованиями, которыми было показано, что радиозондирование с низких высот, обладает в большинстве случаев не меньшими возможностями, чем радиозондирование с высоты 1000 км. Тем самым было экспериментально подтверждено, что радиозондирование с целью определения основных параметров ионосферы можно проводить практически с любой высоты расположения КА, что имеет важное практическое значение для организации космического сегмента Ионосферной службы;
- исследованием, ранее неизвестного механизма возвращения радиолучей обратно на ИСЗ при наличии ионосферных неоднородностей и построением модели распространения соответствующего многочастотного сигнала. Разработанные модели возвращаемого на ИСЗ многочастоткого сигнала нашли применение при изучении пространственной структуры градиентов электронной концентрации, которые во многих случаях являются определяющими при проектировании и использовании систем радиосвязи через ионосферу;
- разработкой методов определения пространственной структуры ионосферной неоднородности и построением соответствующих моделей. Эти модели могут быть использованы в расчетах параметров ионосферы, определяющих условия распространения радиоволн;
- исследованием распределения электронной плотности в районах экватора весной 1999 года, определением мест расположения максимумов «гребней» экваториальной аномалии, расчетом величин градиентов электронной плотности, возникающих в этих районах;
- исследованием состояния ионосферы в районе космодрома Байконур после взлета ракетоносителя «Днепр» с ИСЗ;
- разработкой метода использования г-следа в комплексе со следами о- и х-компонент для определения основных параметров ионосферы н Ме(Ь)-профнлей в окрестности максимума электронной концентрации;
- разработкой метода использования ионосферной информации, объединяющего данные наземного и спутникового радиозондирования, для построения карт критической частоты ионосферы. Разработанный метод, соответствующие алгоритмы, а также сами карты, могут использоваться при оперативном мониторинге ионосферы, а также при расчетах ионосферного распространения радиоволн.
Соответствие диссертант! Паспорту научной специальности 25.00.29 -«Физика атмосферы н гидросферы»
Диссертационная работа является исследованием возможностей метода радиозондирования ионосферы из окрестности главного максимума кониентра-Ц1Ш электронов, направленным на расширение потенциала метода вертикального радиозондирования ионосферы со спутников как за счет изменения высоты расположения ионозонда. так п за счет разработки новых методов интерпретации и обработки ионограмм и пх последовательностей.
Область диссертационного исследования включает разработку теоретических основ и методик использования результатов радиозондирования для определения электронной пространственной структуры ионосферы, а также результаты применения этого метода, выраженные в определении строения ионосферы в районах радиозондирования и выявлении физических закономерностей распределений электронной плотности.
Указанная область исследования соответствует формуле специальности 25.00.29 - «Физика атмосферы и гидросферы (физико-математические науки)», а именно пункту 3 - «Строение н физика средней атмосферы (стратосфера, ме-зосфера), верхней атмосферы (термосфера, экзосфера) и ионосферы, включая влияние ионосферы на распространение радиоволн».
Апробация работы
Основные результаты докладывались п были представлены на ХХ-ХХШ Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Нижний Новго-
12
род, 2002 г., Йошкар-Ола, 2005 г.. Ростов-на-Дону. п. Лоо, 2008 г., Йошкар-Ола, 2011 г.), на GA URSI (Амстердам, 2002 г., Дели, 2005 г., Стамбул, 2011 г.), на международных научных конференциях «Излучение и рассеивание электромагнитных волн» ИРЭМВ- (Таганрог, 2007 г., Дивноморское, 2009 г.. 2011 г.), на всероссийских открытых ежегодных конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, ИКИ РАН 2011 г.. 2012 г.), на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы создания космических систем дистанционного зондирования Земли» (Москва, ВНИИЭМ, 2013 г.), на LVI научной сессии, посвященной дню радио (Москва, 2001 г.). международной конференции «Интеркосмос-30» (Москва, 2001 г.), на второй Всероссийской научной конференции <<Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» (Санкт-Петербург, 2004 г.), на 4-ой международной конференшш-выставки «Малые спутники. Новые технологии, миниатюризация, области эффективного применения в 21 веке» (Королев, Московская область, 2004 г.), на 10th International Conference on Ionospheric Radio Systems and Teclmiques (Лондон, 2006 г.), на Nordic HF-10 conference (остров Форе, Швеция, 2010 г.), на 2 международной специализированной выставке «Граница 2000» (Москва. 2000 г.), на второй международной научно-практической конференции «Мировое сообщество в борьбе с терроризмом» (Москва, 2001 г.).
Реализация результатов работы
Результаты работ использовались в научной деятельности ФГБУ «ИПГ»:
2003-2004 г. - тема НИОКР «Разработка научно-технического, методологического и технологического обеспечения ионосферных наблюдений с космических аппаратов, в том числе с обитаемых космических станций». Рег.№ 01.2.00 310232.
2006г. - тема НИОКР «Развитие методов и технологий космических и ге-лиогеофизических наблюдений» этап «Разработка научно-технической и методической документации на изготовление и установку бортовой ионосферной станции на современные малые ИСЗ и обитаемые космические станции».
200S-2010 г. - тема НИОКР «Усовершенствование модели ионосферного радиоканала, формируемого областью F ионосферы. Исследование трендов различных параметров верхней атмосферы н ионосферы и нх согласованности в
13
рамках современной теории образования ионосферы. Развитие методов мониторинга ионосферы с использованием наземно-космическпх средств. Проведение исследований по программе «Ионосфера». Per. № 01.2.00 9 51230.
Результаты исследования используются в практической деятельности РКК «Энергия» им. С.П. Королева при обосновании новых космических экспериментов, включенных в долгосрочную программу Роскосмоса.
Результаты исследования используются в научной деятельности ЦНИИ Машиностроения.
Изложенное подтверждается Актами внедрения результатов исследования.
Публикации п личный вклад автора
Всего по теме диссертации опубликовано 61 научная работа, из них 26 статей в журналах, 34 - статьи в материалах конференций либо тезиса к докладам на конференциях, одна статья в энциклопедии.
Основные результаты опубликованы в 14 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов докторских диссертаций: «Геомагнетизм и аэрономия» - 6 статей, «Известия вузов. Радиофизика» - 4 статьи, «Электросвязь» - 1 статья, «Космонавтика и ракетостроение» - 2 статьи, «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» - 1 статья.
Все основные теоретические результаты, представленные в диссертации, получены лично автором. Обработка первичной информации была проведена лично автором, либо совместно с аспирантами М. Р. Азизбаевым, Р. В. Скоморохом, Д. В. Давиденко. В работах с их участием автору принадлежит также постановка задачи и, в большинстве случаев, выбор метода решения. В частности, под совместным руководством Н. П. Даннлкина с автором выполнена кандидатская диссертация М. Р. Азизбаева «Коррекция модели ионосферы по данным спутникового радиозондирования со сверхнизких орбит». Во всех публикациях автор участвовал в постановке задачи, получении, обсуждении и интерпретации результатов. В статьях, написанных совместно с Н. П. Латыниным. лично автору принадлежат обработка первичной информации п выполненные расчеты, а также равноценное участие в постановке задачи н формулировании основных выводов. В статьях, написанных с М. М. Анншиным, автор использовала программу расчета траекторий, созданную в ЮФУ при активном участии М. М. Анншина. В статье, опубликованной совместно в журнале «Ра-
14
диофнзнка. Известия вузов», вклад авторов одинаков. В статьях, написанных совместно с Ю. К. Калининым, автору принадлежит только часть, касающаяся эксперимента на ОК «Мир».
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложении. Она содержит 286 страниц основного текста н 41 страницу приложений, 138 иллюстраций, 40 таблиц, список цитируемой литературы из 188 наименовании.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение содержит общую характеристику работы, включающую обоснование актуальности исследования, степень разработанности проблемы вертикального радиозондирования ионосферы со спутников с разной формой и высотой орбиты, определение цели и научных задач работы, формулировку основных результатов, выноснмых на защиту и их научной новизны.
1 Морфологический анализ иопограмм н верификация результатов эксперимента по радиозондированию с ОК «Мир»
Первая глава диссертации посвящена обоснованию эффективности и целесообразности применения метода радиозондирования с высот близких к 350 км для обеспечения непрерывного исследования основных параметров ионосферы вдоль орбиты ИСЗ. Для решения вопроса об эффективности метода радиозондирования с высот из окрестности максимума электронной концентрации ноносферы был проведен морфологический анализ и классификация обширного экспериментального матернапа радиозондирования ионосферы ОК «Мир». Эти результаты получены в обшей сложности за 40 часов 17 минут работы нонозонда. Основными районами проведения эксперимента стали районы европейской части, Дальнего Востока и юго-восточной Азии, но проводились отдельные сеансы над Южной Америкой, в районе Австралии, в районе экватора над Тихим и Индийским океанами. Был проведен один почти непрерывный суточный сеанс радиозондирования, а так же несколько дней проводились сеансы в течение одного-двух полных витков орбиты ОК «Мир». Таким способом было зарегистрировано более 9000 ионограмм. В первой главе приведены карты со следами орбит всех витков эксперимента. Ионограммы, полученные с ОК «Мир», были двух видов - аналоговые, которые на частоте 137 МГц передавались на наземные ионосферные станции (ИС), а так же цифровые, полу-
15
ченные в режиме записи, которые представляют собой зависимость групповой задержки сигналов от частоты зондирования при некоторой средней амплитуде. Основные результаты и выводы были сделаны на основе цифровых ионограмм.
При оценке достоверности полученных результатов главное внимание уделялось сравнению значений критической частоты слоя F2 по данным наземного п спутникового радиозондирования.
Наибольшая выборка для сопоставления данных спутникового и наземного зондирования была получена при сравнении с данными сети европейских ИС, помещающих информацию в сети Интернет. Для сопоставления результатов исследования в европейской зоне были выбраны ИС Chilton, Rome. Ruegen, Pruhonice. В диссерташш представлены таблицы, содержащие сравнения измеренных ОК «Мир» критических частот ноносферы foFl с данными аналогичных исследований европейских ИС. В ряде эпизодов следы отражения от ионосферы на спутниковых ионограммах отсутствовали в результате сильного поглощения сигналов, что. однако, тесно коррелнровалось с данными наземных ИС, ионограммы которых в этот момент были нечеткими либо неопределенными. Для расчета оценочных статистик делались следующие ограничения: отбирались случаи, когда точки регистрации наземной и спутниковой ионограмм находились не более чем на 220 км по широте, не более 300 км по долготе, п различие во времени зондирования составляло менее 15 минут. В тех случаях, когда расстояние по долготе превышало выбранные 300 км, но было не более 800 км, проводилась интерполяция в предположении, что долготная зависимость может быть упрощенно интерпретирована как зависимость от времени, случаи, когда расстояние по широте превышало 220 км. не использовались для дальнейшего анализа. Так была создана выборка всех случаев сопоставления данных ОК «Мир» и перечисленных европейских ИС объемом п = 35.
По полученным результатам построено облако точек вокрут прямой регрессии foF2\njp = foFZlK (рисунок 1 слева). Точечная оценка среднего значения случайной величины ДfoF2 = foF2iK- foF2\¡¡,P по описанной выборке составила ¡/oF2 = 0,02 МГц при соответствующей точечной оценке среднего квадратического отклонения I = 0,34 МГц. На рисунке 1 (справа) представлена диаграмма распределения AfoF2. Проверка гипотезы о нормальном распределении этой случайной величины с указанными числовыми характеристиками
16
по критерию Пирсона у~ показала высокий, более 0.4. уровень значимости. Следовательно, ошибки отклонения от среднего можно считать случайными. Отметим, что отклоненне 0,02 МГц находится в пределах погрешности ионо-зонда ОК «Мир».
МГц 10 -
у
14
о 12 К> m
¡1: 2 0
10 12 МГц
ИС
43,8 -0,5 -0.2 0.1 0,4 0.7 1.0
f°F2MM р- foF2 и с. МГц
Рисунок 1 - Слева: сравненне значений foFl по данным ОК «Мир» и наземных европейских ИС, справа: диаграмма величин отклонений критических частот, полученных наземными ИС и понозондом ОК «Мир»
В диссертации приведены сравнения с данными ИС других регионах при меньшем объеме выборки, с такими как Ашхабад, Beijing. Kokubuuji, Guangzhou, Vaninio, Chung-Li, Jicamarca. Ни в одном из случаев сравнения не было обнаружено явных противоречий между экспериментами.
Проводились сравнения результатов радиозондирования с ОК «Мир» с результатами раднотомографических исследований. Рассматривались ионосферные разрезы, полученные в цепочке трех ионосферных станций Италии по результатам наблюдений сигналов навигационных спутников системы NNSS. Были отобраны б периодов времени 31 марта, 2 и 3 нюня 1999 г., когда измерения на ОК «Мир» производились в районе Италии приблизительно одновременно с построением ионосферных томографических разрезов. Во всех случаях были зафиксированы совпадения полученных результатов в определения плазменной частоты на высоте спутника с учетом точности определения геофизических параметров.
Проведенные расчеты высоты максимума электронной концентрации по этим нонограммам так же совпали при сравнении с результатами томографического исследования ионосферы.
Для каждой рассматриваемом серии монограмм ОК «Мир» в днссергацни приведены рисунки с качественными сравнениями с картами полного электронного содержания (ТЕС) по данным Мирового Центра Данных (\\~DC) Общая динамика изменения /оР2щр п ТЕС совпадала.
Кроме вопросов вермфпкаимм результатов в главе дан ши|юкмй морфологический анализ монограмм ОК «Мир», показавший возможность определения расположена шмюзомда относительно максимума »лектронной конценграшш ЬЯГ2 непос|>едс1венно по монограмме, принципы интерпретации монограмм при расположении ноноюнда выше м ниже максимума к*,Г2 Отмечено, «по при расположении монозонда выше максимума электронной плотностп следы на ионограммах могут интерпретироваться также, как и стелы монограмм внешнего радиозондирования Однако в тех случаях, когда высота максимума увеличивалась. и ионозонл оказывался ниже ьтР2. расположение следов существенно менялось На таких ионограммах следы отражений выг лядели как на рисунке 2.
Во-первых, последы вертикального отражения от ионосферы при распространении вверх Их оставляют радиоволны, которые распространяются от ИСЗ вверх видами «2». «о» и «х» и. отражаясь от внутреннем ионосферы, возвращаются на спутник Данное распространение происходит в частотном диапазоне между частотами отсечки всех грех компонент магниторасшепленного сигнала и соответствующими критическими частотами ионосферы Следы обыкновенной и г- и \-компонент магниторасшепленной волны являются одинаково законченными. несут информацию об ионосфере на интервале от высоты ИСЗ до высоты ьяГ2.
э».о«.>»»»
ЯШИН«
»»ост« X 5«,» •арст* -». «»
05.05.1»*» 10:0414»
».сот. ОС IV«. и »■РОГ. 12.51 •»«•ж 142.01
След отражения от Земли Рисунок 2 - Спутниковые нонограммы с высоты ниже *„/"2с обозначенными
следами отражения 18
Во-вторых, одновременно на частотах от плазменной частоты ионосферы на высоте ИСЗ до максимальной частоты рабочего диапазона происходит распространение радиоволн вниз к Земле, отражение от нее и возвращение обратно на спутник. Эти радиоволны на ионограмме дают след отражения от Земли для о- и .\--компонент. Совпадение или различие плазменной частоты ионосферы на высоте ИСЗ и частоты начала следа отражения от Земли позволяют достоверно определять относительное положение ионозонда к положению максимума ионосферы, а также с меньшей погрешностью определять высоту этого максимума, что является достоинством метода радиозондирования с низких орбит. В эксперименте были получены ионограммы при положении ИСЗ в максимуме ионосферы. В таком случае от ионосферы могут отражаться только радиоволны частоты , и след отражения от ионосферы становится вертикальным.
В-третьих, на нонограммах появляется след с большими действующими дальностями, названный задержанным нижним следом.
Морфологической особенностью ЗНС является его монотонная непрерывность вдоль осп частот. При этом в большинстве случаев наблюдается практически линейная зависимость действующей дальности от частоты. Отсутствуют какие-либо перегибы на ЗНС. Второй особенностью ионограмм с ЗНС является длительность их непрерывного существования на последовательности ионограмм. При этом конкретные параметры ионосферы, определяемые по этим нонограммам, могут изменяться весьма значительно.
В первой главе дан анализ геомагнитной обстановки во время проведения эксперимента по радиозондированию на ОК «Мнр», показавший, что появление аномальных следов на нонограммах не связано с геомагнитной обстановкой.
2 Траекгторный синтез ионограмм
Исследование сложных ионограмм траекторными методами путем воссоздания распределений электронной плотности, в которых возникают сложные траектории распространения лучей, возвращающихся на приемник ионозонда, имеет давнюю историю. Во второй главе приведены ссылки на такие работы. Развитие методов расчета и вычислительных средств, позволяющих производить эти вычисления, дало толчок к серии таких исследовании, раскрывающих суть причин возникновения на нонограммах дополнительных следов.
Проведенный анализ многократного появления ЗНС на ионограммах показал, что дополнительные следы появлялся в зонах резкого изменения критических частот ионосферы, в частности, в областях ярко выраженной экваториально аномалии. Вторая глав посвящена описанию математического аппарата (гипотез, моделей, алгоритмов и программ), используемого автором для анализа результатов эксперимента на OK «Мир». Прежде всего, для автора является несомненной гипотеза о том, что причиной возникновения ЗНС служит отражение или рефракция зондирующих лучей в сферически неоднородной ионосфере, причем эта неоднородность есть достаточно большое, несколько сотен километров. единое образование с постоянно увеличивающейся электронной концентрацией.
Для численного подтверждения этого факта рассматривались две математических модели неоднородного распределения плотности электронов в изотропной ионосфере, в которой траектория является плоской кривой. Первая модель - вспомогательная - основывалась на том. что пространство, где показатель преломления отличен от единицы, делится на слоп так, что все параметры плазмы внутри слоя считаются одинаковыми, а между собой отличаются так мало, что отраженной волной на границе раздела можно пренебречь. Уравнение каждого слоя задавалось аналитически в виде зависимости у(х). В качестве функций у(х) выбирались различного вида соотношения, моделирующие горизонтальные градиенты электронной плотности, в частности, внутренние слоп -вложенные друг в друга эллипсы, и наружные слон - кривые Гаусса. Каждой точке пространства (х0. уо) можно сопоставить координаты единичного вектора нормали Т„ к нижней границе слоя, в котором находится эта точка, а также коэффициент преломления.
Вторая модель - основная - заключалась в задании функции концентрации электронов N(.v, Ii) в виде
где Л'о(Ь) - концентрация электронов в зависимости от высоты при отсутствии возмущения (N,01)- профиль); .г — горизонтальная координата, д, о, о
параметры, влияющие на размер, интенсивность н положение неоднородности.
20
(1)
Были выбраны два метода расчета траекторий луча в ионосфере. В главе приводится описание программ, выполняющих реконструкции пространственных распределений электронной концентрации ионосферы Земли по результатам спутникового радиозондирования с ОК «Мир», основанных на этих методах.
Первый метод является пошаговым методом построения траектории и основан на выполнении закона Снелнуса на каждом шаге. Путем перебора углов вылета радиолуча выбираются те из наклонных траекторий, которые после отражения от Земли и последующей рефракции и отражения в ионосфере возвращаются обратно. Алгоритм расчета траектории радиоволны от ИСЗ в ионосфере любой структуры реализован для обеих математических моделей и использовался для оценочных расчетов.
Вторым методом расчета траектории радиоволны стал метод непосредственного численного решения уравнения эйконала. Уравнение эйконала, как уравнение в частных производных первого порядка типа Гамильтона-Якобн, приводят к системе обыкновенных дифференциальных уравнений, называемой системой характеристических уравнений. Полученная система решается численно. Этот метод расчета применялся для расчета траектории в рамках математической модели с заданной функцией распределения концентрации электронов.
Сравнение результатов расчета возвратных траекторий двумя методами при одинаковых начальных условиях дает удовлетворительное совпадение с отличием рассчитанных действующих дальностей в среднем не более чем на 5%. Использование второго метода предпочтительней, так как позволяет решить все проблемы, связанные с зависимостью результатов от длины шага. Пример расчета траекторий в неоднородной ионосфере приведен на рисунке За.
На рисунке 36 представлены реальная и синтезированная нонограммы. На синтезированной ионограмме верхний след соответствует действующим расстояниям вертикальных возвратных траекторий до Земли, а нижний след - наклонным возвратным траекториям. Знаком х обозначены действующие дальности тех траекторий, которые изображены на рисунке За.
а) б)
Рисунок 3-я) возвратные на спутник траектории в неоднородной ионосфере Отмечены частоты зондирования и плазменные частоты ионосферы; 6) вверху-ионограмма ОК «Мир», полученная 5 мая 1999 г.. внизу - синтезированная по расчетам действующих дальностей ионограмма Метод обработки ноногрямм с ЗНС основан ня том, что в условиях нарастающей электронной плотности в ионосфере на каждой частоте зондирования возможно существование замкнутой траектории радиолуча Последовательный подбор параметров функции, моде тирующей неоднородно* распределение электронной плотности. например, функиии (I). позволяет создать модельное распределение, в котором на каждой частоте существуют замкнутые траектории юнднруюших .тучей ИСЗ - Земля - ИСЗ с действующими дальностями, соответствующими эксг»ернме1гту.
В диссерташш проведен л ноли > форм траекторий радиосигналов в условиях модельной ионосферы с горизонтальным положительным градиентом злек-троиной плотности, заданной зависимостью (I). Последовательное шмененне параметров позволило установить связь между значениями параметров распределения (1) н формой ЗНС на модельных поногрлммах Было установлено несколько закономерностей Приведем основные от них:
- в рамках математической модели рост горизонтального градиента электрон-
г-л- '
нон плотности происходит до расстояния поэтому зона ответствен-
ности математической модели распространяется на расстояние близкое к этому:
- к наибольшему увеличению градиента электронной плотности ведет увеличение параметра 3;
- больший градиент электронной плотности соответствует меньшему действующему расстоянию на высокочастотном конце ЗНС;
- установлено, что средние градие1гты плазменной частоты на высоте ИСЗ свыше 0.5 МГц /100 км могут быть причиной появления траекторий радиолучей, возвращающихся на спутник при наклонном распространешш. Однако действующие дальности, соответствующие в большинстве случаев экспериментальным (менее 600 км), достигаются при средних градиентах плазменной частоты свыше 1. 5 МГц /100 км;
- влияние отдельных параметров в формуле (1) взаимозаменяемо.
Исследование серий понограмм с ЗНС позволяет уменьшить неопределенность в нахождении направления градиента электронной плотности. Численное соотношение скорости изменения плазменной частоты в направлении орбиты ИСЗ. полученной по нескольким последовательным понограммам с ЗНС, и гра-днента электронной плотности, рассчитанного по следу ЗНС по описанной выше методике, позволяет определить угол между линиями равной концентрации и орбитой ОК в малой окрестности нонозонда.
Изложенные выше локальные математические модели неоднородного распределения плотности электронов в ионосфере, а также методы расчета траекторий радиолуча легли в оснозу алгоритмов и программ восстановления локальной структуры ионосферы ниже высоты максимума концентрации электронов.
Основные шагп метода:
- выделение из экспериментального материала серии понограмм с ЗНС;
- подготовка экспериментальных данных к расчётам. С использованием модели 1М-2001 и ее корректировки по высоте /¡чг> и плазменной частоте на высоте спутника вычисляется первоначальный ЛУйу-профнль. Проверка адекватности рассчитанной зависимости производиться путём расчёта вертикальных траекторий в невозбуждённон ионосфере без неоднородности, вычисления деиствуто-
шнх дальностей следа отражения от Земли н сравнения их с экспериментальными результатами;
- введение неоднородности с учетом ее влияния на вертикальный профиль под спутником, и вторичная корректировка вертикального Л,(^-профиля;
- последовательный подбор параметров неоднородности (1) и расчеты многочастотного распространения радиоволн с целью получения комплекса траекторий с действующими расстояниями, соответствующими экспериментальным значениям дальностей ЗНС. В диссертации приводятся рекомендации по опти-мпзашш подбора параметров;
- расчет градиента электронной плотности или плазменной частоты на высоте спутника в рамках модели (1);
- расчет скорости изменения электронной плотности ионосферы или плазменной частоты в направлении орбиты ИСЗ;
- расчет утла между градиентом плазменной частоты и направлением орбиты по отношению градиента и скорости в направлении орбиты.
3 Поведение г-компоненты магниторасщепленного сигнала про радиозондировании со спутника из окрестности высоты максимума электронной концентрации ионосферы
В третьей главе доказана возможность существования критической частоты г-компоненты магниторасщепленного сигнала при радиозондировании из окрестности максимума концентрации электронов ионосферы н возможность использования следа г-моды прп расчете вертикальных профилей концентрации.
При радиозондировании с высот из окрестности максимума концентрации электронов поведение следа г-волны отличается от случая радиозондирования с высот порядка 1000 км. В последнем случае на ионограммах появляются следы трех компонент магниторасщепленного сигнала. Причем о- и х- компоненты, начинаясь, соответственно, па частотах п . достигают высоты максимума электронной концентрации, г-компонента, начинаясь на частоте . прекращает свое существование значительно выше высоты максимума на максимальной частоте своего распространения, обозначаемой /.I. При внутреннем радиозондировании в большинстве случаев г- компонента так же, как и х- и о-компоненты достигает максимума ионосферы и от него отражается, т. е. дости-
гает своей критической частоты /.Р2. Такое поведение г-волны до эксперимента на ОК «Мпр» ранее не наблюдалось.
Было проведено теоретическое исследование возможности такого поведения г-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 нонозонда на различных высотах. Результатом этого эксперимента стали смоделированные зависимости действующих дальностей от частоты (ионограммы) для г-компоненты. Суть численного эксперимента состояла в следующем. Ионосферу делили на п слоев, для каждой зондирующей частоты в каждой точке вычисляли значения параметров
до тех пор, пока Хе(Хг: 1+У).
Здесь f„ - плазменная частота. / - частота зондирования, /я - гнрочасто-та, )'/ = Г-cos©, ©- угол между направлениями нормали к фронту волны и вектором магнитного поля Земли Н.
Существование ^-компоненты при вертикальном распространении возможно, еслнЛ'>А'г. Как только на некоторой высоте выполнялось условие отражения г-комионенты:
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 сигнала с высот выше максимума слоя Г2 не более чем на 80% от приведенной высоты атмосферы луч достигает своего критического значения /:Р2, то есть ъ-волна достигает высоты максимума концентрации электронов. Аналогично, при зондировании с высот ннже максимума электронной концентрации не более чем на 60 °о от приведенной высоты атмосферы луч также достигает своего
А'= 1 + Y,
критического значения. При этом с уменьшением высоты зондирования наибольшая частота распространения /./стремится к .
При использовании модели 1Ы высотный интервал, в котором г-компонента достигает высоты или его ближайшей окрестности составляет от 200 до 400 км. В частности, для распределения электронной концентрации с /0Г2 = 10,7 МГц, и высотой главного максимума ионосферы Л„,.Г2 =300 км интервал высот, при зондировании с которых ^-компонента достигает критического значения, составил 260 - 360 км.
В том случае, когда следы г-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.
Проведены расчеты /(^-профиля отдельно по следам отражения от ионосферы о- и .-компонент. Для восстановления профиля по следу обыкновенной компоненты можно воспользовались одним из методов решения обратной задачи. При восстановлении профиля по следу г-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 - 9 МГц. а именно там, где эксперименты по радиозондированию не могут дать достаточной информации.
Показано, путем расчета профилей концентрации по конкретным ионо-граммам. что в условиях ионограмм с неполной геофизической информацией совместный учет всех трех компонент магшпорасшепленного сигнала позволяет восстановить недостающие сведения. Таким образом, вычисление характеристик плазмы по следам отражений различных компонент дает возможность улучшить пространственное разрешение измерений с помощью нонозонда.
4 Исследование экваториальной ионосферы с высот из окрестности максимума электронной концентрации
В четвертой главе проведен полный анализ геофизических событий, наблюдаемых ОК «Мир» в экваториальной зоне весной 1999 г.
Получены пламенные характеристики ионосферы вдоль орбш ОК «Мир». 'Эксперимент проводится в спокойной геомагнитной обстановке Ярко выраженных тех» динамических тменений непосредственно в окрестности орбиты ОК не наблюдалось.
В дневное локально« время распределения критических частот вдоль орбиты и частот на высоте ОК «Мир» имели вил двух ярко выраженных максимумов - «гребней» по обе стороны геомагнитного экватора (рисунок 4) Что соответствует типичному дневному распределению плазменных частот в районах экваториальной аномалии ('ЭЛ). Максимальные значения на вершинах «гребней» во многих случаях превышали наибольшие часюты диапазона юн-дировяния (16 МГц), либо были близки к нему. Параллельно с частотой интерпретацией понограмм проводилось сравнение полученных значений с моделью 1Я]-2001 Установлено, что экспериментальные значения существенно превышали прогноз модели №1-2001. Рисунок -1 демонстрирует одно из таких сравнений Ось абсцисс соответствует географическим координатам точек регистрации нонограмм.
31 марта 21:30 МВ. 11:30-14:001.Т (виток 2922, №678-7071
2
I 15
| и
12 II
10 «
ТИС ----
/ "
, V
_ > ^
•»- •
■
-110 -105
-1СО
•Л
-во
-м
■ео
.'4
-» -25 -20 -15 -10 -5
10 15 20
.»0 Долгот» ,, Широта
Рисунок 4 - Распределение плазменных частот ионосферы вдоль орбиты
ОК «Мир»
Рассчитанные по понограммам распределения дневных высот максимумов концентрации электронов в ионосфере НтГ2 имели один максимум в районе геомагнитного »кватора (рисунок 5). Значения ЬШГ2 были меньше, чем ттро-гнозные значення модели 141-2001
31 ШфГа21:Э0Ме. 11:30-11:45 1.Т (вито« 2922)
«0
«V-!
а «оо
г
М4
т
к»
ко
0 - •
У
•
.109 Л —1—\— \-1-И— -М ■'« л» -1—1—1—1—
•я
М 1*
Делгот! Ширют!
Зв 21 И -II .4 -1 4 V
Рисунок 5 - Распределение высот максимума ионосферы вдоль орбиты ОК
«Мир»
Общий анализ расположения вершин «гребней» ЭА в дневное местное время весной 1999 г. показал, что координаты максимумов «гребней», отмеченные точками на рисунке б, согласуются с нахождением геомагнитного экватора. что соответствует теоретическим положениям и прогнозу модели 1Я1-2001. изображенному сплошными линиями на рисунке 6
Расположение максимумов 1оР? на "гребня*" ЭА
Рисунок 6 - Расположение максимумов «гребней» ЭА в дневное время весной
1999 г.
Анализ полученных в дневное время значений /вА"2 на вершинах «гребней» ЭА показал примерное равенство критических частот в максимумах южного и северного «гребней»
В дневное время на участках между гребнями (рисунок 4). в тех случаях, когда ОК «Мир» опусказся ниже кшГ2. были зафиксированы номограммы нового вида с ШС Задержанный след в »тот интервал времени характеризовался
28
большими действующими дальностями, но был не протяженный в частотном лнпппюн« (рисунок 2 слева) Величины градиентов электронной плотности в >ю время, рассчитанные по следу ЗНС. не превосходили 1 МГц 100км
В вcчqжce врем* (»20 ЬТ) распределение вдоль орбиты ОК «Мир»
было аналогичным рисунку I Однако распределения имели два макси-
мума В этих случаях ионограммы с ЗНС были зафиксированы на склонах «гребней» ЭА. опять-таки при расположении ОК «Мир» ниже высоты /,_/-> Более того, регистрировались схожие последовательности ионограмм с ЗНС 10 и 11 марта в Южной Америке в одно и то же местное время через сутки Действующие дальности на высокочастотном конце ЗНС были меньше, чем в дневное время, а частотная продолжительность больше Это свидетельствует о больших градиентах пеклронной плотности в вечернее время. Скорость изменения плазменной частоты /$ вдоль орбиты для ионограмм 470 - 472. полученных 10 марта 1999 г в 20 1.Т. составила 0.76 МГц'100 км интегральный средний градиент, рассчитанный по действующим дальностям ЗНС. на высоте 360 км составал * 2 МГц 100 км Следовательно, угол между линиями равной концентрации и орбитой ОК в мятой окрестности составляет 22.5° Из двух вариантов направлений выбрано направление горизонтального градиента электронной плотности на высоте ОК в сторону восточной границы ЭА (рисунок 7)
Более темный фон на западе карты соответствует большему шачешио ТЕС в восточной части экваториальной аномалии
Рисунок 7 - Определение направления линии уровня плазменной частоты в окрестности точки радиозондирования 10 марта 1999 г. 4:02 МВ
В полуночное время распределения /0Г2 вдоль орбиты были получены в восточном полушарии. Они имели один максимум на широте - 28°Ы (рисунок 8).
16 2 15
!м
5
5 «
к 11 | 10
Р 9 2 8 I ;
ж
б
г-
• ... —-ё—
---г-- —--
-<оГ2 «ято« 3472 - опок 3473 №1 •«го* 3472
15
Ж
25
30
Шнрог*
35
40
Рисунок 8 - Распределения /„« вдоль орбиты ОК «Мир» 5 мая 1999 г 23:00-1:301Л"
Регистрировались схожие последовательности нонограмм с ЗНС на северном склоне «гребня» 5 мая на двух последовательных витках Пример ноно-граммы от серии на первом витке представлен на рисунке 2 справа, а на втором витке • на рисунке 5 В соответствш! с описанной выше методикой выделения крупномасштабных неоднородностей были проведены расчеты по интерпретации результатов радиозондирования Средний горизонтальный градиент электронной плотности в начале серии поногрлмм с ЗНС составил 7,3x10' электрон в см1 км К середине серии он уменьшился до 4.0 х103 мектрон всм1, км Этот результат свидетельствует о том. что вне орбиты ОК «Мир» существо вата ярко выраженная неоднородность электронной плотности, вызывающая появление возвратных на ИСЗ зондирующих траекторий с большими действующими дальностями
О закономерности этого явления говорит тот факт, что аналогичное поведение критических частот и появление нонограмм с ЗНС было зафиксировано через сутки на »тих же долготах, но на 5° южнее, и позже, в следующий сеанс радиозондирования через 4 витка на >тнх же широтах в районе Северной Африки. Отметим, что в последнем случае скорость изменения концентрации электронов влоть о|>бнты и |ралненты. рассчитанные по ЗНС. были меньше
Выше приведенные результаты указывают на то, что в полуночной ионосфере на широтах ^ 30 ° - 35° N в весенний период существуют ярко выраженные максимумы электронной плотности. Этот факт не нашел своего отражения в ионосферных моделях, однако соответствует результатам другого эксперимента по спутниковому радиозондированию - со спутника 1Б5-Ь.
Исследование экваториальной зоны в утреннее время показало, что орбита ОК «Мир» находится выше ¡¡.„п- Электронная концентрация во всех случаях возрастала вдоль орбиты ОК до экватора. Распределение f0F2 вдоль орбиты имело один максимум.
Анализ геофизических событии в экваториааьной области показал, что появление ионограмм с длинными дополнительными монотонными следами отражений с большими групповыми задержками является типичным для районов экваториальной аномалии при нахождении ионозонда ниже максимума электронной концентрации ионосферы.
Из проблем рассматриваемого нового метода радиозондирования с пилотируемого комплекса надо выделить появление ионограмм с наклонным отражением от ионосферы. На подобных нонограммах часто отсутствовал след отражения от Земли, что не давало возможности произвести вычисление КС(Ь)-профнлей. Причиной этого является неоптпмачьное расположение антенн ОК «Мир» относительно Земли во время получения этих ионограмм. В подобного рода экспериментах со стабилизированном положением антенн ионозонда данная проблема должна отсутствовать.
5 Дополнительные возможности радиозондирования с низких высот по регистрации ионосферных неоднородностей. Использование результатов эксперимента в параллельных исследованиях
В пятой главе рассматриваются вопросы, связанные с косвенным использованием результатов радиозондирования с ОК «Мир».
Проведенный морфологический анализ экспериментального материала выявил особую чувствительность радиозондирования с низких частот к наличию горизонтальных градиентов электронной концентрации. Это выражалось в появлении дополнительных следов на нонограммах.
Прежде всего, это типичные для эксперимента на ОК «Мир» ионограммы с ЗНС. Данные ионограммы всегда регистрировались в виде серии кадров,
31
причем на последовательности можно наблюдать процесс формирования п разрушения следа - на нескольких первых нонограммах он короткий, затем четко выраженный, с возможной 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 нонограммах, был недостаточен для отражения ЗНС.
Во-вторых, нонозонд зарегистрироват аномальные ионограммы в районах ионосферного возмущения, вызванного стартом ракеты. Данные ионограммы мало поддаются анализу траекторным методом на современном этапе, однако, с одной стороны, могут служить сигналом к обнаружению подобных явлений, с другой стороны, в случае создания модели электронных полостей, возникающих в результате выброса продуктов сгорания топлива, данные ионограммы могут служить детектором их строения.
21 апреля 1999 г. в 04:59:12 Ъ*Т с космодрома Байконур осуществлен пуск ракеты «Днепр». В 5:25 1Л на участке орбиты с координатами северной широтой в интервале (51,6 51.8°) п восточной долготой в интервале (66° - 76°) нонозонд ОК «Мир» зафиксировал серию аномальных нонограмм. На них регистрировались развивающиеся от кадра к кадра множественные следы отражений. При этом диагностировалось резкое падение плазменной частоты ионосферы на высоте ОК «Мир», соответствующей 346 км.
На высоте орбиты плазменная частота, упала от 6 до 3 МГц, что соответствовало уменьшению электронной плотности в четыре раза от 4,5- 105 до 1,1105 см"3. Критическая частота ионосферы претерпела меньшие изменения, чем плазменная частота на высоте орбитального комплекса. На рассматриваемом участке она упала от 7,5 до 6.7 МГц. Это соответствует изменению электронной плотности в максимуме от 7- 10! до 5,6- 105 см'3. По ионограммам невозмущенной области было рассчитано, что высота максимума ионосферы составляет 280 км. Измерение аномальных изменений электронной плотности ионозондом на ОК «Мир» продолжалось в течение 100с. Оценки взаимного расположения орбит двух КА. времени регистрации и формы следов позволили предположить, что в ионосфере образовалась полость пониженной концентрации диаметром более 200 км и протяженностью более 1000 км.
Из этого можно заключить, что нонозонд на высотах близких к 350 км является средством обнаружения крупномасштабных неоднородностен ионосферы Земли.
Существенное внимание в работе было уделено проблеме экстраполяции результатов радиозондирования на окрестность орбиты ИСЗ и тем самым рассмотрению возможности включения нпзколетяшего ИСЗ с нонозондом на борту в систему контроля над ионосферой.
Для решения этой задачи в работе использовался метод крнгннга. Данный метод применяется для интерполяции экспериментальных значений какого-либо параметра, в частности, критической частоты /0£"2 в расчетную точку с заданными координатами. Суть метода состоит во взвешенном усреднении всех экспериментальных значений исследуемого параметра н определении величины этого параметра в любой точке некоторой окрестности, включающей район получения экспериментальной информации, при этом в качестве весового параметра выступает расстояние от эмпирической точки до расчетной. Фоновым значением исследуемого параметра бралось модельное значение, полученное по модели 1Щ.
Результат экстраполяции представляет собой вычисляемую критическую частоту 2о в расчетной точке:
.V
20 = /оПш *Кое/ю *сг, .
¡=1
где /оР-пи - значение, вычисленное по модели 1Ш в расчетной точке, а коэффициенты «1 являются решениями системы линейных уравнений:
.V .V
1=1 /=1
В данной системе уравнений величина представляет собой расстояние от ^й точки до точки, в которой производится коррекция, а - расстояние между ¡-й и ^-й точками, рассчитанное по формуле:
где БР - широтный фактор, который имеет значения 2.0 для средних, 0.8 для низких и 2.1 для высоких широт.
Дополнительный множитель Кое/л определяется:
1апй
КочГ,0 = ехР
где Дь,,,о и йт0„я-расстояние по шпроте и долготе, соответственно, между 1-й экспериментальной точкой п точкой, в которой производится коррекция. Данный множитель вводится для усиления влияния точек, наиболее близко расположенных к области экстраполяции ослаблении вклада отдаленных от данной области. Расстояния и ди^. - интервалы коррекции - представляют со-
бой характерные расстояния по широте и долготе, на которых критическая частота меняется в е раз. В условиях спокойной ионосферы онн составляют АОи, = 500 км и до1о„ = 1000 км соответственно. В условиях ионосферы с ярко выраженными градиентами электронной концентрации встает вопрос о правильном выборе этих интервалов коррекции. Для выработки численных критериев ответа можно использовать следующие соображения. На экспериментальной серш! выделяется тот участок, где наблюдалось отклонение от регулярных условий. Затем оценивается, какую величину составило максимальное изменение рассматриваемого параметра - критической частоты д/^. Исходя из предположения о том, что в условиях спокойной ионосферы данное изменение на характерных расстояниях составляет 1/е. получаем корректирующий множитель к = е*. На следующем этапе рассматриваются протяженности данного участка. Данные расстояния рассчитываются: к«лои, и к»ДГ>1е>,:.
Практической реализацией данного метода являются получаемые региональные карты критической частоты. Такие карты критических частот можно строить по различной экспериментальной информации. В данной работе особый интерес вызвало использование разной геофизической информации как результатов радиозондирования с наземных ионосферных станций, так и спутниковое радиозондирование в этом же районе. Совместное использование данных наземного н спутникового радиозондирования ионосферы является более эффективным, по сравнению с использованием каждого из методов по отдельности, с точки зрения экстраполяции экспериментальных данных на основе ионосферных моделей. В частности, на контурных картах плазменной частоты в
максимуме области Е2 появляются новые детали, обнаружить которые, пользуясь только результатами наземного радиозондирования, было бы невозможно, пренебрежение которыми может существенно ухудшить условия радиосвязи, прогнозируемые по этим картам.
Для рассмотрения метода коррекции модельных карт по данным наземного и спутникового радиозондирования были выбраны некоторые серии ионограмм. полученные 31 марта. Для численных расчетов был отобран участок траектории в Южном полушарии в районе Австралии, поскольку в этой области находилось наибольшее число наземных ионосферных станций, рядом с которыми пролетала ОК «Мир».
Относительное отклонение эксперимента от модели варьировалось в пределах от 3.5?-о до 40.6%. Наибольшее расхождение между моделью и экспериментом наблюдается на двух станциях - Уашто и Оагст.
Сравнение результатов экстраполяции плазменных частот предлагаемым методом с экспериментальными данными показало, что в конкретном примере величина относительного отклонения критической частоты модели от реальности изменилась в среднем от величины 11.2% до проведения коррекции до величины 6.7% после проведения коррекции. При этом коэффициент корреляции между экспериментальными данными и модельными значениями изменился от 0.53 (до проведения коррекции) до 0.79 (после коррекции и по спутниковым и по наземным данным), что соответствует изменению тесноты связи с «заметной» до «высокой» по шкале Чеддока.
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
В результате выполненного исследования установлена эффективность метода радиозондирования с высот близких к 350 км в определении основных параметров ионосферы, состоящая в том, что данный метод позволяет вычислять высоту расположения максимума и величину концентрации в нем не менее уверенно, чем радиозондирование с других высот, а так же в том, что полученные данные по критической частоте слоя Р2 могут быть использованы не только в точках зондирования, но и экстраполированы на области в окрестности орбиты ИСЗ.
Была выявлена возможность использования метода радиозондирования с высот близких к 350 км как средства обнаружения крупномасштабных неодно-родностей ионосферы Земли, состоящая в появлении аномальных следов на монограммах при прохождении ИСЗ вблизи ионосферных неоднородности! различного происхождения.
Это явилось обоснованием практической целесообразности применения низкоорбнтальных спутников в космическом сегменте системы исследования ионосферы, отличающаяся тем, что низкоорбптальные КА могут с одной стороны выполнять функцию пополнения базы данных главных параметров ионосферы, создаваемой различными сегментами структуры нонос({^)ного мониторинга. а с другой стороны быть средством для обнаружения резких горизонтальных градиентов концентрации электронов.
Объяснены новые нонограммы с дополнительными следами с высот ниже главного максимума ионосферы и разработан метод обработки отдельных по-нограмм и их последовательностей. Установлено, что наличие на ионогра.ммах задержанных нижних следов с большими групповыми задержками вызывается наклонным распространением радиоволн многих частот с отражением от Земли и возвращением на ИСЗ вследствие рефракции на горизонтальных градиентах концентрации электронов в структурах ионосферы как регулярного, так и нерегулярного характера.
Показано, что появление ионограмм с длинными дополнительными монотонными следами отражений с большими групповыми задержками является типичным для районов экваториальной аномалии при нахождении нонозонда ниже максимума электронной концентрации ионосферы. Следовательно, горизонтальные градиенты плазменной частоты в экваториальной ионосфере настолько существенны (= 1 МГц'100км). что приводят к проявлению нового физического явления - тракта наклонного распространения радиоволн в широком диапазоне частот с возвращением на ИСЗ.
Получены плазменные характеристики ионосферы в областях экваториальной аномалии. А именно, построена электронная пространственная структуры локальной ионосферы в районе зондирования, вычислены величины горизонтальных градиентов электронной плотности, проанализированы расположения максимумов «гребней» экваториальной аномалии в весенний период. По-
лученные плазменные характеристики ионосферы в областях экваториальной аномалии ниже высоты максимума ее концентрации показали, что диапазон зондирования в интервале до 16 МГц недостаточен для регистрации критических частот экваториальной ионосферы. Кроме этого необходимо увеличить интервал регистрации действующих расстояний от 800 км, использованных на ОК «Мир», до 1200 - 1500 км.
Разработанный в диссертации метод выделения крупномасштабных элементов локальной структуры ионосферы по сериям нонограмм с ЗНС позволил высказать гипотезу о существовании области повышенной электронной плотности весной в полуночные часы в районах экваториальной аномалии в весенний период. Наличие этой аномалии не прогнозируется моделью Ш.1-2001, однако подтверждается исследованием ИСЗ КБ-Ь в 1979 г.
Регистрация уникальной серии нонограмм «изнутри» области искусственного ионосферного возмущения, возникшего в результате выброса большого количества химических реагентов в области пролета ОК «Мир» показала способность нонозонда на данных высотах диагностировать резкие изменения ионосферы, возникшие после старта ракеты.
Ионограммы, полученные с ОК «Мир», подтвердили возможность существования критической частоты г-компоненты магниторасщепленного сигнала. Следы г-компоненты позволяют вычислить зависимости плазменной частоты ионосферы от высоты и высоту максимума ионосферы. Это дает возможность улучшить пространственное разрешение измерений с помощью нонозонда, а также дополнять или замешать некачественное определение ионосферных параметров по о- или х-лучам.
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-радноволн.
Продолжение исследований по радиозондированию с низких орбит рационально продолжать на грузовом КА «Прогресс-М». Этот эксперимент будет иметь определенные преимущества перед радиозондированием ионосферы с
37
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 КА «Прогресс-М» окажется достаточным для накопления статистически значимого материала, как для диагностики неоднородностен различного происхождения, так и для весомого вклада в коррекцию существующих ионосферных моделей. Качество ионограмм с КА «Прогресс-М» должно быть лучше, так как КА 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».
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Данил кип Н. П.. Журавлев С. В., Котонаева Н. Г. Радиозондирование ионосферы с искусственных спутников Земли //Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Серия Б. Т. 1-3 "Ионосферная плазма". Ч. 2. М.:Янус-К. 2009. С.35-44. - 1,95 п.л. (лично автором - 0.65 п.л.).
2. Котонаева Н.Г. Радиозондирование экваториальной ионосферы с высоты из окрестности ее максимума// Сборник научных статей: Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2012. - Т. 9. - № 3. С. 164-171. - 1 а. л. (из перечня ВАК).
3. Котонаева Н.Г., Давнденко Д.А. Апробация метода радиозондирования ионосферы с низких высот как метода получения непрерывных вдоль орбиты характеристик ионосферы» /У Геомагнетизм и аэрономия. - 2012. - Т. 52. - № 4. С. 525-534- 1,2 п.л. (из перечня ВАК) (лично автором - 0,6 пл.).
4. Данплкин Н.П.. Авдюшин С. И., Журавлев C.B., Никитский В. П... Котонаева Н.Г., Кураев М.В., Алфёров К.А., Скоморох Р.В., Давнденко Д. В., Анишнн М.М. «Моделирование эксперимента по радиозондированию ионосферы с ИСЗ на базе КА «Прогресс-М» для поиска предвестников землетрясений» // Космонавтика и ракетостроение. - 2011. - № 6. С. 77-84-1, п.л. (из перечня ВАК) (лично автором - 0,1 п. л.).
5. 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).
6. Котонаева Н. Г. Z-кoмпoнeнтa магнпторасщепленного сигнала при радиозондировании из окрестности максимума концентрашш слоя ¥2И Известия ВУЗов, Радиофизика. - 2009. - Том 1Л1 - № 5-6. С.З 90-399. - 1 п.л. (из перечня ВАК).
7. Котонаева Н. Г., Скоморох Р. В. О структурных параметрах макронеод-нородностн ионосферы по данным радиозондирования с высот ниже максимума слоя ¥2И Геомагнетизм и аэрономия. — 2006. - Том 46 - №6. С. 769-774. -0,8 п.л. (из перечня ВАК) (лично автором - 0,4 п.л.).
8. Даннлкин 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 автором - 0.84 п.л.).
9. Данилкин Н. П.. Котонаева Н. Г. Расчет высотных профилей электронной концентрашш в ионосфере по нонограммам космической станции «Мир».// Известия ВУЗов, Радиофизика. - 2002. - Том Х1Л' - N5. С. 367 - 374,- 0,93 п.л. (из перечня ВАК) (лпчно автором - 0,46 п.л.).
10. Данилкин Н. П., Котонаева Н. Г. Особенности радиозондирования ионосферы с орбитального комплекса «Мир». / Радиофизика. Известия вузов. -2002. - Том Х1Л" -N6. С.473-481. - 1.04 п.л. (из перечня ВАК) (лично автором - 0,52 п.л.).
11. Данилкин Н. П.. Котонаева Н. Г., Анишнн М. М. Задержанный нижний след на спутниковых нонограммах - новое средство изучения макронеоднород-ностеи ионосферы// Известия ВУЗов. Радиофизика. - 2006. - Том ХЫХ. - №1. С. 9-20. - 1,3 п.л. (из перечня ВАК) (лично автором - 0,43 пл.).
12. Даннлкин Н. П., Котонаева Н. Г., Азизбаев М. Р. Коррекция ионосферных моделей непосредственными измерениями'/ Электросвязь. - 2007. - № 7. -0,8 п.л. (из перечня ВАК) (лично автором - 0,27 п.л.).
13. Даннлкин Н. П.. Котонаева Н. Г.. Азизбаев М. Р. Региональная коррек-
ция 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 автором - 0,3 п.л.).
14. Данплкин Н. П., Журавлев С. В., Котонаева Н. Г., Анишин М. М. Kv-раев М. А. Моделирование эксперимента по радиозондированию ионосферы с ИСЗ Космос 1809 при наличии вертикальных неоднородностей ионизации в арктическом регионе// Геомагнетизм и аэрономия, 2012, том 52. № 2, стр.245253 -1,1 п.л. (из перечня ВАК) (лично автором -0,2 п.л.).
15. Авдюшнн С. И., Данплкин Н.П., Котонаева Н. Г.. Арманд Н. А., С'алп-хов Р. С.. Боярчук К. А. Опыт н результаты радиозондирования ионосферы с борта орбитального космического комплекса МИР в свете использования малых космических аппаратов на низких орбитах// Космонавтика п ракетостроение - 2005. Вып. 3 (40). С. 9-17- 0,6 п.л. (из перечня ВАК) (лично автором -0,1 п.л.).
16. Котонаева Н.Г. Регистрация задержанных нижних следов на ионограм-мах ОК «Мир» при радиозондировании с высот ниже максимума слоя F2 // [Электронный ресурс]: Гелиогеофнзическпе исследования: научный электронный журнал. - 2013. - № 3,- Режим доступа URL:http://www.vestuik.geospace.ru. (дата обращения: 30.05.2013). - 1 п.л.
17. Pulinets S. A., Jann-Yeng Liu, Cluio Y. J., Dauilkin 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. -0,7 п.л. (лично автором - 0.1 п.л.).
18. Dauilkin N. P.. Kotonaeva N. G. Quantitative explanation of the satellite io-nograms taken within the F 2-layer maximum// International Journal of Geomagnetism and Aeronomv. - 2003. - Vol.4. - № l.C. 23-28. - 0,5 п.л. (.лично автором -0.25 пл.).
19. 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 Aeronomv. - 2003. -Vol. 4. №1. - С .2936. - 0,5 п.л. (лично автором - 0,17 п.л.).
20. Kalinin Yn. К.. Danilkin N. P., Larichev L., Sergeeuko N. P., Kotonaeva N. G. Macro-scale ionospheric irregularities registered by the MIR onboard ionosonde/7 International Journal of Geomagnetism and Aeronomy. - 2004. -Vol.4. - № 1. С. 16. - 0,5 п.л. (лично автором - 0,1 п.л.).
21. Kotonaeva N. G. Quantitative Explanation of the New Satellite Ionogiams Taken Below the F2-Laer Maximum. // XXVII GA of URSI. - Маастрихт, Нидерланды, 2002. - 0,4 п.л. (лично автором - 0,4 п.л.).
22. Kotonaeva N. G. Ionosphere irregularity mathematical models from satellite radio sounding data of heights below F2 maximum// XXVIII GA URSI. - Дели, Индия. 2005. - 0.3 п.л. (лично автором - 0,3 п.л.).
23.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 Techniques - Лондон. Великобритания, 2006. - 0,4 п.л. (лично автором - 0,4 п.л.).
24. Котонаева Н. Г., Скоморох Р. В. Горизонтальные градиенты электрон-нон плотности в экваториальной области по данным радиозондирования с орбитального комплекса «Мир»// Труды Международной научной конференшш Излучение и рассеяние электромагнитных волн ИРЭМВ-2009 — Таганрог-Дивноморское, 2009. - 0,61 п.л. (лично автором - 0,3 п.л.).
25. Пулинец С. А. Данилкин Н. П., Денисова В.И., Котонаева Н.Г. Системное радиозондирование ионосферы наземными п бортовыми нонозондамц'/ Труды Международной научной конференции Излучение и рассеяние электромагнитных волн ИРЭМВ-2011.Таганрог-Дивноморское, 2011г. -0,5 пл. (лично автором -0.12 п л.).
26. Котонаева Н.Г., Скоморох Р. В. Исследования многочастотных замкнутых траекторий КВ-радноволн с ИСЗ на высотах ниже максимума ионосферы'/ Труды Международной научной конференшш Излучение и рассеяние электромагнитных волн ИРЭМВ-2011,'Таганрог-Дивноморское, 2011г. -0,5 п л. (лично автором - 0,25 п.л.).
27. Котонаева Н. Г., Скоморох Р. В. Пространственное распределение электронной концентрации ионосферы по данным радиозондирования с последовательных витков ннзкоорбптального ИСЗ// Сборник докладов XXII Всерос-
сийской научной конференции по распространению радиоволн. Ростов-на-Дону, п. Лоо, 2008. - 0,25 п.л. (лично автором - 0,125 пл.).
28. 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.).
29. Danilkin N.. Kotonaeva N.: New Ionospheric Structures from the Data of Satellite 350 kin Height Radio Sounding.// XXVII GA of URSI - Маастрихт. Нидерланды, 2002. - 0.4 п.л. (лично автором - 0,2 пл.).
30.Dauilkin N. P.. Kotonaeva N. G.. Alferov К. A. Satellite Radiosounding of the ionosphere from Heights near to a Maximum of F2 Layer/710th International Conference on Ionospheric Radio Systems and Teclmiques - Лондон, Великобритания, 2006. - 0,4 п.л. (лично автором - 0,14 п л.).
31. Данилкин Н.П., Жбанков Г.А.. Журавлев С.В., Котонаева Н.Г. Трансионосферное радиозондирование - метод диагностики наличия ионосферных неоднородностей [Электронный ресурс]: Гелиогеофнзическне исследования: научный электронный журнал. - 2012. - № 2.-. Режим доступа: URL:http://w\v\v.vestnik.geospace.ru. (дата обращения: 30.05.2013). - 0,7 пл. (лично автором -0,14 п.л.).
32. Данилкин Н.П., Жбанков Г.А., Журавлев С В.. Котонаева Н.Г. Тран-споносферное радиозондирование - последовательность нонограмм при одном прохождении ИСЗ над наземной станцией [Электронный ресурс]: Гелиогеофнзическне исследования: научный электронный журнал. - 2012. - № 2,- Режим доступа: URL:http://\wv\v.vestnik.geospace.m. (дата обращения: 30.05.2013). - 0,7 п.л. (лично автором - 0,14 п.л.).
Подписано в печать: 14.09.2013 Объем: 2,5 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 913 Отпечатано в типографии «Реглет» 101000, г. Москва, Пл. Мястшкие Ворота д.1, стр.3 (495) 971-22-77 www .reglet, ru
Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора физико-математических наук, Котонаева, Надежда Геннадьевна, Москва
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОФИЗИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА Е. К. ФЕДОРОВА»
0520135203]
х На правах рукописи
Котонаева Надежда Геннадьевна
СПУТНИКОВОЕ РАДИОЗОНДИРОВАНИЕ ИОНОСФЕРЫ ИЗ ОКРЕСТНОСТИ ГЛАВНОГО МАКСИМУМА КОНЦЕНТРАЦИИ
ЭЛЕКТРОНОВ
Специальность 25.00.29 - «Физика атмосферы и гидросферы»
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Научный консультант д. физ.-мат. н. профессор Данилкин Н.П.
Москва-2013
СОДЕРЖАНИЕ
Введение...........................................................................................................................7
1 Морфологический анализ ионограмм и верификация результатов эксперимента по радиозондированию с орбитального комплекса «Мир»............22
1.1 Математическое моделирование эксперимента по радиозондированию с орбитального комплекса «Мир»...............................................................................22
1.1.1 Построение математической модели радиозондирования плоскослоистой ионосферы...................................................................................24
1.1.2 Построение математической модели радиозондирования ионосферы с нарастающей горизонтальной концентрацией электронов................................26
1.1.3 Математическая модель неоднородной концентрации электронов в ионосфере, основанная на введении функции распределения концентрации электронов в ионосфере...........................................................................................29
1.2 Аппаратура для проведения эксперимента по радиозондированию модуля «Природа» ОК «Мир»..................................................................................29
1.2.1 Аналоговые ионограммы ОК «Мир»......................................................31
1.2.2 Цифровые ионограммы ОК «Мир».........................................................33
1.2.3 Анализ шумов на ионограммах в цифровой записи.............................34
1.3 Полный перечень всех сеансов на ОК «Мир»..............................................37
1.4 Морфологическое исследование ионограмм и принципы интерпретации 44
1.4.1 Терминология............................................................................................44
1.4.2 Ионограммы с высот выше максимума слоя ¥2....................................44
1.4.3 Особенности ионограмм при зондировании с высот ниже максимума слоя ¥2. Задержанный нижний след.....................................................................47
1.5 Морфологический анализ ионограмм с ЗНС из различных районов земного шара..............................................................................................................49
1.5.1 Анализ времени и места регистрации ионограмм с ЗНС.....................49
1.5.2 Морфологические особенности ионограмм с ЗНС...............................51
*
1.6 Аппаратурная регистрация положения ионозонда относительно максимума ионосферы. Последовательность ионограмм, пересекающих максимум....................................................................................................................55
1.7 Сравнительная характеристика узловых деталей ионограмм при зондировании со спутников на различных высотах...............................................58
1.8 Верификация результатов зондирования с ОК «Мир»................................60
1.8.1 Сравнение результатов радиозондирования ОК «Мир» с данными наземных ионосферных станций.........................................................................60
1.8.2 Сравнение результатов радиозондирования с ОК «Мир» с данными наблюдений за спутниками системы NN88........................................................72
1.8.3 Сравнение результатов зондирования с ОК «Мир» с данными радара некогерентного рассеяния в г. Иркутске..............................................................78
1.9 Анализ геомагнитной обстановки во время проведения эксперимента по радиозондированию на ОК «Мир»...........................................................................80
Выводы...........................................................................................................................86
2 Траекторный синтез ионограмм.....................................................................88
2.1 Начало исследования сложных ионограмм..................................................88
2.2 Метод расчета траекторий, основанный на правиле Снелиуса..................92
2.3 Методика восстановления Ы(Ь)-профиля по следу отражения от Земли, на основе профиля, рассчитанного ионосферной моделью 1Ш...............................102
2.4 Траекторный синтез ионограмм на основе метода с использованием правила Снелиуса в рамках слоистой модели ионосферы.................................105
2.5 Траекторный синтез ионограмм на основе метода с использованием правила Снелиуса в рамках модели ионосферы, заданной функцией распределения концентрации.................................................................................108
2.6 Метод расчета возвратных траекторий на основе метода характеристик для уравнения эйконала с описанием движения луча и волнового вектора......110
2.6.1 Система характеристических уравнений.............................................110
2.6.2 Сравнение методов расчета для решения задачи распространения электромагнитных волн в неоднородных средах..............................................113
е
2.6.3 Вывод системы характеристических уравнений для уравнения эйконала.................................................................................................................115
2.7 Сравнение результатов расчета траектории методом характеристик и методом, основанным на выполнении правила Снелиуса...................................121
2.8 Анализ форм траекторий радиосигналов в условиях модельной ионосферы с горизонтальным положительным градиентом электронной плотности..................................................................................................................123
2.9 Анализ горизонтальных градиентов электронной плотности, вызывающих ЗНС на ионограммах.................................................................................................132
2.10 Методика определения направления градиента электронной концентрации по серии ионограмм с ЗНС.....................................................................................135
2.11 Основные этапы проведения численного эксперимента по моделированию условий возникновения ионограмм с ЗНС............................................................136
Выводы.........................................................................................................................139
3 Поведение г-компоненты магниторасщепленного сигнала при радиозондировании со спутника из окрестности высоты максимума электронной концентрации ионосферы...........................................................................................141
3.1 Математическое обоснование существования ъ - компоненты...............141
3.2 Ранние сведения о наблюдении ъ - компоненты.......................................143
3.3 Поведение г-компоненты в простом слое Чепмена...................................148
3.4 Поведение г-компоненты в условиях реальной ионосферы.....................154
3.5 Расчет профиля электронной концентрации по следам отражения о- и ъ-компоненты от ионосферы......................................................................................157
3.6 Некоторые замечания о погрешности расчетов /(^-профиля..................162
3.7 Восстановление Щ1)-профиля в условиях неполной информации...........165
Выводы.........................................................................................................................167
4 Исследование экваториальной ионосферы с высот из окрестности максимума электронной концентрации....................................................................169
4.1 Зоны резкого роста высоты максимума электронной концентрации и зоны резкого изменения плазменных частот в горизонтальном разрезе в планетарной ионосфере..................................................................................................................169
4.2 Анализ геофизических событий, наблюдаемых ОК «Мир» в экваториальной зоне весной 1999 г......................................................................172
4.2.1 Анализ геофизических событий, наблюдаемых ионозондом ОК «Мир» 2-3 марта 1999г.........................................................................................172
4.2.2 Анализ геофизических событий, наблюдаемых ионозондом ОК «Мир» 10-11 марта 1999г...................................................................................................175
4.2.3 Анализ геофизических событий, наблюдаемых ионозондом ОК «Мир» во время суточного сеанса 31 марта -1 апреля 1999г..........................................181
4.2.4 Анализ геофизических событий, наблюдаемых ионозондом ОК «Мир» 21 апреля 1999г......................................................................................................192
4.2.5 Анализ геофизических событий, наблюдаемых ионозондом ОК «Мир» 23 апреля 1999г......................................................................................................197
4.2.6 Анализ геофизических событий, наблюдаемых ионозондом ОК «Мир» в полуночные часы 5,6 и 7 мая 1999 г................................................................199
4.2.7 Анализ геофизических событий, наблюдаемых ионозондом ОК «Мир» в утренние часы 6-7 мая 1999 г..........................................................................211
4.3 Пространственно-частотные характеристики максимумов «гребней» ЭА весной 1999 г. по результатам исследования ОК «Мир»..................................214
4.4 Исследование возможности появления возвратных наклонных траекторий зондирующих радиолучей в условиях модели IRI...............................................216
4.5 Анализ следов невертикального распространения при отражении и рефракции только от плотных слоев ионосферы.................................................219
Выводы.........................................................................................................................229
5 Дополнительные возможности радиозондирования с низких высот по регистрации ионосферных неоднородностей. Использование результатов эксперимента в параллельных исследованиях.........................................................231
5.1 Воздействие ракетной техники на ионосферу Земли по результатам радиозондирования с орбитального комплекса «Мир».......................................231
5.2 Адаптация ионосферной модели на основе метода кригинга для решения практических задач. Расчет карты критических частот.......................................237
5.3 Региональная экстраполяция данных радиозондирования ионосферы с ОК «Мир» совместно с данными наземных ионосферных станций с использованием модели Ш1....................................................................................244
5.4 Использование результатов радиозондирования с ОК «Мир» в исследованиях других авторов...............................................................................250
Выводы.........................................................................................................................255
Заключение...................................................................................................................257
Выводы и рекомендации.............................................................................................261
Обозначения и сокращения, используемые в работе..............................................264
Библиографический список........................................................................................266
Приложения.................................................................................................................287
Приложение А Распределение критических частот и частот на высоте орбиты
ОК «Мир» 2-3 марта 1999 г........................................................................................287
Приложение Б. Распределение критических частот и частот на высоте орбиты ОК
«Мир» 10-11 марта 1999 г........................................................................................290
Приложение В Распределение критических частот и частот на высоте орбиты ОК
«Мир» 31 марта - 1 апреля 1999 г.............................................................................295
Приложение Г Распределение критических частот и плазменных частот на высоте
орбиты ОК «Мир» в апреле и мае 1999 г..................................................................305
Приложение Д Ионограммы ОК «Мир» с ЗНС.......................................................316
Приложение Е Ионограммы ОК «Мир» с аномальными следами из района космодрома «Байконур».............................................................................................326
Введение
Актуальность исследований, проведенных в диссертационной работе, обусловлена необходимостью и возможностью расширения потенциала метода вертикального радиозондирования ионосферы со спутников как за счет изменения высоты расположения ионозонда, так и за счет разработки новых типовых методов интерпретации и обработки нестандартных ионограмм и их последовательностей.
Метод вертикального радиозондирования ионосферы с наземных и бортовых ионосферных станций является одним из основных методов контроля ионосферы. В настоящее время он не только не утратил своего ведущего положения в системе методов диагностики состояния ионосферы, но и явился значимой частью создаваемой и воссоздаваемой системы оперативного мониторинга геофизической обстановки над территорией Российской Федерации [116]. Основная задача системы мониторинга - проведение наблюдений за состоянием атмосферы, ионосферы и околоземного космического пространства с целью обеспечения заинтересованных федеральных органов исполнительной власти и организаций текущей, прогнозной и экстренной информацией о геофизической обстановке. Полноценный мониторинг геофизической обстановки невозможен без использования широкого комплекса космических наблюдательных средств. Цель создания космического сегмента системы мониторинга геофизической обстановки - получение регулярной информации о состоянии параметров околоземной космической среды бортовыми средствами в спокойный период и в условиях возмущений природного и антропогенного характера. Для реализации указанной цели космический сегмент должен измерять физические характеристики окружающей среды, контролировать ее структуру, определять изменения параметров происходящих процессов и прогнозировать направление их развития.
Настоящее исследование представляет развитие метода вертикального радиозондирования в свете уменьшения высоты орбиты искусственного спутника Земли (ИСЗ) с ионозондом на борту до высот вблизи и ниже максимума элек-
тронной концентрации. Высота проведения экспериментов с ИСЗ по вертикальному радиозондированию ионосферы, а тем более спутникового мониторинга состояния ионосферы исторически обусловливалась разными фактами, как физической составляющей самого эксперимента, так и физическими и экономическими условиями запуска и под держания на орбите ИСЗ. Об оптимальной орбите спутника с ионозондом на борту до настоящего времени ведутся дискуссии. При этом без сомнения принимается то, что при исследовании ионосферы высоты в окрестности максимума концентрации электронов наиболее интересны с точки зрения практического использования данных для распространения радиоволн.
Поэтому работа, содержащая комплексный анализ результатов спутникового радиозондирования ионосферы с высот вблизи высоты главного максимума электронной концентрации (hmF2 ), которое дополняет и развивает систему методов радиозондирования на область высот ранее неиспользуемую и приносит неизвестные ранее и полезные для науки и практического применения сведения, является актуальной.
Степень разработанности проблемы
До 1958 года измерения в ионосфере в основном проводились на высотах ниже высоты hmF2 [39, 26]. Эти измерения проводились с Земли методом вертикального зондирования (ВЗ) или с использованием ракет. Развитие космической техники практически сразу породило идею использования ее для исследования ионосферы.
В 1958 г. в Советском Союзе по наблюдениям за радиосигналами первого искусственного спутника Земли была впервые из космоса определена электронная концентрация ионосферы [14].
Впервые исследования внешней ионосферы в планетарном масштабе были проведены на ионозонде на ИСЗ - «Alouette-1», который начал работу в 1962 году. С его помощью были проведены синоптические исследования внешней ионосферы в пределах полного цикла солнечной активности. «Alouette-1» был запущен перед минимумом солнечной активности и имел почти круговую орбиту с высотой около 1000 км [165]. Основное назначение этого бортового ионозонда своди-
лось к исследованию ионосферы на высотах больших hmF2. Эти измерения создали основу для теоретического осмысливания наблюдаемых явлений.
С тех пор целая серия спутниковых ионозондов - «Alouette-2», «ISIS-1-2», «Explorer -XX», «ISS-1,-2», «Интеркосмос-19», «Космос -1809» и др. - принесла огромное количество сведений о морфологии земной ионосферы, позволила оперативно строить планетарные карты основных ионосферных характеристик, которые являются одним из наиболее существенных моментов контроля и прогноза состояния ионосферы. [58, 62, 180, 182].
При этом ИСЗ «Alouette-1», «ISS -1,-2» имели полярные или близкие к ним орбиты. «Космос-1809» и «ISIS-2» летали на аналогичных орбитах с высотой 900 км и 1400 км соответственно. Орбиты спутников «Alouette-2», «ISIS-1», «Интер-космос-19» были эллиптическими: 500-3000 км, 570-3550 км и 500-1000 км, соответственно. Пи один из спутников с ионозондами на борту систематически не опускался ниже высоты максимума слоя F2. В последние годы появились интересные публикации о том, что ИСЗ «Интеркосмос-19» в отдельные моменты в области ярко выраженной экваториальной аномалии мог опускаться ниже высоты hmF2 [79].
Эти эксперименты несли большую информацию о внешней ионосфере. Но вместе с этим подобное зондирование имело ряд недостатков, так, например, на больших высотах увеличивается вероятность появления ионограмм, на которых зондирование не является вертикальным. Это может приводить к большим ошибкам в результатах расчетов зависимости концентрации от высоты: Л^-профиля. Так, по мнению автора статьи [166], это было проблемой при анализе ионограмм с ИСЗ «Alouette-2». Предполагают [166], что именно наклонное падение - одна из причин нестыковки Л^-профилей, рассчитанным по наземным и спутниковым данным.
Вертикальное зондирование с борта космических аппаратов (КА) на первых порах не позволяло контролировать структуру ионосферы ниже ее главного максимума, т. е. именно той области ионосферы, данные о которой наиболее необходимы для решения практических задач, связанных с распространением радиоволн.
В эксперименте на ИСЗ «Интеркосмос-19» были реализованы идеи трансионос�
-
Котонаева, Надежда Геннадьевна
-
доктора физико-математических наук
-
Москва, 2013
-
ВАК 25.00.29
- Спутниковое радиозондирование ионосферы из окрестности главного максимума концентрации электронов
- Коррекция модели ионосферы по данным спутникового радиозондирования со сверхнизких орбит
- Диагностика ионосферных возмущений над сейсмоопасными регионами
- Оценка параметров атмосферы и ионосферы по данным наземного и спутникового приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем
- Радиотомографические исследования ионосферы на трассе Москва-Архангельск
