Спутниковое радиозондирование ионосферы из окрестности главного максимума концентрации электронов

Вид материала

Автореферат

Содержание Вторая модель – основная – заключалась в задании функции распределения плотности концентрации электронов N(x, z) в виде N(h)- профиль); a, b, L Моделирование траектории радиоволны происходит следующим образом Алгоритм расчета траектории радиоволны от ИСЗ в ионосфере любой структуры реализован для обеих математических моделей и использо 4. Разработана методика выделения крупномасштабных нерегулярных элементов локальной структуры ионосферы ниже высоты максимума ко 5. Проведено исследование элементов глобальной структуры ионосферы ниже высоты максимума ее концентрации в областях экваториальн 6. Проведено исследование элементов локальной структуры ионосферы в местах регистрации ионозондом нерегулярных неоднородностей б

Подобный материал:

• 0 Распределение "свободных" электронов по энергиям, 497.38kb.
• Программа курса введение. Базовые идеи и материалы для построения структур пониженной, 17.33kb.
• I. результаты, представляемые в доклад президента ран, 1441.88kb.
• Те исследуется угловое распределение и энергетический спектр электронов при облучении, 18.67kb.
• Лекция Теорема Тейлора. Формула Тейлора, 82.68kb.
• Гигиеническая оценка массовой концентрации мышьяка в питьевых водах, 25.76kb.
• Геологической структурой по концентрации и разнообразию колчеданных месторождений,, 190.6kb.
• Лекция 1 вводная (основы физики полупроводников строение вещества), 51.28kb.
• Положение об Отделе главного механика, 127.82kb.
• Положение об отделе главного технолога I. Общие положения, 98.71kb.

Вторая модель – основная – заключалась в задании функции распределения плотности концентрации электронов N(x, z) в виде

, (2)

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

a, b, L_x, L_y,  – параметры, влияющие на размер, интенсивность и положение неоднородности.

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

Моделирование траектории радиоволны происходит следующим образом:

• задается первоначальное направление движения от передатчика (для последующих шагов рассчитывается) по направлению вектора ;
  
• задается шаг расстояния , пройденного лучом в одном направлении;
  

• определяются координаты радиус-вектора новой точки траектории по формуле
  

,

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

• определяется номер слоя, в котором находится получившаяся точка, и соответствующие коэффициент преломления и вектор нормали к поверхности ;
  
• в соответствии с законом преломления вычисляются координаты новой волновой нормали .
  

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

а) б)

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

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

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

В работе проведен морфологический анализ ионограмм с ЗНС из различных районов земного шара. Данные ионограммы всегда регистрировались в виде серий кадров, причем на последовательности можно наблюдать процесс формирования и разрушения следа – на нескольких первых ионограммах он короткий, затем четко выраженный, с протяженностью по частоте до конца диапазона зондирования, в конце серии след становиться диффузным, не четко выраженным, но по-прежнему длинным. Во многих случаях интервал действующих высот, регистрируемый на ионограммах, был недостаточен для отражения ЗНС. Серии ионограмм с ЗНС были зафиксированы в разных регионах. Широтный диапазон изменялся от 48 до +34 и в разное местное время от 11,5 до 23,5 часов. Всего было получено 178 ионограмм в 17 сериях, на которых можно отчетливо выделить задержанный нижний след.

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

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

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

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

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


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

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

Основные этапы данной методики:

1. Выделение из экспериментального материала серии ионограмм с ЗНС.
   
2. Подготовка экспериментальных данных к расчётам. С использованием модели IRI-2001и ее корректировки по высоте и плазменной частоте на высоте спутника вычисляется первоначальный N(h)-профиль. Проверка адекватности рассчитанной зависимости производиться путём расчёта вертикальных траекторий в невозбуждённой ионосфере без неоднородности, вычисления действующих дальностей следа отражения от Земли и сравнения их с экспериментальными результатами.
   
3. Введение неоднородности, учитывая ее влияния на вертикальный профиль под спутником, и вторичная корректировка вертикального N(h)-профиля.
   
4. Последовательный подбор параметров неоднородности (2) и расчеты многочастотного распространения радиоволн с целью получения комплекса траекторий с действующими расстояниями, соответствующими экспериментальным значениям дальностей ЗНС. В диссертации приводятся рекомендации по оптимизации времени подбора параметров.
   

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

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

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

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

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

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



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

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

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

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

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

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

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

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



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


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

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

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



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

Суть численного эксперимента состояла в следующем. Ионосферу делили на n слоев, для каждой зондирующей частоты в каждой точке вычисляли значения параметров , и

до тех пор, пока Х(X_z;1+Y).


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

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

Х = 1 + Y,

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

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

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

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

На примерах, в частности, ионограммы рис. 8 г проведены расчеты f(h)-профиля отдельно по следам отражения от ионосферы o- и z-компонент. Для восстановления профиля по следу обыкновенной компоненты можно воспользовались одним из методов решения обратной задачи. При восстановлении профиля по следу z-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 ионограммам, что в условиях ионограмм с неполной геофизической информацией совместный учет всех трех компонент магниторасщепленного сигнала позволяет восстановить недостающие сведения. Таким образом, вычисление характеристик плазмы по следам отражений различных компонент дает возможность улучшить пространственное разрешение измерений с помощью ионозонда.