Содержание
Введение....................................................................4
1. Методы дистанционной радиодиагностики крупномасштабных ионосферных неоднородностей..........................................................16
1.1. Крупномасштабные неоднородности верхней атмосферы...................18
1.2. Методы зондирования ионосферных неоднородностей.....................23
1.3. Метод декаметрового зондирования ионосферы с космических аппаратов..29
1.4. Резюме..............................................................35
2. Восстановление параметров крупномасштабных неоднородностей электронной плотности методом декаметрового зондирования с низкоорбигального космического аппарата..................................37
2.1. Применение метода возмущений для расчета дистанционно - частотных характеристик траисиопосферных радиосигналов.......................38
2.1.1. О границах применимости метода геометрической оптики в задачах распространения радиоволн в ионосфере........................38
2.1.2. Использование метода возмущений для расчета дистанционночастотных характеристик радиоволн....................................40
2.1.3. Решение траскторпой задачи методом возмущений.................44
2.2. Результаты численного моделирования распространения радиоволн на трассе космический аппарат - Земля в условиях исвозмущенной ионосферы................................................................47
2.2.1. Модель регулярной ионосферы...................................47
2.2.2. Численная реализация метода характеристик для решения траскторпой задачи распространения радиоволн в ионосфере 48
2.2.3. Результаты расчетов траекторных параметров радиоволн ........50
2.3. Численный синтез возмущенных трансионограмм при декаметровом радиозондировании с космического аппарата..........................53
2.3.1. Модели крупномасштабных ионосферных неоднородностей...........53
2.3.2. Результаты численного моделирования трансионограмм с деформацией следа....................................................58
2.4. Методика определения параметров крупномасштабной неоднородности.....................................................68
2.4.1. Определение области пространственной локализации неоднородности.......................................................68
2.4.2. Восстановление интенсивности неоднородности...................70
2.4.3. Численный эксперимент по восстановлению параметров крупномасштабной неоднородности......................................73
2.5. Диагностика крупномасштабной неоднородности при зондировании из области максимума ионосферного слоя Р2............................76
2.6. Восстановление параметров слоистой неоднородности по вариациям фазы сигнала при внешнем вертикальном зондировании.....................79
2.6.1. Расчет вариации фазы сигнала методом возмущений...............80
2.6.2. Восстановление параметров слоистой неоднородности.............81
2.7. Резюме..............................................................86
3. Детекгирование крупномасштабной неоднородности при декаметровом радиозондировании с геостационарного космического аппарата...............88
3.1. Использование метода возмущений для расчета вариаций ДЧХ трансионосферных радиосигналов с учетом сферичности Земли.........88
3.2. Возможности обнаружения ионосферной неоднородности по вариациям трансионограмм....................................................95
3.3. Резюме..............................................................98
4. Определение параметров тонкой структуры крупномасштабных неоднородностей но фазовым характеристикам сигнала внешнего вертикального зондирования...............................................99
4.1.Флуктуации фазы отраженного сигнала при внешнем вертикальном зондировании ионосферы............................................99
4.2. Дисперсия фазовых флукгуаций радиоволн при отражении от крупномасштабной неоднородности с монотонным регулярным профилем диэлектрической проницаемости...........................103
4.3. Пространственный спектр фазовых флуктуаций.........................113
4.4. Определение параметров случайных неоднородностей...................116
4.5. Резюме.............................................................117
Заключение................................................................119
Литература................................................................121
ВВЕДЕНИЕ
4
Среди современных методов исследования состояния верхней атмосферы дистанционное радиозондирование с космических аппаратов занимает ведущие позиции [I]. В рамках Федеральной космической программы в ближайшей перспективе планируется организация регулярного мониторинга верхней атмосферы па основе совместного использования станций наземного вертикального радиозондирования и специализированных бортовых иопозондов [2]. При этом кон троль состояния приземной плазмы методом зондирования в диапазоне плазменных частот основных ионосферных слоев является достаточно перспективным. В настоящее время в целях организации системы мониторинга ионосферы проводится подготовка космического сегмента «Геофизика», состоящего из пяти космических аппаратов, в том числе четырех искусственных спутников «Ионосфера», оснащенных ио-нозоидами, работающими в диапазоне 0,1 - 20 МГц, то есть на пороге радиопрозрачности ионосферы. В связи с этим развитие теоретических основ метода дска-метрового радиозондирования с космических аппаратов в целях повышения cio оперативности и информативности, представляется особенно актуальным.
Существующие методы спутникового радиомониторинга верхней атмосферы предполагают использование различных космических аппаратов, начиная с низкоорбитальных вплоть до высокоорбитальных и геостационарных. В работах [3, 4] был предложен метод диагностики крупномасштабных неоднородностей ионосферы (с горизонтальными масштабами, сравнимыми или превышающими толщину слоя F2) на основе сс многочастотного радиопросвечивания с борта космического аппарата, находящегося па геостационарной или высокоэллиптической орбите. Согласно этому методу проводится анализ декамстровых трансионосферных радиосигналов, регистрируемых в нескольких наземных приемных пунктах. Отслеживая характеристики сигналов в этих пунктах, можно контролировать состояние среды за счет изменений в пространстве сканирования трапсиоиосферных сигналов. Другой метод диагностики ионосферы с помощью дскаметрового радиозондирования зондирования с борта космического аппарата был рассмотрен в работах [5-8]. Для его реализации было предложено использовать быстродвижущиеся низкоорбитальные космические аппараты. При этом организуется один или несколько назем-
5
пых пунктов наблюдения. Общность обоих методов диагностики заключается в том, что в них используются именно дскамстровыс радиоволны. Это важное достоинство, поскольку в данном случае просвечивание ионосферы осуществляется па пороге прозрачности, т.с. па частотах близких к критическим частотам слоя Р2. Это обеспечивает высокую чувствительность методов к ионосферным неоднородностям и позволяет эффективно исследовать структуру среды.
Одной из важных задач системы мониторинга ионосферы является диагностика крупномасштабных ионосферных неоднородностей, вызванных магнитными бурями, извержениями вулканов, высотными и наземными взрывами, запусками космических аппаратов, выбросами плазмогасящих и плазмообразующих веществ и др., в том числе и неоднородностей, возникающих в окрестности главного максимума ионизации над эпицентрами предстоящих землетрясений [9 - 11]. При этом восстановление параметров таких возмущений в целях контроля и прогнозирования является весьма важным. Изучение крупномасштабных ионосферных неоднородностей можно осуществить, анализируя зрансионосфсрныс радиосигналы на рабочих частотах, близких к критической частоте слоя Р2. При этом регистрация и обработка дистанционно-частотных характеристик (ДЧХ) трансионосферных радиосигналов в диапазоне частот, близком к порогу радиопрозрачносги ионосферы, проводимые в реальном времени, могут обеспечить контроль перемещения и изменения характеристик крупномасштабных неоднородностей.
Важно отметить, что вышеуказанные методы объединяет необходимость прямого численного синтеза возмущенных ДЧХ на трассах космический аппарат -Земля на этапе определения параметров ионосферных неоднородностей. Между тем, в реальных условиях численное моделирование ДЧХ представляет собой длительный и сложный процесс. Наибольшие временные затраты при этом требуются для осуществления пристрелки в пункт наблюдения зраекторий радиоволн на разных рабочих частотах. Пристрелка же в условиях интенсивного возмущения может быть существенно затруднена за счет неустойчивого поведения траисиоиосферных траекторий. Кроме того, прямое численное моделирование возмущенных ДЧХ не позволяет установить аналитические соотношения между характеристиками ДЧХ и параметрами неоднородности. Указанные трудности в определенной степени можно обойти, если при синтезе возмущенных следов ДЧХ, вызванных неоднородно-
стыо, наряду с численными методами использовать асимптотические решения задачи [12-20].
Хорошо известно, что крупномасштабные ионосферные неоднородности могут содержать топкую структуру в виде случайных неоднородностей электронной плотности. Информацию об этой структуре можно извлечь по эффектам рассеяния волн при внешнем вертикальном радиозондировании. Ранее явление малоуглового рассеяния в средах без отражения было достаточно хорошо изучено [21-28]. Однако проблема рассеяния волн в условиях отражения изучена в меньшей степени [29-38]. Исследование влияния области отражения на флуктуации фазы было проведено в ряде работ [30-331 для частного случая линейного слоя плазмы с флуктуациями диэлектрической проницаемости. 13 результате проведенных расчетов был сделай вывод о преобладающем влиянии па флуктуации фазы случайных неоднородностей, расположенных в области отражения радиоволны. Аналитическое решение данной задачи для произвольной модели профиля регулярной крупномасштабной неоднородности сопряжено с большими математическими трудностями. Однако изучение характеристик отраженной радиоволны с помощью асимптотических методов в некоторых случаях позволяет учесть влияние на флуктуации фазы рассеяния как в области отражения, так и на всем пути распространения радиоволны [39-42].
Цель работы состоит в исследовании траекторных характеристик дскамет-ровых радиосигналов, излученных с борта космического аппарата, численными и асимптотическими методами и разработке методик диагностики крупномасштабных ионосферных неоднородностей по характеристикам декаметровых сигналов с низкоорбитальных и геостационарных космических аппаратов.
Научная новизна:
1. Впервые предложен числспно-асимптотичсский метод синтеза трансионо-грамм с деформацией следа, вызванной влиянием локализованной крупномасштабной неоднородности электронной концентрации.
2. На основе результатов численного и асимптотического моделирования вариаций времени группового запаздывания траисионоеферных радиосигналов на
7
различных рабочих частотах показана возможность определения параметров крупномасштабной неоднородности по возмущенным следам па траисиоиограммах, полученных при различных положениях космического аппарата относительно наземного пункта наблюдения. Показано, что интенсивность и размеры локализованной неоднородности могут быть уверенно восстановлены по возмущенным участкам серии трапсиоиограмм, отвечающим вариациям времени группового запаздывания радиосигналов, распространяющихся сквозь ионосферу по наклонным и слабоскользящим вдоль уровня экстремальной ионосферной ионизации траекториям.
3. Па основе аналитического преобразования решения уравнения для флуктуации эйконала впервые получены выражения для дисперсии и пространственного спектра фазовых флуктуаций сигнала внешнего вертикального зондирования случайно-неоднородной ионосферы с произвольным монотонным профилем регулярной диэлектрической проницаемости. Эти формулы, не содержащие особенностей в точке отражения, удобны для численног о расчета и положены в основу методики диагностики турбулентных неоднородностей внешней ионосферы по статистическим характеристикам фазы сигнала в условиях полного отражения.
Достоверность результатов:
Достоверность результатов, представленных в диссертации, обеспечивается адекватным использованием математического аппарата, совпадением аналитических результатов в предельных частных случаях с известными из литературы, а также использованием для моделирования хорошо апробированных численных схем.
Научная и практическая ценность работы:
1. Предложенные методики определения параметров регулярных и турбулентных неоднородностей ионосферы по характеристикам сигналов внешнего зондирования с космического аппарата могут быть использованы при оценке пропускной способности систем космической связи.
2. Методики детектирования крупномасштабных ионосферных неоднородностей на основе синтеза трансионограмм применимы для контроля сейсмоионо-сферных возмущений.
8
3. Числсино-асимптотический метод синтеза трансионограмм с деформацией следа применим для идентификации искусственных возмущений, связанных с запусками космических аппаратов, мощным воздействием радиоволн на ионосферу, инжскцией химически активных веществ, а также для контроля несанкционированных воздействий на верхнюю атмосферу Земли.
Научные положении, выносимые на защиту:
1. Метод синтеза трансионограмм с деформацией следа с использованием численных и асимптотических методов расчета.
2. Методики детектирования крупномасштабных ионосферных неоднородностей на основе результатов численно-асимптотического моделирования деформаций дистанционно-частотных характеристик декамстровых радиосигналов, излученных с борта низколстящсго и геостационарного космического аппарата.
3. Методики определения параметров регулярных и случайных неоднородностей электронной концентрации, расположенных выше максимума слоя Р2, на основе результатов моделирования фазовых характеристик радиосигнала при внешнем вертикальном зондировании ионосферы с использованием аналитического преобразования решения уравнения для вариаций эйконала.
Апробация работы:
Результаты диссертации докладывались па V и VI Всероссийских научных конференциях «Физика плазмы в солнечной системе» (Москва, Институт космических исследований РАН, 2010, 2011 гг.), XXIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн (Йошкар-Ола, 2011 г.), Международных Байкальских молодежных научных школах по фундаментальной физике (БШФФ-2009, XI конференция молодых ученых «Гелио- и геофизические исследования»; БШФФ-2011, XII конференция молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом»), на Всероссийских научно-технических конференциях «Естественные и инженерные науки развитию регионов Сибири» (Братск, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.), па научных семинарах физического факультета Иркутского государственного университета, НИИ Прикладной физики ИГУ, кафедры физики Братского государственного университета, Института прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова, Института солнечно-земной физики СО РАН.
9
Результаты проведенных исследований были поддержаны Министерством образования и науки Российской Федерации - соглашение № 8388, грантами ФЦП №.14.В37.21.0785, Ж 14.В37.21.1294, фантом РФФИ №.10-02-00222.
Личный вклад автора:
Основные результаты работы получены либо лично самим автором, либо при его непосредственном участии.
Автору принадлежат:
1. Разработка алгоритмов и компьютерных программ расчетов, а также проведение всех модельных расчетов дистанционно-частотных характеристик радиосигналов, излученных с борта пизкодетящего и геостационарного космического аппарата.
2. Разработка методики определения пространственной локализации и интенсивности крупномасштабной ионосферной неоднородности на основе результатов моделирования возмущенных трансионофамм.
3. Результаты численного и асимптотического моделирования фазовых флуктуаций радиоволны при малоугловом рассеянии и полном отражении от крупномасштабной неоднородности с тонкой турбулентной структурой.
4. Разработка методик восстановления параметров регулярных и случайных неоднородностей по фазовым характеристикам сигналов внешнего миогочастотио-го вертикального зондирования ионосферы.
Публикации
Результаты диссертации опубликованы в 15 научных работах в российских и зарубежных изданиях, в том числе четыре статьи в журналах из списка ВАК «Известия вузов. Радиофизика», «Journal of Atmospheric and Solar-Tcrrcstrial Physics», «Геомагнетизм и аэрономия», «The Open Atmospheric Science Journal», а так же в трудах и сборниках докладов международных и российских научных конференций.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 145 наименований. Общий объем диссертации 135 страниц, включая 44 рисунка и 15 страниц списка литературы.
10
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность исследований, обозначены цели и задачи работы, сформулированы научная новизна и научно-практическая ценность работы. Перечислены научные положения, выносимые на защиту. Приводится кра ткое содержание работы.
Первая глава содержит обзор методов дистанционной радиодиагностики крупномасштабных ионосферных неоднородностей.
В п. 1.1. приведены сведения о наблюдаемых крупномасштабных ионосферных неоднородностей различной природы (сейсмоионосферныс неоднородности, отклики высотных взрывов, результаты выбросов плазмогасящих и плазмообразующих веществ и др.). Приведены некоторые результаты экспериментальных исследований по детектированию и диагностике ионосферных неоднородностей.
В п. 1.2. описаны современные методы дистанционной радиодиагностики ионосферных неоднороднос тей. Приведен обзор методов наземного вертикальною, наклонного и трансионосфсриого зондирования. Описаны методы лучевой радиотомографии и двухчастотного радиозондирования с помощью спутников глобальных наши анионных систем. Рассмотрены основные достоинс тва указанных методов.
В н. 1.3. сделан обзор современных методов декаметрового радиозондирования с космических аппаратов, таких как метод внешнего вертикальною зондирования, метод прямого и обратною трансионосферного зондирования с низкоорбитальных и геостационарных искусственных спутников Земли, метод радиозондирования из области максимума ионосферного слоя Р2. Описаны основные достоинства данных методов при решении задач диагностики неоднородностей верхней атмосферы. Приведены результаты исследований с помощью космических аппаратов. оснащенных бортовыми ионозондами. Обозначены основные задачи и перспективы развития метода декаметрового радиозондирования.
Вторая глава посвящена разработке численно-асимптотического метода восстановления параметров крупномасштабных неоднородностей электронной
11
концентрации по результатам декаметрового зондирования с низкоорбитального космического аппарата.
В п.2.1, в приближении геометрической оптики решена задача трапсиоио-сферного распространения радиоволны на трассе космический аппарат - Земля в декартовой системе координат. Рассмотрены критерии применимости гсометрооп-тического приближения. В результате решения краевой траекторпой задачи методом малого параметра получены соотношения для поправки к групповому времени запаздывания сигнала и траектории радиоволны на различных рабочих частотах. При этом крупномасштабная ионосферная неоднородность представлена в виде малой поправки к функции диэлектрической проницаемости невозмущениой ионосферы. Полученные соотношения позволяют приближенно рассчитать деформацию ДЧХ при внесении в ионосферу крупномасштабного возмущения.
В п. 2.2. приведены результаты численного моделирования распространения радиоволн в невозмущениой ионосфере на трассе космический аппарат - Земля. Представлена модель диэлектрической проницаемости верхней атмосферы, используемая для траекториых расчетов. Для описания невозмущеипой ионосферы использована двухслойная гауссова модель диэлектрической проницаемости. С помощью численного решения системы лучевых уравнений в декартовой системе координат посгросны траектории радиоволн в невозмущенной ионосфере для различных начальных параметров задачи. По результатам численного моделирования построены ДЧХ и дистанционно угловые характеристики для различных положений космического аппарата.
В п. 2.3. приведены результаты численного моделирования распространения радиоволн в возмущенной ионосфере. Рассмотрены различные модели ионосферных неоднородностей, использованные в более ранних работах. Предложена модель крупномасштабной ионосферной неоднородности, позволяющая задавать возмущения как с плавными, гак и с более выраженными краями локализации. Показано, что внесение в ионосферу такой неоднородности создает выраженную деформацию следа численно синтезированных ДЧХ. Показано, что вариации 1руппо-вого времени запаздывания обусловлены отклонением транснопосферных лучей неоднородностью и накоплением запаздывания при прохождении лучей через толщу неоднородности. При этом наиболее сильно отклоняются лучи, проходящие че-
- Київ+380960830922