авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Спутниковое радиозондирование ионосферы из окрестности главного максимума концентрации электронов

-- [ Страница 1 ] --

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

Москва – 2010

Работа выполнена в Государственном учреждении «Институт прикладной геофизики имени академика Е. К. Федорова» (ГУ «ИПГ»)

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией ГУ «ИПГ» Данилкин Николай Петрович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом ГУ «ИПГ» Тулинов Георгий Филиппович доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН) Карпачев Александр Трофимович доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники, главный научный сотрудник Научно-исследовательского института дальней радиосвязи (ОАО НПК НИИДАР) Шустов Эфир Иванович
Ведущая организация: Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета

Защита диссертации состоится « 22 » декабря 2010 в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 327.008.01 в Институте прикладной геофизики имени ак. Е. К. Федорова по адресу: 129128, г. Москва, Ростокинская ул., д. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной геофизики имени академика Е. К. Федорова

Автореферат разослан « »________________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 327.008.01

кандидат физико-математических наук Е.Н. Хотенко

Общая характеристика работы

Актуальность исследований, проведенных в диссертационной работе, обусловлена необходимостью решения комплекса проблем по разработке современных эффективных методов мониторинга ионосферы Земли.

В соответствии с Федеральной целевой программой «Создания и развития системы мониторинга геофизической обстановки над территорией Российской Федерации на 2008-2015 годы» предусматривается организация оперативного мониторинга геофизической обстановки над территорией Российской Федерации с целью обеспечения заинтересованных федеральных органов исполнительной власти и организаций текущей, прогнозной и экстренной информацией о геофизической обстановке. Основная задача системы мониторинга – проведение наблюдений за состоянием атмосферы, ионосферы и околоземного космического пространства. 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.

Одним из основных методов контроля ионосферы является метод радиозондирования ионосферы с наземных и бортовых ионосферных станций. Измеренные параметры ионосферы используются для прогноза ионосферного распространения радиоволн. В настоящее время радиозондирование не только не утратило своего ведущего положения в системе методов контроля состояния ионосферы, но практически превращается в метод контроля всей околопланетной среды.

Расположение ионозонда вблизи и ниже максимума электронной концентрации, несет дополнительную информацию об этой области ионосферы, наиболее интересной с точки зрения практического использования данных для распространения радиоволн. Между тем, именно здесь форма слоя F2 наименее хорошо известна, т.к. в большинстве методов расчета зависимостей электронной концентрации от высоты (N(h)-профилей) здесь заранее предполагается параболическое распределение электронной плотности либо в виде симметричного слоя Эпштейна (иногда выбираются другие модели), и экспериментальные данные подгоняются под это распределение. Расположение ионозонда на высотах вблизи и ниже высоты максимума концентрации электронов слоя F2 () позволяло ожидать более точного определения пространственной структуры плотности электронов в этой области.

Поэтому работа по исследованию результатов спутникового радиозондирование ионосферы с высот вблизи главного максимума электронной концентрации, которое дополняет и развивает систему методов радиозондирования на область высот ранее неиспользуемую и приносящую 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 искусственном спутнике Земли (ИСЗ) - «Alouette-1», который начал изучение ионосферы 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. Основное назначение этого бортового ионозонда сводилось к исследованию ионосферы на высотах больших . 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.

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 и 500-1000 км, соответственно. Ни один из спутников с ионозондами на борту не опускался ниже высоты максимума слоя F2. Спутник «Интеркосмос-19» в конце его существования в отдельные моменты мог опускаться ниже высоты , но отдельные исследования результатов радиозондирования с этих высот не публиковались.

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 трансионосферного зондирования. Результаты этого исследования показали возможность получать информацию о структуре ионосферы вблизи максимума слоя F2 на основе просвечивания ионосферы насквозь вблизи границы её радиопрозрачности. Была высказана гипотеза о том, что информацию об основных параметрах области F2 (критической частоте ионосферы - и высоте её максимума - ) можно получать, располагая ионозонд на любых высотах ионосферы, включая высоту её максимума плотности электронов.

Эксперимент, проведенный с использованием ионозонда, 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 , 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. Первоначальный анализ этих данных сразу показал необходимость их глубокого изучения для выяснения основного вопроса - является ли радиозондирование с этих высот столь же эффективным средством мониторинга ионосферы, как и зондирование с высоты 1000 км, а также какие оно дает новые возможности и перспективы в исследовании ионосферы. Ранее подобных работ, основанных на экспериментальном материале, не проводилось.

Целью настоящей диссертационной работы является развитие теории и практики непрерывного мониторинга, предназначенного для исследования ионосферы и 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 ионосферы, для обеспечения глобального и непрерывного мониторинга высотного распределения электронной концентрации ионосферы;
  • морфологический анализ и классификация экспериментального материала радиозондирования ионосферы с ОК «Мир»;
  • разработка алгоритмов расчета характеристик многочастотного распространения радиоволн, в частности частотных зависимостей действующих дальностей и вида траекторий, возвращающихся на спутник;
  • разработка алгоритмов и математических моделей неоднородного распределения электронной плотности в ионосфере, в рамках которых возможно решение обратной задачи радиозондирования восстановление распределения электронной концентрации;
  • апробация программ реконструкции пространственных распределений электронной концентрации ионосферы Земли по результатам спутникового зондирования с ОК «Мир»;
  • разработка методик восстановления профилей электронной концентрации по следам трех компонент магниторасщепленного 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 из окрестности главного максимума концентрации электронов.

Предмет исследования – ионограммы спутникового радиозондирования ионосферы из окрестности главного максимума, как средство определения электронной пространственной структуры ионосферы.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Эмпирической основой для решения поставленных задач стали результаты натурного эксперимента по спутниковому зондированию ионосферы с использованием ионозонда ИОН-1 автоматической ионосферной станции (АИС) АИ-804, установленного на ОК «Мир» с высотой орбиты порядка 350 км. Для анализа использовались экспериментальные ионограммы в цифровой записи, полученные с ОК «Мир», результаты наземного радиозондирования со станций, использованные для сравнения со спутниковым экспериментом, результаты томографического исследования ионосферных разрезов по данным GPS-сигналов в цепочке ионосферных станций Италии. Кроме этого использовалась эмпирическая модель ионосферы IRI-2001. Методологической основой для математического моделирования и 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. Альперта, Ф. Б. Черного, К. Девиса, Г. Байнона, Дж. А. Ратклиффта, М. П. Долуханова и др., работы А.Н. Тихонова по обоснованию метода математического моделирования, работы Н.П. Данилкина, П. Ф. Денисенко, О.А. Мальцевой, И.И. Иванова по определению пространственных и временных характеристик ионосферы по данным наземного, спутникового и трансионосферного радиозондирования, работы Д. Титриджа по методам расчета зависимостей электронной концентрации ионосферы от высоты, работы М. Д. Флигеля по анализу сложных ионограмм траекторными методами, работы Ю. А. Кравцова, Ю.И. Орлова, Р.С. Лоуренса, Д. Дж. Пасакони по методам расчета траекторий распространения радиолуча в ионосфере и др. Обработка ионограмм осуществлялась в соответствии с рекомендациями международного Радиосоюза, изложенными в «Руководстве URSI по интерпретации и обработке ионограмм».

Достоверность и обоснованность результатов и 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 исследований, а также выводами других авторов.

Научные результаты, выносимые на защиту

  1. Установлена эффективность метода радиозондирования с высот порядка 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, а во многих случаях и 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. Выявлена возможность использования метода радиозондирования с высот порядка 350 км как средства контроля состояния ионосферы Земли, заключающаяся в том, что радиозондирование ионосферы с высот ниже высоты максимума электронной концентрации особенно чувствительно к наличию горизонтальных градиентов электронной концентрации. Наличие крупных неоднородностей в районе зондирования вызывает на ионограммах дополнительные следы с большими групповыми задержками.
  3. Предложено объяснение новых ионограмм с дополнительными следами с высот ниже главного максимума ионосферы, состоящее в том, что наличие на ионограммах задержанных нижних следов с большими групповыми задержками вызывается фокусировкой радиоволн многих частот на спутник вследствие рефракции на резких горизонтальных градиентах концентрации электронов в структурах ионосферы как регулярного, так и нерегулярного характера.
  4. Разработана методика выделения крупномасштабных нерегулярных элементов локальной структуры ионосферы, состоящая в анализе возможных траекторий зондирующих лучей в модельной ионосфере с целью выбора тех из них, чьи действующие дальности соответствуют экспериментальным на каждой частоте зондирования.
  5. Проведено исследование элементов глобальной структуры ионосферы ниже высоты максимума ее концентрации в областях экваториальной аномалии, состоящее в построении электронной пространственной структуры локальной ионосферы в районе зондирования.
  6. Проведено исследование элементов локальной ионосферы – нерегулярных структур больших масштабов, состоящее в построении распределения электронной плотности, вычислении величины горизонтального градиента концентрации и скорости перемещения неоднородности.
  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.

Научная новизна результатов исследования:



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.