Мониторинг ионосферы с целью диагностики естественных и искусственных возмущений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

1Л К \)й 118 пРава* РУ110111100

¿3 Г.ЛИ! ■- ■ Чивилёв Виктор Иванович

УДК 517.985; 621-З^Ь.24; 534.26

МОНИТОРИНГ ИОНОСФЕРЫ С ЦЕЛЫ) ДИАГНОСТИКИ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ИСКУССТВЕННЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ

Специальность: 01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата ф^^кс/ математических паук

Работа выполнена в Московском физико-техническом институте.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Д.С. Лукин, кандидат физико-математических наук Е.Б. Ипатов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор В.Е. Кушщын, доктор физико-математических ааук, профессор А.Б. Самохив

Ведущая организация: Институт генного магнетизма, ионосферы в распространения радиоволн РАН

Защита состоится " " иУРРИ,М. 1ЭЭТ г. в час. ^ мин. на заседании Специализированного совета К 063.91.02 в Московском фдзико-тегническом институте по. адресу: 141700, г.Долгопрудный, Московской области. Институтский шр., 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЫФГИ. Автореферат разослан .^¿Х & 19ЭТ г.

Учений секретарь Специализированного совета

С.М. Коршунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ "

Актуальность темы. Для создания высокоэффективны!, систем . связи, радиолокации, навигации, использувдих ионосферные каналы распространенвния коротких радиовода, требуются 'знания о структуре земной ионосферы и характерных особенностях распространения в ней радиоволн; Сведения о состоянии я поведении ионосферы, соприкасающейся с нейтральной атмосферой, дают новые возможности для мониторинга процессов в нейтральной атмосфере и сейсмических процессов в земной коре'и .прогнозирования этих процессов. Чувствительность ионосферной плазмы к земным геофизическим процессам имеет фундаментальное значение, так как может быть использована для выявления новых геофизических закономерностей, что повлечет за собой решение ряда прикладных задач связанных с хозяйственной . деятельностью Человека и безопасностью его существования. .Поэтому исследование параметров ионосферы важно для решения как приклад- : них, так и фундаментальных задач.

Наибольший объем информации о > состоянии „ ионосферы дает радиозондирование. Современные методы радиозондирования. включают . в себя вертикальное зондирование, наклонное зондирование, . воз-"Г врвтно-наклойше зондировниэ, внешнее зондирование,' трансионосферное зондирование. Первые три вида зоьодфовашй^оеущэ.ствляются с поверхности Земли. Последние два - с помощью космических алла- -ратов. Использование космических аппаратов ;уш радиозондирования * -и развитие методов обработки информации делают весьма перспективной радиотомографию ионосферы.

При интерпретации результатов радиозондирования, в частности, при восстановлении профилей электронной концентрации ионосферы, в большинства " случаен предполагается сферическая слоистость ~ - ионосферы и плавность зависимости электронной концентрации от * ^йространственных ~"координат, .т.е. отсутствие резких гадиентон электронной концентрации....В реальной же'ионосфере..сущчствукт -горизонтальные градиенты и резкие градиэнти электронной концонт- * "•• -рации, раатгшыв' волновые, процессы. Горизонтальные градиенты нарушают сферическую слоистость ионосферы.- Из-за .резких грзднчн-. тов электронной концентрации возникают частичные отражения элбкт- - •- -ромагнитных волн. Волновые процессы в ионосфере вызывают появле-

ниа перемещащихся. возмущений электронной концентрации, в той числе и квазипариодических структур для электронной концентрации» Все вою приводит к ряду эффектов, наблюдаемых в экспериментах по радиозондированию и не поддающихся интерпретации при неучете в ионосфере горизонтальных градиентов, резких градиентов и волновых возмущений электронной концентрации. Например, до настоящего времени не было ясности в природе возникновения двойных трансаоно-грамм.

Интерпретация результатов радиозондирования должна быть адекватна реальным процессам в ионосфере. Актуальность проблемы адекватной интерпретации связана не только с мониторингом самой ионосферы, но и с мониторингом различных -геофизических возмущений атмосферы через мониторинг ионосферы.

Цель работы состоит в следупцем: .

1. Проанализировать условия частичного отражения электромагнитной волны при наличии в"ионосфере резкого градиента электронной концентрации, скачка градиента электронной концентрации, периодической структуры для электронной концентрации.

. 2.. Исследовать возможность приема электромагнитных сигналов, частично отраженных от областей ионосферы, имеющих для электронной концентрации" резкий градиент, скачок градиента или периодическую структуру. о

3. Проанализировать механизмы, которые могут привести к появлению дополнительного следа на трансионограммах. Численными методами исследовать эти предполагаемые механизмы. Выявить природу возникновения двойных траисиоиогракм.

4. На основе численного моделирования исследовать поведение трансионограмм при наличии горизонтальных градиентов электронной концентрации. ".

Научная новизна и практическая ценность данной работы заключаются в следующем:

1. Рассчитаны высотные профили эффективной частоты соударений электронов с различными, компонентами, в ионосфере Земли для высокой и низкой солнечной активности.

2. Детально исследовано частичное отражение электромагнитных волн от областей ионосферы Земли с резким градиентом электронной

концентраций или периодической структурой для электронной концентрации.

3. Разработан метод восстановления профиля влв«тройной концентрации ионосферы по вкспериманталышм ионограммвм в ряжах заданной модели ионосферы с изменявшимися' параметрами.

4. Впервые предложена и обоснована гипотеза о наличии в области ? ионосферы (при' определенных -условиях) долины с резким

. вертикальным градиентом электронной концентрации. Наличие в ионосфере такой долины - новое геофизическое явление.

5. Впервые дало объяснение природа возникновения двойных трвнсионограмм.,

6. Исследована многомодовая структура Сигнала импульсного зондирования с учетом в ионосфере горизонтальных градиентов электронной концентрации. " . '

На защиту выносятся:

1. Результаты расчета высотных профилей эффективной частоты соударений электронов с различными компонентами в ионосфере Земли для высокой и низкой солнечной активности.

2. Учет частичного отражение влектромагнитных волн-от облас- ' тей ионосферы Земли с резким градиентом электронной концентрации или периодической" структурой, для электронной концентрации при интерпретации результатов радаюзондарования." -

3. Гипотеза о наличии в области 7 ионосферы при определенных условиях долины с резким градиентом электрогаой концентрации.

4. Объяснения природа возникновения двойных трансионограмм.

5. Влияние горизонтальных градиентов электронной концентрации на- характер принимаемых сигналов трансионосфьрного зондирования.

" Апробация.-результатов. Основные результата и вывода, приведенные в диссертации, докладаважсь■ и-обсуждались на:

- 4 международной научно-технической конференции" Таспрост---ранение и.-дифракция электромагнитных вопн в неоднородных срчдвк?-

( 1994, Вологда ); ' • ... _

- 18 Всероссийской конференции по распространению"- . ( 1996, Санкт-Петербург );

- на научных конференциях ИТТИ 1994-1096 годов.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10.научных работах.

Структура и объем «работы. Диссертация состоит из введения, ^ ' четырех глав и заключения. Общий объем работы составляет 149 страниц. Число рисунков в работе 36, таблиц - 1. Список использованной литературы вкдрчаат 136 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, указаны ее цель, новизна и практическая ценность, сформулированы основные результаты, полученные автором, кратко изложены содержание в структуре диссертации.

В первой главе поставлены проблемы, возникающие при радиозондировании ионосферы Земли. Дан краткий обзор и сравнительный -анализ основных методов радиозондирования ионосферы, позволяющих осуществлять ее мониторинг. Рассмотрены следующие методы: вертикальное зондирование (ВЗ), внешнее зондирование. (ВнЗ), наклонное зондирование (НЗ), возвратно-наклонное зондирование (ВНЗ), ЛСД-метод наклонного зондирования, трансионосферыое зондирование (ТИЗ). Несколько более' подробно описан метод трансионосферного зондирования .ионосферы, поскольку это понадобится в дальнеРлвм (глава 4) при объяснении природы возникновения двойных трансионо-грамм и их численном моделировании.

Во второй главе проведен краткий анализ и сравнение существующих радиофизических моделей электронной концентрации в ионосфере' Земли с учётом преимуществ и недостатков отдельных моделей. Описана полуэмпирическая модель Б.К. Чинга и Е.Т. Чиу, удобная из-за возможности ее модификации при помощи корректировки параметров модели для конкретных условий.

' Приведены рассчитанные автором диссертационной работы высотные профили эффективной частоты соударений электронов с различными частицами в ионосфере Земли для низкой и высокой солнечной активности (рис. 1,2).. Обозначения на рис. 1,2: Ь - расстояние от поверхгости Земли (высота); , , у0, ^ и - частоты

соударения электронов, выраженные в с-1, с азотом, кислородом,

»

Ряо.1. Чаототв соударений электронов для минимума солнечной вктивности. 3 - н2, о2, о, п, 1, пробел.

Г1.;с.2. Частота соудн^лшй гшжт[)ошт для м/жснмумп солно'июЯ активности. \) - ¡¡г, .о , о, п, 1, пробил.

атомарным кислородом, нейтральными частицами и ионами, соответст-. веино; у « уп + - аффективная частота соударений электронов, ' уп " г'н * + Результата расчетов аффективной частоты

соударений электронов были использованы в дальнейшем при компьютерном моделировании распространения электромагнитных волн а ионосфере.

В третьем параграфе в той главы дав небольшой обзор моделей .ионосферных возмущений.

Третья глава посвящена методам расчета и физическим проблемам, возникающим при формировании принимаемого сигнала.

Изложено рвзработанное в конце 60-1, начале 70-х годов приметшие метода характеристик к решению численными методами аадач распространения электромагнитных волн в неоднородных анизотропных, средах в трехмерном случае. При изучении распространения электромагнитных волн а ионосфере приходится сталкиваться о областями фокусировки волн со сложной дифракционной структурой поля, Исследовать которую в большинстве случаев можно только численными методами. Описан метод, решающий ату проблему, - метод канонического оператора Маслова (КОМ) в применении к задачам распространения влектромагнитных волн.

Исследована топология лучей и каустик при наклонном распространении электромагнитных волн КВ диапазона.

Рассмотрены, теоретические предпосылки для отражения электромагнитной волны при наличии в ионосфере скачка показателя преломления и скачка градиента показателя преломления. Проведены численные оценки коэффициента отражения от слоя с резким градиентом показателя преломления. Исследована возможность частичного отражения электромагнитной волны при наличии периодической.структуры для показателя преломления ионосферы. Получена формула для коаф-фцциента отражения при заданной . величине малого периодического возмущения показателя преломления ионосфера, рассмотрен олучйй резонансного отражения. Для резонансного отражения от периодической структуры, созданной акустической аолной в ионосфере, выведена зависимость коэффициента отражения от интенсивности акустической волны к параметров ионосферы в месте отражения. Проведены числощщв оценки возможности регистрации влектромагнитных волн, отраженных от акустической волны в ионосфере.

Предложен в разработан метод восстановления профиля электронной концентрации ионосферы по экспериментальным иоиограммам, основанный на применении метода наименьших квадратов для минимй-вации отклонений рассчитанных величин групповых путой радиоволн от оксперимонтальншс.

В четвертой главе изучены вопросы, возникшие в ¡экспериментах по трансионооферному зондировании (ТИЗ) и для которых к настоящему-моменту не'найдено удовлетворительного объяснения''

Предложены и проанализированы три механизма для обхяснонин появления второго следа на двойных трансионогрпммнх.

В основу перво;-о механизма легло предположение о существовании в области Р ионосферы долины с резким вертикальным i-рндионтим электронной-концентрации. Частичное отражение иликт^мчптгша ' волн от области о резким вертикальным градиентом елоктронаий концентрации в долине и привело к возникновению второго сладе".

Согласно второму механизму дополнительный след ни чрьииасно. граммах формируется в результате частичного отражении ьлектримаг ни тип волн от области со слабим периодическим щюотранствошшм возмущением показателя преломления ионосферы Земли.

Третий механизм предполагает, что • дополнительный след им трансионограммах образуется из-за отражения от протяженной крупномасштабной неоднородности ионосферы.

Для исследования этих механизмов была подобрана модель профиля электронной концентрации ионосферы, даншии расчетную ионо-. грамму вертикального зондировншш (ВД), близкую к аксцеримонталь-ной (рис.3). Электронная концентрация внешней Monocalwpti н подобранной модели была согласована с экспериментальной ионсграммой внешнего зондирошшяя. Численным расчетом ня 'JIM о помощь« метод!! характеристик получены двойные трансионограммы для подоконий спутника и приемника, взятых из эксперимента. Для парного и ьто poro механизмов расчетная и экспериментальная двойные трнноионо-грамлы хорошо соглаоушея .(рис.3). Но рис.3 Г - частота зондирования, h* - действующая высота на ионограмме ВЗ, - D' --. грушюьон запаздывание сигнала ТИЗ. Для третьего механизма но получено удовлетворительного, согласия. Проводекы оценки величины ослабли -шит дополнительного сигнала для первого и второго механизмов. Сделан вывод, что результаты исследований дают основагло считать,

f

эксперимент, сплошные - численное моделирование.

что дополнительные следы на экспериментальных трансионограммах появляются из-за наличия первого или второго механизмов. *

Рассчитана трансионограмма при наличии в ионосфере горизонтальных градиентов влектронвой концентрации и рассмотрено поведение многочастотного следа на трансионограмме при подходе к критической частоте слоя Р2 ионосферы.

В заключении ■ сформулированы основные результаты диссертационной работа:

1. Рассчитаны высотные профили эффективной частоты соударений электронов в ионосфере Земли' с азотом, молекулярным кислородом; • атомарным кислородом, нейтральными частицами, ионами и со Есеми »частицами в суымё для низкой и высокой солнечной активности

2. Исследовано частичное отражение электромагнитных волн от областей ионосферы Земли с резким градиентом электронной концеит-. • рации или периодической структурой для электронной концентрации. Получена формула для коэффициента отражения при заданной величин« малого периодического возмущения электронной концентрации. Для резонансного отражения от периодической структуры, созданной . акустической волной в ионосфере, выведена зависимость коэффициента отражения от интенсивности акустической волны и параметров ионосферы в месте отражения. Опираясь на численные оценки, сделан . вывод о возможности регистрации электромагнитных ж>лн, отраженных . от акустической волны в ионосфере.

3. Предложен, разработан и реализован метод восстановления профиля электронной концентрации ионосферы по экспериментальным ионограммам импульсного зондирования в рачках заданной модем ионосферы с изменяющимися параметрами.

4. Предложена и обоснована гипотеза о появлении при опреде-лента условиях в.области Р ионосферы долины с резким градиентом электронной концентрации. .Наличие такой, долшш - новое геофизическое явление, изучение которого представляет самостоятельный интерес:

5. Дано объяснение природа возникновения двойных траниионо-грамм. Объяснение. основано на анализе возможных механизмов появления второго следа на двойных трансионограммах и численном ' моделировании. Сделан вывод, что дополнительные следа на экспери-

ментальных трансионограммах появляются из-за частичного отражения в области Р ионосферы от долины с резким вертикальным градиентом электронной концентрации или от периодической структуры для электронной концентрации.

6. Получена приближенная зависимость, с помощью которой по известному значению разности групповых запаздываний дополнительного и основного следов трансионограммы можно легко оценить высоту расположения полупрозрачного зеркала (области, где электромагнитная волна частично отражается) и наоборот.

7.- Дано объяснение наблюдавшегося в экспериментах приема сигналов ТИЗ на частотах близких и даже меньших критической частоты 10?2 слоя Р2 ионосферы. Объяснение основано на факте наличия в ровльной ионосфере горизонтальных градиентов электронной концентрации, вызывающих многомодовую структуру принимаемого многочастотного сигнала ТИЗ. Многомодовость приводит, как показала численное моделирование, к появлению дополнительных'фрагментов на трансионограммах, которые могут восприниматься при определенных условиях, как продолжение основного следа в область частот, близких к Г0Р2.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ . . "'

1. Казанцев А.Н., Данилин В.А., Чивилёв В.И. Поглощение радио-' волн при вертикальном зондировании ионосферы// Геомагнетизм и аэрономия. 1973. 1.13. N 3. С.523. ,

2. Чишж'« В.И. О природе возникновения двойных трансионограмм// Распространение и дифракция электромагнитных волн: Междуведомственный сборник/ МФТИ. .М., 1993. С. 153-161.

3. Данилкин Н.П., Иванов И.И., Платов Е.Б.,-Чивилав В.И. Модели-■ ровашм дополнительного следа на двойной трансионограмме// IV

Международная научно-техническая конференция "Распространение и дифракция электромагштмх волн в' неоднородных средах". Тезисы докладов. / М.: РНГО РЭС. .1994. С.203-205.

4. 'дш/лоь В.И. ' Подход к критической частоте слоя Р2 на транс-иокогрз'.'-'.^х// Проблемы дифракции и распространения волн: Междуведомственный сборник/ МФТИ. М-, 1994 . 0.149-153.

5. Чивилйв В.И., Лукин Д.С., Платов Е.Б. Частичное' отражение

. электромагнитных волн от слабых периодических пространственных возмущений показателя преломления ионосферы Земли// Проблемы ■ распространения и дифракции электромагнитных волн: Междуведомственный сборник/ МФТИ. Ы., 1995. С.155-160.

6. Данилкин Н.П., Иванов И.И., Платов Е.Б., Чивилйв В.И. Природа возникновения двойных трансионограмм// Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т.36. N2. С.96-103.

Т. /патов Е.В.,. Чивилйв В.И. Анализ механизмов возникновения дополнительных следов на трансионограммах // 18 Всероссийская конференция по распространению радиоволн."С.-Петербург, 1996.

•" Тезисы докладов./ М.: Ротапринт ИРЭ РАН, 1996. Т.2.-С.342-343. ■ : -

8. Платов Е.Б., Чивилйв В.И. Траясионограммы вблизи критической частоты слоя F2 // 18 Всероссийский конференция по раецрост-. ранению радиоволн. С.-Петербург, 1996. Тезисы докладов./ IL: Ротапринт ИРЭ РАН, 1996. Т.2. С.347-343.

9. Ипатов Е.Б., Лукин Д.С., Чивилйв В.И. Частичное отражение электромагнитных волн от областей с периодическим возмущением показателя преломления // 18 Всероссийская, конференция но распространению радиоволн. С.-Петербург,,. 1996. Тезисы докладов./ М.: Ротапринт ИРЭ РАН', 1996. Т.2. С.421-422.

10. Ипатов Е.Б., Лукин Д.С., Чивилев В.'И. "Диагностика возмущений ионосферы, обусловленных воздействием акустической волны, с использованием дошшровскох-о метода // Проблемы дифрякции и распространения электромагнитных волн: • Мвждуведомотьеншй сборник/ !М>ТИ. Ы., 19Э6. С.137-151.