Delist.ru

Метод мониторинга ионосферы Земли на основе использования навигационных спутниковых систем (15.08.2007)

Автор: Смирнов Владимир Михайлович

Рис. 7. Вариации максимума электронной концентрации ионосферы, полученные по наблюдениям двух спутников для пересекающихся азимутальных направлений

На обеих зависимостях имеется явно выраженный провал в значениях максимума распределения электронной концентрации. Учитывая независимость спутниковых измерений, можно предположить по этим данным наличие локального провала в ионосфере. Сдвиг по времени (примерно 6 часов) и практически полное совпадение физических параметров и координатных характеристик позволяют утверждать, что это один и тот же провал. Происхождение данного провала носит не временной, а пространственный характер.

Глава четыре посвящена изучению возможности реконструкции пространственно-временной структуры ионосферы. Дана оценка возможности реконструкции двух-трехмерной структуры регулярных параметров ионосферы, приведены результаты реализации такого определения. Проведена аналогия с методом компьютерной томографии.

Приведенные в главе 3 интегральные уравнения первого рода, определяющие функциональную зависимость измеряемых параметров сигнала от высотного распределения электронной концентрации, которое в свою очередь является функцией пространственных координат и времени, можно считать математической моделью физических процессов, происходящих при радиопросвечивании ионосферы Земли. Их же можно рассматривать как уравнения компьютерной томографии, осуществляемой с достаточно большого числа ракурсов. Одним из вариантов аппаратурной реализации такой «томографии» является метод радиопросвечивания, осуществляемый с одного пункта наблюдения.

В разделе 2 показано, что в этом случае метод радиопросвечивания позволяет определять одномерные разрезы ионосферы вдоль трассы, аналогичной по форме траектории движения подспутниковой точки. Получаемые при этом профили относятся к вертикальному разрезу ионосферы, географические координаты которого определяются положением проекции подионосферной точки. Наличие высотных профилей, полученных для разных географических точек, позволяет синтезировать пространственные сечения ионосферы, используя только один пункт наблюдения. На рис. 8 показаны профили электронной концентрации, полученные при наблюдении 15 спутников с одного наземного пункта с разных азимутальных направлений, и изменение максимума ионосферы вдоль траектории подионосферной точки для одного из используемых спутников.

Рис. 8. Профили электронной концентрации ионосферы при наблюдении с одного пункта и вариации её максимума в зависимости от координат проекции подионосферной точки.

Полученные в результате применения метода радиопросвечивания высотные профили распределения могут служить основой построения пространственно-временной структуры ионосферы Земли.

?Показано, что такие измерения можно использовать для определения неоднородностей в ионосфере. Результаты определения методом радиопросвечивания параметров максимума F2-слоя – максимума электронной концентрации и вариаций его высоты – приведены на рис. 9.

Рис. 9. Вариации значений максимума электронной концентрации и его высоты в течение суток по наблюдениям разных спутников с двух близко расположенных пунктов.

Представленные данные также показывают, насколько реальная ионосфера Земли соответствует её модельным представлениям.

Применение метода радиопросвечивания, основанного на использовании нескольких близко расположенных пунктов наблюдения, один из которых может быть контрольным, а другие расположены вокруг него, позволяет реконструировать полную картину азимутальных перемещений масс ионизированного газа. Сопоставляя полученные значения максимума ионосферы на пунктах наблюдения и, фиксируя время, которое протекает между моментами регистрации некоторых характерных особенностей в распределении слоя F2, можно судить о скорости перемещения ионосферных неоднородностей в горизонтальном направлении.

В главе пять на основе реальных данных измерений доказана принципиальная возможность исследования ионосферной изменчивости методом радиопросвечивания в период гелиофизических возмущений. Показана реальная возможность мониторинга ионосферы в глобальном масштабе при возникновении указанных явлений.

В разделе 1 приведены результаты применения метода радиопросвечивания для исследования ионосферных эффектов в зоне частичного солнечного затмения 11 августа 1999 года зондированием ионосферы сигналами навигационных систем. Преимущество радиотехнических наблюдений заключается в том, что погодно-климатические условия не являются преградой при исследовании эффектов воздействия солнечного затмения на состояние ионосферы Земли. Высотные профили электронной концентрации, полученные в период солнечного затмения на фоне сплошной облачности, приведены на рис. 10. Хорошо видно уменьшение электронной концентрации во время затмения (~11-12 часов).

Рис. 10. Профили распределения электронной концентрации и изменения максимума электронной концентрации в период солнечного затмения 10-12 августа

В разделе 2 рассмотрены возможности навигационной спутниковой системы GPS для детектирования воздействия солнечных вспышек на ионосферу Земли и обусловленных ими геомагнитных возмущений в октябре-ноябре 2003 года. В момент возникновения вспышек, станции наблюдения располагались как в области максимальной освещенности, так и в теневой области Земли. Некоторые спутники наблюдались одновременно из всех пунктов. Поэтому любые изменения параметров навигационных сигналов могут быть обусловлены только средой их распространения, в частности, ионосферой.

Результаты обработки данных по радиопросвечиванию ионосферы за период 28-30 октября по наблюдениям за одним и тем же спутником с пунктов TROM (Норвегия) и ANKR (Турция) приведены на рис. 11. Хорошо видно, что 28 и 30 октября фоновый уровень состояния ионосферы был достаточно ровный. 29 октября, когда солнечный ветер достиг ионосферы Земли, характер скорости изменения полного электронного содержания резко изменился.

Рис. 11. Скорость изменения электронного содержания в период 28-30 октября для полярной (TROM) и среднеширотной (ANKR) областей ионосферы

Можно выделить три временных участка, где зарегистрированы заметные возмущения ионосферы. Это 6:40 (400), 7:30 (450) и 8:40 (520) UT. Длительность возмущений составляла 15-20 минут для первого, 30-40 – для второго и примерно 60 минут для третьего. Такие возмущения наблюдались для полярной ионосферы. Совершенно иная картина наблюдалась в среднеширотной ионосфере по данным метода радиопросвечивания с пункта ANKR.

В отличие от полярной ионосферы, изменения электронного содержания здесь выражены более сильно. Видно, что в период 6:30-8:00 UT скорость изменения полного электронного содержания имеет волнообразный характер с периодом примерно 60 минут. Длительность этого волнообразного изменения не превышает 1,5 часа. На этом же рисунке можно отметить также наличие резкого возмущения примерно в 10:30 UT. Для всех спутников, находящихся в зоне видимости станции ANKR в период 6-8 часов, наблюдались значительные вариации полного электронного содержания. Эти данные приведены на рис. 12 и дают реальную картину возникновения возмущений в ионосфере в зоне видимости пункта наблюдения.

ния полного электронного содержания (рис. 13). Такое изменение наблюдалось для всех спутников и было зарегистрировано за 9,5 минут до вспышки, зафиксированной в оптическом диапазоне в 11:11:52 UT. Для ионосферы Южного полушария (OHI2) характер воздействия на ионосферу солнечной вспышки несколько отличается от ионосферы Северного полушария. Амплитуда второго пика здесь практически в два раза меньше первого, в то время как для ионосферы Северного полушария, амплитуды обоих пиков отличаются незначительно.

Рис. 13. Реакция ионосферы на прямой геомагнитный эффект солнечной вспышки

28 октября 2003 года для северного и южного полушарий

Скачкообразное изменение в значениях полного электронного содержания произошло в 11:02:30 (662,5 минуты) UT (рис. 14а) и было зафиксировано по всем 7 спутникам, которые находились в зоне видимости станции наблюдения. При этом характер дальнейшего изменения этого параметра ионосферы остался прежним. Изменения значений максимума электронной концентрации, полученных при решении обратной задачи радиопросвечивания по трассе спутник - наземный пункт, представлены на рис. 14б. Рост значения электронной концентрации в максимуме слоя F2 ионосферы составил ~23%, что хорошо согласуется с данными (10-30%), имеющимися в литературе.

Аналогичная картина наблюдалась и для второй мощной солнечной вспышки, произошедшей 4 ноября 2003 года. Здесь также максимальное изменение зарегистрировано за 9,5 минут до вспышки, зафиксированной в оптическом диапазоне в 19:53 (1193 минута) UT. Сравнение длительности ионосферных откликов, зарегистрированных 28 октября и 4 ноября 2003 года, показывает, что для более мощной ноябрьской вспышки длительность отклика практически в два раза больше.

Рис. 14. Характер изменения электронного содержания и значения максимума электронной концентрации ионосферы для одного спутника по наблюдениям со станции VILL

В разделе 4 показана возможность метода радиопросвечивания осуществлять мониторинг околоземного пространства для определения источников техногенного происхождения по их импульсному воздействию на ионосферную плазму. В качестве импульсных воздействий на окружающую среду рассмотрены взрыв Витимского метеорита и запуск ракет с космодрома Байконур.

Результаты обработки данных навигационных наблюдений во время взрыва метеорита представлены на рис. 15. По результатам проведенного расчета длительность распространения возникающих при этом ионосферных возмущений не превышала 20-25 минут. Скорости распространения возмущений для трех указанных моментов времени примерно равны 1285 м/с (область 1), 337 м/с (область 2) и 125 м/с (область 3) и соответствуют значениям, полученным с помощью радиолокатора Полярного геофизического института (1200 м/с, 300 м/с и 200 м/с).

Рис. 15. Скорость изменения электронного содержания (тонкая линия - 23 сентября, толстая - 24 сентября) и значение максимума электронной концентрации 23-25 сентября

Существенно иной характер имеют ионосферные возмущения, зарегистрированные при запусках ракет. На рис. 16 представлены результаты обработки навигационных данных, полученных при запуске ракеты с космодрома Байконур. Скорость распространения возникающих в ионосфере возмущений составляет 800-1000 м/с, что хорошо согласуется с известными данными [8].

В главе шесть на основе прошедших сейсмических событий показано, что ионосфера может быть индикатором готовящихся как сильных, так и слабых землетрясений. Многодневный мониторинг состояния максимума F2 слоя ионосферы, осуществляемый с нескольких разнесенных двухчастотных навигационных приемников, показал возможность определения методом радиопросвечивания возмущенных областей в период сильных землетрясений.

В разделе 1 проведен краткий анализ сейсмичности земной поверхности и рассмотрена возможность прогноза катастрофических событий. Отмечается, что трудности в идентификации ионосферных возмущений, обусловленных сейсмогенными эффектами на фоне пространственно-временной изменчивости ионосферы, являются основным объектом критики при использовании ионосферы, как детектора предвестников землетрясений. Однако интенсивные исследования сейсмоионосферных связей в течение последних нескольких лет показывают, что сейсмоиносферные явления уникальны среди набора других причин изменчивости ионосферы.

На основании систематизации литературных данных в разделе 2 показано, что учет всех параметров ионосферного предвестника позволяет выделить его на фоне вариаций ионосферы, вызванных другими воздействиями, что выгодно отличает его от плазменных и электромагнитных вариаций другого типа, предлагаемых в качестве предвестников, поскольку они могут наблюдаться и в результате воздействия других факторов.

В разделе 3 этой главы рассмотрены ионосферные возмущения, возникающие при сильных землетрясениях, произошедших в разных районах Земли.

рис. 18. Анализ распределения электронной плотности, полученной в то же время по данным других спутников, траектории которых проходили вдали от эпицентра землетрясения, показал, что изменения в распределении электронной концентрации ионосферы для данных областей менее выражены. Анализ временных вариаций максимума электронной концентрации слоя F2 ионосферы, полученных в течение двух часов в нескольких фиксированных точках, показал, что значения электронной концентрации в точке с координатами 121,5о з.д. и 36,6о с.ш. резко контрастируют с аналогичными данными, полученными для других точек. Это означает, что область с указанными координатами была расположена вблизи эпицентральной зоны.

Рис. 18. Пространственно-временные распределения электронной концентрации, полученные по данным одного из спутников системы GPS со станции USLO (а) и UCLU (б)

Потенциальные возможности GPS-мониторинга ионосферы при детектировании сейсмических предвестников рассмотрены на примере землетрясения Hector Mine 16 октября 1999 года в Калифорнии. Выбор этого события был обусловлен тем, что во время этого достаточно мощного землетрясения (магнитуда M=7,1) геомагнитная обстановка была умеренно возмущенной. Кроме этого, выбранное землетрясение произошло на территории, характеризуемой повышенной сейсмичностью. Высокая сейсмичность территории вносит дополнительные трудности, возникающие при интерпретации ионосферных возмущений. Поэтому для того, чтобы разделить ионосферные эффекты, обусловленные воздействием гелиофизических факторов от сейсмических, для мониторинга ионосферы использовались приемники, расположенные как вблизи эпицентра сейсмического события, так и вдали от него. Высотные профили и их двумерное представление, на котором хорошо видно изменение в распределении максимума электронной концентрации над эпицентральной зоной, приведены на рис. 19.

Рис. 19. Высотные профили электронной концентрации (3D-представление) и их двумерное отображение (2D-представление) вблизи (а) и вдали (б) от эпицентра

Анализ гелиогеофизической обстановки показал, что наличие в это время возмущенной геомагнитной обстановки, не могло привести к столь значительным изменениям в распределении электронной концентрации ионосферы в данном регионе. Изменения в пространственно-временном распределении электронной концентрации, наблюдаемые на близких к эпицентру станциях, вызваны эффектами сейсмического происхождения.

Применение метода радиопросвечивания позволило проследить поведение максимума электронной концентрации вдоль траектории подионосферной точки для спутников в период сильнейшего землетрясения в Турции 17 августа 1999 года (магнитуда М=7,7). Высотные профили электронной концентрации ионосферы, полученные из решения обратной задачи радиопросвечивания по наблюдениям за одним из спутников в период 14-17 августа представлены на рис. 20. Для сравнения здесь же приведены высотные профили электронной концентрации, полученные для станции, расположенной вдали от эпицентра землетрясения.

Из этих данных видно, что пространственно-временная модификация высотного распределения электронной концентрации наблюдалась только вблизи станции ANKR. Для станции ZECK отмечено незначительное изменение значения в максимуме ионосферы без какой-либо заметной модификации в высотном распределении. Это может свидетельствовать о том, что на стадии формирования сейсмического события над эпицентральной областью происходит нарушение пространственно-временного хода распределения электронной концентрации, что является характерным признаком готовящегося землетрясения.

загрузка...