Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Соотношение между дисперсией уровня рассеянной радиоволны и параметрами рассеивающих неоднородностей
1.1. Вывод формулы дисперсии уровня рассеянной радиоволны 15
1.2. Соотношение между теоретической функцией дисперсии уровня и ее оценкой в экспериментах по спутниковому радиопросвечиванию
Глава 2. Метод исследования анизотропии высокоширотных неоднородностей километрового масштаба с применением модели трехмерно-анизотропного степенного спектра
2.1. Расчет теоретических значений дисперсии уровня амплитуды 25
2.2. Закономерности изменения интенсивности ракурсного максимума дисперсии уровня амплитуды
2.3.Форма ракурсного максимума 32
2.4. Зависимость кривых дисперсии уровня амплитуды от высоты и толщины ионосферного слоя
Глава 3. Применение разработанного метода исследования неоднородностей для анализа экспериментальных данных о высокоширотных мерцаниях .
3.1. Аппаратура для приема и регистрации спутниковых сигналов 47
3.2. Описание экспериментов 50
3.3. Методика обработки данных 56
3.4. Результаты сопоставления модели с экспериментальными данными о высокоширотных мерцаниях
3.4.1. Эксперимент в Скандинавии, ноябрь 1995 г. 60
3.4.2. Эксперимент на Кольском полуострове зимой 1996 года. 70
3.4.3. Эксперимент в п. Верхнетуломский в апреле 1997 года. 83
3.4.4. Эксперимент по разогреву ионосферы в ноябре 1997 г. в Скандинавии.
3.4.5. Эксперимент по регистрации спутниковых радиосигналов на арх. Шпицберген.
Глава 4. Использование метода для исследования динамики и структуры высокоширотной ионосферы
4.1. Взаимосвязь ориентации поперечной анизотропии мелкомасштабных неоднородностей с направлением дрейфа ионосферной плазмы.
4.2. Томографический подход к оценке дисперсии флуктуации электронной плотности при наличии в среде трехмерно-анизотропных неоднородностей
Заключение 115
Библиографический список использованной литературы 117
- Соотношение между теоретической функцией дисперсии уровня и ее оценкой в экспериментах по спутниковому радиопросвечиванию
- Закономерности изменения интенсивности ракурсного максимума дисперсии уровня амплитуды
- Результаты сопоставления модели с экспериментальными данными о высокоширотных мерцаниях
- Томографический подход к оценке дисперсии флуктуации электронной плотности при наличии в среде трехмерно-анизотропных неоднородностей
Соотношение между теоретической функцией дисперсии уровня и ее оценкой в экспериментах по спутниковому радиопросвечиванию
Проблема неоднородной структуры ионосферной плазмы является одной из ключевых в области физики ионосферы. Изучение ионосферных неоднородностей имеет большое значение как с точки зрения фундаментальных исследований, так и в плане практических применений. Особенный интерес представляет исследование неоднородностей высокоширотной ионосферы. Известно, что высокоширотные неоднородности образуются вследствие динамических процессов, изменяющих структуру регулярной ионосферы. Таким образом, появление, структуру и эволюцию неоднородностей можно рассматривать как индикаторы физических процессов, управляющих состоянием высокоширотной ионосферы. С другой стороны, интерес к исследованию появления и пространственно-временного распределения ионосферных неоднородностей стимулируется бурным прогрессом в развитии электронных систем связи и локации, поскольку неоднородности электронной концентрации во многом определяют условия распространения радиоволн, особенно в высоких широтах, где интенсивность неоднородностей выше и существуют они практически постоянно. Проявлением наличия неоднородностей в ионосфере являются мерцания радиосигналов, возникающие при прохождении радиоволн через ионосферу и обусловленные дифракцией на флуктуациях электронной плотности.
Исследование мерцаний радиосигналов является одним из основных методов изучения неоднородностей электронной плотности ионосферы III. Кроме этого, существуют и другие методы исследований ионосферных неоднородностей, которые можно подразделить на методы прямых измерений и методы дистанционного зондирования, такие как вертикальное зондирование и зондирование на основе прямого и обратного рассеяния радиоволн 121. В прямых методах проводятся измерения локальных ионосферных параметров на борту ракет или ИСЗ. Разработаны зонды для исследования электронной концентрации, температуры, напряженности электрического поля и скорости ионного дрейфа /З/. В экспериментах по вертикальному зондированию исследуют особенности отражения радиоволн от ионосферы, которые характеризуют ее неоднородную вертикальную структуру.
Среди дистанционных методов исследования неоднородной структуры ионосферы благодаря простоте измерений широкое распространение имеют методы, основанные на исследовании трансионосферного распространения радиоволн как от естественных источников, таких, как радиозвезды, так и от искусственных (передача радиоволн с ИСЗ). При этом информацию о неоднородностях несут как флуктуации фазы радиоволн (что является основой для радиотомографических исследований крупномасштабной структуры электронной плотности с характерными размерами порядка десятков и сотен километров, /5/), так и мерцания амплитуды сигналов.
Само существование ионосферных неоднородностей было обнаружено в 1946 году именно по результатам наблюдения короткопериодических нерегулярных флуктуации интенсивности излучения на частоте 64 МГц от радиозвезды в созвездии Лебедя 161. Связь наблюдавшихся флуктуации интенсивности с ионосферой была установлена уже в первых работах по наблюдению за мерцаниями в Великобритании, проведенными в 1949-1950 гг 111. После запуска первого искусственного спутника Земли в 1957 году были обнаружены ионосферные мерцания радиосигналов от ИСЗ /8-12/. В начале 70-х гг. были открыты мерцания сигналов гигагерцевого диапазона /13,14/.
Со времени запуска ИСЗ спутниковое радиопросвечивание стало одним из самых распространенных дистанционных методов исследований ионосферы. Существуют разные схемы радиопросвечивания, в которых спутниковые сигналы, излучаемые на одной или нескольких частотах, измеряются на одном или нескольких приемниках, расположенных на поверхности Земли или размещенных на спутниках. В целом по результатам многочисленных наблюдений обнаружены мерцания в диапазоне частот от 10 МГЦ до бГГц /1/. Масштаб ионосферных неоднородностей, которыми обусловливается эффект мерцаний, меняется от нескольких метров до десятков километров. Исследование высокоширотных ионосферных неоднородностей с размерами от нескольких сотен метров до первых километров является важной частью общей физической проблемы изучения структуры ионосферы. Неоднородности такого масштаба оказывают влияние на распространение УКВ диапазона, что, с одной стороны, определяет значимость их исследования, а с другой -указывает способы их изучения на основе радиофизических методов.
Закономерности изменения интенсивности ракурсного максимума дисперсии уровня амплитуды
Разные неоднородности при разных пролетах будут создавать максимумы разной интенсивности. Имея в виду дальнейшее использование полученных формул для анализа экспериментальных данных, следует определить, в каких случаях будут создаваться максимумы достаточно большой величины, которые будут надежно выделяться в экспериментальных данных, и когда максимумы будут слабыми.
Для вычисления дисперсии уровня в соответствии с формулой (35) необходимо задать модель пространственного распределения неоднородностей o2N. В качестве простейшей модели был выбран слой с равномерно распределенными в нем мелкомасштабными неоднородностями (CJ2N = const). Толщина ионосферного слоя равна 100 км, высота его центра - 250 км. Параметры спектра неоднородностей -продольная вытянутость неоднородностей а, вытянутость в перпендикулярной к магнитному полю плоскости В, ориентация поперечной анизотропии у/ и показатель
степени р, - не меняются во времени и одинаковы в пределах ионосферного слоя. Расчеты проведены для значения р = 11 / 3, типичного для спектра километровых неоднородностей высокоширотной ионосферы. Величины вытянутости неоднородностей а и (3 выбирались в интервале значений, характерных для высокоширотных неоднородностей (а от 3 до 100, /3 от единиц до первых десятков). В анализе были рассмотрены случаи различной ориентации поперечной анизотропии неоднородностей. Величина магнитного поля рассчитывалась по модели IGRF-95.
Практические вычисления проводились в географической системе координат. В этой системе ориентация поперечной анизотропии неоднородностей определялась двумя углами - углом у/' в горизонтальной плоскости между направлением на географический север (7V) и горизонтальной проекцией поперечной анизотропии, и углом 'в вертикальной плоскости (рис.3). При этом величина ц/' задавалась, а угол 0' вычислялся из условия ортогональности направления поперечной анизотропии и вектора магнитного поля.
Использование такой системы координат удобнее, чем "локальной" системы, в которой получена базовая формула (26). Пространственная ориентация осей "локальной" системы координат зависит от взаимного расположения спутника и приемника и меняется с движением спутника вдоль его траектории. Поэтому такую систему координат неудобно использовать в практическом анализе, когда исследуют пространственные изменения функции а2х при заданной ориентации поперечной анизотропии. Географическая система координат жестко зафиксирована в пространстве, ее ориентация не меняется от одного момента времени к другому. Задание ориентационных углов поперечной анизотропии в этой системе позволяет наглядно представить направление вытянутосги неоднородности. Так, например, угол ці' = 0 соответствует вытянутосги неоднородностей в направлении север-юг, а у/' = 90 - в направлении запад-восток.
Если спектр и пространственное распределение неоднородностей постоянны, то дисперсия уровня определяется геометрией эксперимента и параметрами анизотропии неоднородностей. Анализ показал, что в этом случае зависимость дисперсии уровня от положения спутника является гладкой кривой. Если ориентация поперечной анизотропии неоднородностей не совпадает с направлением движения спутника, кривая дисперсии уровня амплитуды имеет хорошо выраженный единственный максимум. Этот максимум возникает вследствие усиления мерцаний амплитуды при некотором определенном положении луча от приемника к спутнику, когда луч пресекает эллипсоиды неоднородностей по наиболее длинному пути и зондирующая волна испытывает максимальное количество актов рассеяния. Перемещение спутника вдоль траектории обеспечивает просвечивание неоднородностей с разных сторон, и при заметном отличии направления поперечной вытянутости неоднородностей от направления спутниковой траектории длина пути волны внутри неоднородностей по мере движения спутника будет меняться достаточно резко. Поэтому и максимум в кривой дисперсии уровня амплитуды также будет выражен отчетливо.
Если ориентация поперечной анизотропии близка к направлению перемещения спутника, то при движении спутника луч все время будет располагаться практически в плоскости поперечной анизотропии неоднородностей. Поэтому неоднородности будут просвечиваться под почти одинаковым углом при разных положениях спутника и путь, проходимый волной "в неоднородности", также будет практически одинаков. Следовательно, при данной геометрии резкого усиления мерцаний наблюдаться не будет и, значит, не будет максимума дисперсии уровня амплитуды. В экспериментах по спутниковому радиопросвечиванию ПГИ такими "неблагоприятными" ориентациями поперечной анизотропии являются направления приблизительно 160-165 и 16-23 от направления на географический север. Поскольку в литературе нет указаний на то, что эти направления являются преимущественными ориентациями поперечной анизотропии, очевидно, что их выделение го всего диапазона возможных значений (от 0 до 180) не является препятствием для исследования поперечной анизотропии неоднородностей. При любой иной ориентации поперечной анизотропии кривая дисперсии уровня содержит максимум. Величина максимума, его форма и положение зависят от взаимного расположения луча зрения и вектора магнитного поля и от параметров анизотропии неоднородностей.
Результаты сопоставления модели с экспериментальными данными о высокоширотных мерцаниях
Всего в течение эксперимента на каждой приемной станции было осуществлено порядка 300 регистрации спутниковых радиосигналов, из них примерно в 1/3 случаев регистрировались сигналы со спутников, имеющих большие углы места (от 75). Для анализа поведения амплитуды сигналов более пригодными оказались результаты измерений в Troms0, Esrange и Sodankyla. Данные, полученные в Kokkola и Karkola, по техническим причинам оказались малопригодными для сопоставления с моделью. Поэтому для анализа были привлечены лишь единичные регистрации этих станций.
Сначала рассмотрим случаи близких к зенитным пролетов (с впЬ 2-3), которые составляют, как правило, около 5-10% регистрации. Амплитудные мерцания при пролетах с такой геометрией были зарегистрированы на всех пяти станциях. Величина максимума дисперсии уровня амплитуды в разных случаях варьировала в пределах от 0.001 до 0.2. На рис. 23а приведены примеры кривых дисперсии уровня, наблюдавшихся при близких к зенитными пролетам. Сплошными линиями показаны экспериментальные кривые, точками - результаты модельных расчетов.
Форму и положение максимумов с достаточно хорошей точностью удается описать на основе предлагаемой модели. Отметим, что численные оценки качества моделирования не производились. При подборе модели в каждом конкретном случае ставилась цель с максимально возможной визуальной точностью описать ход кривой в области максимума и по возможности добиться визуальной близости уровней дисперсии уровня амплитуды на флангах кривых. Естественно, что экспериментальные кривые не обладают абсолютной "гладкостью"; каждая характеризуется некоторым "случайным" разбросом значений вокруг некоторого "закономерного" хода. "Случайная" и "закономерная" составляющие для каждого случая индивидуальны, и применение формального сглаживания или фильтрации для вьщеления "закономерного" хода экспериментальной кривой могло бы привести к потере полезной или появлению ложной информации. Поэтому трудно выработать универсальный формализованный критерий для оценки согласия теоретических кривых с "закономерными" составляющими экспериментальных кривых. Однако качественная оценка близости кривых на основе их визуального сопоставления, тем не менее, представляется достаточно объективной.
Как видно из рисунка, в показанных случаях выгянутость неоднородностей вдоль магнитного поля а имеет значения от 30 до 120, их выгянутость в перпендикулярной к магнитному полю плоскости р от 5 до 50. Ориентация поперечной анизотропии неоднородностей у лежит в пределах от 1.5 до 176.5. Среди обработанных данных не было ни одного случая, когда кривую дисперсии уровня амплитуды удалось бы описать моделью поперечно-изотропных неоднородностей.
При оценке достоверности моделирования следует помнить, что вследствие 10-секундного осреднения при расчете экспериментальной дисперсии уровня в самом методе уже заложена 5-секундная "неопределенность" положения максимума, что соответствует смещению максимума примерно на 0.2-0.3 по широте. Для анализа полученных результатов напомним (см. главу 2), что в случае близких к зенитным пролетов при небольшой вытянутости неоднородностей и ориентации поперечной анизотропии примерно вдоль широты (90±30) кривые дисперсии уровня малочувствительны к изменениям у/ . В этих случаях изменению широты максимума в пределах 0.2-0.3 соответствует изменение модельной ориентации поперечной анизотропии на несколько десятков градусов. Поэтому значения ориентационньгх углов на рис. 23а-1, 23а-2, 23а-3 (92, 62, 78) следует понимать как средние, имея в виду, что практически такое же совпадение теоретических кривых с экспериментальными обеспечивается не единственным указанным значением, а целым интервалом (примерно в 30-40) ориентационньгх углов. Форма кривых определяется значениями вытянутости неоднородностей вдоль и перпендикулярно к магнитному полю (а и р) с погрешностью 5-10%. При близкой к меридиональной вытянутости неоднородностей и больших а и /3 положение максимума дисперсии уровня амплитуды сильнее зависит от ориентационного угла поперечной анизотропии. Поэтому при близких к зенитным пролетах описание кривых дисперсии уровня амплитуды со смещенным от зенита максимумом часто удается провести на основе модели неоднородностей с близкой к меридиональной вытянутостью поперечной анизотропии и значительными а и уЗ (рис.23а, 4-10). При этом ориентационный угол поперечной анизотропии определяется с погрешностью в несколько градусов, а параметры вытянутости с погрешностью 15-20%.
Особенно чувствительны кривые дисперсии уровня амплитуды к изменению ориентации поперечной анизотропии, если ориентационный угол оказывается близким к значениям, при которых имеет место "распад" максимума. В этих случаях изменение ориентационного угла на градус приводит к заметному смещению максимума - до нескольких градусов широты, а изменение параметров вытянутости на 5-10% заметно изменяет форму кривой. Вследствие "неопределенности" положения максимума экспериментальной кривой в интервале 0.2-0.3 широты в таких случаях как вытянутость, так и ориентация неоднородностей определяются с большой погрешностью (порядка 30-50%).
Таким образом, сопоставление расчетов с экспериментальными данными по всем станциям в субавроральных и высоких широтах показало, что при близких к зенитным пролетах экспериментальные кривые дисперсии уровня амплитуды с одним максимумом удается воспроизвести на основе модели трехмерно-анизотропных неоднородностей со степенным спектром. При околоширотной ориентации поперечной анизотропии вытянутость неоднородностей вдоль и перпендикулярно к магнитному полю определяется с погрешностью 5-10%, но ориентация определяется с точностью до нескольких десятков градусов. Если ориентация поперечной анизотропии близка к меридиональной, то ориентация поперечной анизотропии определяется более точно (с погрешностью несколько градусов). Если экспериментальную кривую приходится аппроксимировать моделью с близкими к критическим параметрами анизотропии, когда имеет место "распад" максимума, то ориентация поперечной анизотропии и вытянутость неоднородностей определяются с большой погрешностью (около 30-50%).
Томографический подход к оценке дисперсии флуктуации электронной плотности при наличии в среде трехмерно-анизотропных неоднородностей
Интерпретация приведенных выше экспериментальных данных о дисперсии уровня проводилась в рамках допущения о неизменности дисперсии флуктуации плотности в некоторой пространственной области. В этом случае зависимость дисперсии уровня от положения источника представляет собой кривую с одним максимумом, который обусловлен ракурсным усилением мерцаний при определенном положении луча по отношению к магнитному полю и к ориентации неоднородностей. Если экспериментальная кривая имеет единственный экстремум, форму и положение которого удается аппроксимировагь на основе предложенной модели неоднородностей, то предположение о постоянной дисперсии флуктуации плотности представляется вполне приемлемым. При совместной интерпретации результатов одновременных измерений спутникового сигнала в нескольких точках предположение о неизменности дисперсии флуктуации плотности можно считать обоснованным, если каждая из экспериментальных кривых дисперсии уровня амплитуды имеет только один ракурсный экстремум и удается подобрать единую модель простого слоя для аппроксимации экспериментальных кривых во всех приемных точках.
Однако пространственная неизменность дисперсии флуктуации электронной плотности в интервале десятков-сотен км в реальной высокоширотной ионосфере сохраняется далеко не всегда. В силу специфики физических процессов, происходящих в приполярных областях, структура высокоширотной ионосферы может испытывать заметные пространственно-временные изменения.
не детерминированных, а статистических характеристик среды.
В томографическом эксперименте регистрация спутниковых сигналов производится на цепочке из нескольких приемных точек, расположенной вдоль проекции нисходящего (с севера на юг) или восходящего (с юга на север) витка орбиты спутника на поверхность Земли. При такой схеме измерений каждый участок исследуемой ионосферы в плоскости пролета по мере движения спутника последовательно просвечивается вдоль лучей, направленных от спутника к приемным станциям.
Первым шагом в практической реализации амплитудной томографии является моделирование неоднородной структуры дисперсии флуктуации плотности с использованием выведенных теоретических соотношений. Цель такой работы состоит в подборе достаточно простой модели неоднородностей дисперсии флуктуации плотности, которая в первом приближении позволяла бы воспроизвести ход участков экспериментальных кривых дисперсии уровня, соответствующих рассеянию поля некоторым локальным объемом ионосферы.
Моделирование неоднородностей флуктуации плотности было проведено для ряда данных эксперимента 1997 года в пи. Умба, Ловозеро и Туманный /48, 49/, описанного в главе 3. Томографическая цепочка была ориентирована вдоль проекции восходящих витков орбиты российских навигационных спутников. При такой геометрии плоскость орбиты спутника содержит томографические приемные пункты, и лучи, соединяющие приемные точки с движущимся спутником, сканируют область ионосферы, лежащую в плоскости пролета спутника.
Каждая экспериментальная кривая содержит несколько экстремумов. Кривая в Умбе имеет наиболее выраженный пик несколько севернее приемной точки на широте 67.3. Южнее, в интервале 65-66.5 наблюдается еще несколько экстремумов меньшей интенсивности. На кривой в Ловозеро выделяются два изолированных максимума, расположенные южнее точки регистрации. Больший экстремум расположен на широте приблизительно 65.4, меньший - на широте около 66.5. Оба экстремума имеют более гладкую форму, чем экстремумы кривых в Умбе и Туманном. Кривая в Туманном к югу от приемной станции содержит изолированный экстремум на широте 67.5 и довольно широкую зону повышенных значений дисперсии уровня в интервале 62- 64. Более северный изолированный экстремум относительно гладкий; более южная область максимумов очень изрезана. Интенсивность обеих областей максимальной дисперсии уровня амплитуды примерно одинакова.
На всех трех кривых присутствуют экстремумы, расположенные несколько южнее пунктов регистрации и отражающие ракурсный эффект усиления мерцаний (на рисунке эти экстремум помечены буквой "R"). Расчеты показывают, что форму и пространственное положение этих экстремумов с некоторой погрешностью можно описать в рамках модели рассеивающего слоя с одной и той же формой пространственного спектра неоднородностей. На рис.52 результаты этих расчетов представлены в виде точек. При этом в качестве рассеивающей области был выбран сферический слой с высотой центра 280 км и толщиной 200 км. Спектр неоднородностей характеризовался относительной вытянутостью вдоль магнитного поля а= 40 и перпендикулярно магнитному полю /? -9. Ориентация поперечной к магнитному полю анизотропии составляла с географическим севером угол у/ = 100.
Как видно из рис. 52, в Ловозеро теоретическая кривая точно воспроизводит экспериментальный ракурсный максимум. Экспериментальный и расчетный ракурсные максимумы в п. Туманный показывают хорошее согласие по местоположению и близки по форме, однако различаются по абсолютному значению. Несколько сложнее ситуация с использованием данных в п. Умба для выявления эффекта ракурсного усиления мерцаний. Повышенное значение дисперсии уровня занимает довольно широкую область, однако и в этом случае расчетная величина ракурсного усиления мерцаний совпадает по величине с экспериментальными данными. Указанные различия расчетов и реально измеренных ракурсных экстремумов свидетельствуют о том, что дисперсия флуктуации электронной плотности a2N в ионосфере не постоянна.
Кроме ракурсных экстремумов на всех трех экспериментальных кривых можно выделить области повышенной дисперсии уровня, которые соответствуют рассеянию на некотором объеме ионосферы. На рис. 52 эти области помечены буквой "Т". Пересечение зондирующих лучей вьщеляет в ионосфере рассеивающий объем на высоте около 300 км. Неоднородная структура дисперсии флуктуации плотности в этом объеме была аппроксимирована моделью цилиндра (рис. 53) с повышенными значениями дисперсии флуктуации плотности по сравнению с дисперсией флуктуации плотности фоновой ионосферы ст0, принятой в расчетах равной единице.
Похожие диссертации на Исследование неоднородностей километрового масштаба в F-области высокоширотной ионосферы по данным о мерцаниях спутниковых радиосигналов
