Прогностическая радиофизическая модель среднеширотного спорадического слоя Е Минуллин, Ренат Гизатуллович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Практическая необходимость более глубокого понимания ионосферных процессов привела в последние десятилетия к их интенсивным экспериментальным и теоретическим исследованиям. Бали успешно осуществлены исследования различных слоев ионосферы, определенные результаты были достигнуты в изучении нерегулярных ионосферных явлений и, в частности, спорадического слоя Е.

Но, несмотря на значительное число теоретических и экспериментальных работ, посвященных слою Е., полного и однозначного представления о нем на сегодняшний день нет; отсутствует и законченная физическая теория слоя Е,. Многие закономерности параметров слоя Еу и радиоволн, отраженных от него, окончательно не установлены; сведения о них носят порой оценочный и даже противоречивый характер.

Большие трудности возникают при экспериментальных исследованиях слоя E_s из-за его эпизодичности, большой изменчивости, локальности в пространстве, а порой и кратковременности появления. Теоретические исследования.слоя E_s осложнены многообразием возможных причин его возникновения и уоловий, влияющих на него, которые в свою очередь еще недостаточно изучены. Вое ото привело в последние годы к уменьшению объема работ, посвященных слой Ej, и, как следствие, к резкому уменьшению количества публикаций, о нем в Советском Союзе и за рубежом»

В настоящее время нет обобщенной многопараметрической модели слоя Еу, нет способов описания таких специфических пространственных характеристик,как высоты, размеры и наклоны обла** ков E_g. Известно только несколько методов опиоания вероятности появления слоя Е^ [Т.С.Фрблай, .МЛефтин, Е.К.Смит, В.В.Писарева, О.В.Чернышев, О.Г.Овезгельдыев и Г.В.Михайлова]. Но эти методы дают описание вероятности появления слоя Е^ только при вертикальном зондировании и притом в виде карт,в табличном или таблично-аналитическом виде, что снижает оперативность их использования с применением ЭВМ. Не все перечисленные метода да-

ют возможность интерполяции данных на заданные часы суток и месяцы года; из-за значительного уорднения не обеспечивается необходимая детализация данных во врзмени и в пространстве,

Мзтоды, оценивающие вероятность распространения радиоволн в декаметровом [Г.С,1Ьрблай] или метровом [К.Мия, E.K.CmhtJ диапазонах волн за счет слоя Е_$, разработанные в 19Э-66 гг., уже не удовлетворяют сегодняиним требованиям по точности. Нет методов прогноза углов прихода, времени распространения и флу-ктуационнах характеристик радиоволн, отраженных слоем Е₅»

Для радиосвязи; радиопеленгации, радионавигации, эагори-зонтной радиолокации, телевидения слой Ej может обеспечить дополнительный способ распространения радиоволн, который в зависимости от решаемых задач и особенностей слоя Е^ может стать вспомогательным или мешающим.' В таких случаях бывает необходим долгосрочный прогноз вариаций параметров слоя Е^ в зависимости от выбранного интервала времени для заданной точки на поверхности земного шара, а также долгосрочный прогноз условий распространения радиоволн на трассах при наличии слоя E_s с учетом качества канала связи.

Для втих целей необходимо иметь прогностическую радиофизическую модель слоя Ej. Однако, как было отмечено аіше, сегодня завершенная физическая теория слоя E_s, позволяющая решать прикладные задачи, отсутствует и накопленных данных о олое E_f не достаточно для построения подобной модели.

Поэтому для разработки современной прогностической модели слоя Ej остается единственная возможность: непосредственные, целенаправленные, систематические и многопараметрические экспериментальные исследования слоя Е^ и его влияния на распространение декаметровых и метровых радиоволн на трассах различной протяженности и местоположения, с различными рабочими частотами, мощностями передатчиков и диаграммами направленности ан* теня. Модель, созданная в результате таких комплеконах исследований, будет объективно описывать основные и устойчивые проявления слоя Е^ , будет способствовать пониманию и теорзтичес-. кому осмысливанию: закономерностей и аномалий пространственно-временной динамики параметров слоя E_s ; их связи о последствиями гео- и гелиопроцессов в атмосфере Земли; механизмов обра*

зования слоя Бу и причин вариаций вероятностно-энергетических характеристик радиоволн, отраженных слоем Е». В этом состоит научное значение разрабатываемой модели.' Практическое значение модели заключается в возможности прогноза условий и особенностей распространения радиоволн за счет слоя Е₅ в ионосферных каналах с учетом их технических характеристик при решении различных народнохозяйственных задачу

Цель работы - создание прогностической радиофизической модели с реднеширотного спорадического слоя Е. При этом необходимо: I) выявить экспериментальным путем устойчивые закономерности вариаций параметров слоя Е^ и радиоволн, отрааеннкх от него; 2) построить на их основе вероятностную пространотвенко-врзмекнув энергетическую модель слоя Е₅; 3) разработать метод долгосрочного прогноза условий распространения декаметрових и . метровых радиоволн с учетом технического оборудования трасс*

Данная цель и задачи требуют выполнения длительных наблюдений на нескольких специально организованных исследовательских трассах с оптимальным насыщзкием измерительной аппаратурой. При этом необходимо вести комплексный многочастотный и много-параметрический контроль радиофизических параметров слоя E_s с тщательным анализом материалов наблюдений^ необходимо выявить взаимосвязи мевду исследуемыми параметрами слоя Е₅ и внешними факторами. Для дополкения и подтвврадения полученных результат тов естественно привлечение данных других авторов.

Научная новизна результатов работа заключается в том,что:

1. установлены и впервые аналитически описаны устойчивые закономерности суточно-сезонных и циклических (11-летних) вариаций вероятности появления слоя Е$ э зависимости от географической широты при вертикальном и наклонном зондированиях;

2. установлены и впервые аналитически описаны устойчивые закономерности суточно-сезонных вариаций действующих высот олоя Е$ в зависимости от географической широты;

3. определены вариации коэффициента отражения радиоволн от слоя Е₅ при наклонном зондировании, дано их количественное описание;

4. впервые разработан аналитический метод пересчета вероятности появления олоя Е₅ при вертикальном зондировании в вэ«

роятности появления при наклонном зондировании в зависимости от технического обеспечения трассы (поправки к закону секанса для слоя E_s из-за его полупрозрачности);

5) исследованы пространственные особенности слоя Е^ и траекторные характеристики радиоволн, отраженных от него,впервые разработан метод их расчета.

Разработанная модель является систематизацией и обобщением известных на сегодняшний день экспериментальных данных автора и других исследователей слоя Е^» что может служить достоверной и объективной базой для последующего теоретического анализа его проявлений.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

5. разработан метод долгосрочного прогноза вероятности распространения радиоволн путей отражения от слоя E_s с учетом технической оснащенности радиоканала;

6. разработан метод долгосрочного прогноза уровня сигнала в радиоканале при отражении от слоя E_s;

7. разработан метод расчета азимутальных углов, углов возвышения и времени распространения радиоволн, отраженных слоем Еу с учетом длины трассы, ее энергообеспеченности и диаграмм направленности антенн;

8. разработан метод распознавания в радиоканале сигналов, обусловленных слоем Е^ и другими механизмами распространения радиоволн;

5) -разработан, изготовлен, всесторонне испытан и подгото
влен к промышленному внедрение с "последующим тиражированием
диагностический цифровой ионосферный комплекс "Циклон", пред
назначенный для вертикального, наклонного итраноионосферного
зондирований ионосферы и слоя Е_{,

Рзализацип результатов работы» їезультатьі многолетних комплексных измерений параметров слоя E_s и сигналов, отраженных от него, методами наклонного зондирования переданы в виде отчетов в Институт земного магнетизма, ионосферн и распространения радиоволн Академии наук СССР (ИЗМИРАН) и во Зоес-ітнаіл институт научно-технической информации (номера гос. регистрации 02.82.8.030994 и 01.83.0004341), а также включены в отчеты по итогам виаолнекия "Мгждународной программы исследования

«дней атмосферы (МАП)" в 1986 году.

Модель среднеширотного слоя E_s и методы прогноза условий юпространения радиоволн путем отражения от него, переданы в де алгоритмов и программ в банк моделей Мирового центра хра» іния данных (МЦД-Б2), в Институт прикладной геофизики, в Наги о-исследовательский институт "Радио", в Сибирский институт імного магнетизма ионосферы и распространения радиоволн, в МРАН.

Результаты диссертационной работы применяются в Арктичес-IM и Антарктическом институте, а такие используются в учеб» їм процессе в Казанском государственном университете и в Во-[ко-морской академии им. А.А.Гречко.

На защиту выносится прогностическая радиофизическая мо-іль среднеширотного спорадического слоя Е, зключащая в себя: .

9. закономерности вариаций параметров слоя Е и радиоволн, 'разданных от него;

10. эмпирическую вероятностную пространственно-временную іергетическуи модель среднеширотного слоя E_s;

11. метод долгосрочного прогноза условий распространения (каметрозых и метровых радиоволн за счет слоя Е₃ с учетом нкретных параметров применяемых радиотехнических средств в жимах вертикального и наклонного зондирований.

Апробация работы и публикации. Основные результаты мосле-* гваний, изложенные в диссертации, были представлены на Мзнду~ іродном симпозиуме URS1 в Г.Хельсинки (1978 г.), з доку-нтах CCIR (за период 1970-74, I97V78, 1973-82 гг.), на ждународных семинарах по исследованию слоя E_s , аэрономии [ясней термосферы и неоднородностей ионосфера по проблеме [ланетарные геофизические исследования (НАПГ)" в г; Шопроне Ьнгрия, 1985 г») и в г.Нойбранденбурго (ГДР, 1987 г.), на ждународном семинаре по ионосферной информатике в г, Новго-де (1987 г.). на Втором мевдународком симпозиуме "Глобмет" г.йеани (1938 г.), на Всесоюзных конференциях по распрост-.нению радиоволн (1969, 1972, 1975, 1978, 1981. 1984,1987гг), і Всесоюзных конференциях по физике ионосферы (1970,1976гг.), і Всесоюзных семинарах по математическому моделировании ионо-ерных процессов (1982, 1984, 1986, 1988 гг.), на Всесоюзных

семикаpax по ионосферному прогнозированию (1985, 1987 гг.), также на других 15 Всесоюзных конференциях, семинарах и совв' щаниях.

По материалам диссертации опубликовано 75 работ.

Личный вклад автора. Автором осуществлялось научное руководство по всем направлениям исследований слоя Е^ . Кроме того, автором были разработаны методики экспериментов, разра ботаны и изготовлены с коллегами измерительные установки; ор ганизованы комплексные измерения на трассах о личным участие! осуществлена анализ, интерпретация и обобщение полученных результатов; созданы эмпирическая модель слоя Е^ и метод прогноза условий распространения радиоволн с его использованием.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 245 страниц основного текста, 100 рисунков, 46 таблиц и список литературы из 365 наименований»

Похожие диссертации на Прогностическая радиофизическая модель среднеширотного спорадического слоя Е

Статистические модели частотных параметров спорадического слоя E ионосферы и прогнозирование распространения радиоволнМоисеев, Сергей Николаевич

Вероятностные модели и прогноз частотных параметров ионосферного канала распространения радиоволн через спорадический слой ЕМоисеев Сергей Николаевич