Введение к работе
Актуальность работы
Одним из важных направлений метрологического обеспечения навигационных космических систем является контроль и измерение характеристик антенно-фидерных устройств (АФУ) навигационных космических аппаратов. Временные характеристики АФУ неодинаковы на различных частотах, как и задержки, обусловленные влиянием на распространяющийся сигнал ионизированных слоев атмосферы [1]. По этой причине существующие методы измерений задержки радионавигационного сигнала с поверхности Земли не позволяют оценить вклады АФУ и верхней атмосферы по-отдельности [2]. Таким образом, разработка методик и инструментов для оперативного анализа состояния верхних слоев атмосферы
- актуальная, востребованная задача метрологии, радионавигации, а также
систем спутниковой связи, радиоастрономии, физики атмосферы и проч.
Возмущения в слоях мезосферы - нижней термосферы (МНТ), высоты 50
- 100 км, приводят к отклонениям параметров ионосферы, таких как
температура, давление и степень ионизации, от стационарных условий. В
результате возникают вариации концентраций газовых составляющих МНТ и
заряженных частиц. Причинами возмущений могут выступать динамические
процессы в этой области, распространение акустико-гравитационных волн
(АГВ) или влияние активности Солнца на верхнюю атмосферу. АГВ играют
большую роль в переносе энергии и импульса из нижних слоев атмосферы в
верхние и вносят значительный вклад в глобальную и локальную динамику
атмосферы [3 - 5]. Волновые процессы на высотах около 90 км и больше
оказывают существенное влияние на характер и степень ионизации МНТ и
приводят, в частности, к появлению перемещающихся ионосферных
возмущений (ПИВ), влияющих на характеристики распространения
радиоволн в ионосфере [3, 5]. Поэтому информация о свойствах этих волн в
области МНТ должна учитываться при разработке и эксплуатации систем связи «Земля-космос».
Для оценки состояния МНТ целесообразны исследования вариаций, прежде всего, тех газовых составляющих, которые имеют достаточно высокие концентрации в этой области, одной из таких составляющих является озон.
Озон - одна из наиболее важных малых газовых составляющих (МТС) атмосферы Земли. Он широко известен благодаря уникальному свойству -защищать всё живое на Земле от ультрафиолетового излучения Солнца, прежде всего, в диапазоне длин волн 280 - 315 нм, губительного для молекул ДНК. Также озон значительно влияет на тепловой баланс атмосферы и климат [6]. Наиболее изучен стратосферный озон, что объясняется повышенным к нему вниманием по причине важности его защитной функции в атмосфере Земли, а также лучшей доступностью, чем озон более высоких слоев. Однако ряд процессов, протекающих в ионосфере, невозможно анализировать без знания свойств озона мезосферы и нижней термосферы.
Именно проблемам наземных наблюдений волновых возмущений мезосферного озона на миллиметровых (ММ) радиоволнах (микроволнах) в ночное время, а также вопросам обработки результатов этих наблюдений посвящена диссертационная работа.
Цель и задачи работы:
Целью диссертационной работы было создание методики регистрации и исследований вариаций излучения мезосферного озона в ММ диапазоне длин волн, позволяющей охватить весь ожидаемый спектр частот внутренних гравитационных волн (ВГВ), распространяющихся в атмосфере на высотах 50-100 км.
Для достижения этой цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
-
Разработка озонометра ММ диапазона длин волн в части ряда узлов оптического блока, обеспечивающих проведение измерений;
-
Проведение лабораторных испытаний оптического блока озонометра;
-
Усовершенствование методики измерений в части автоматизации и адаптации к длительным сеансам наблюдений с возможно меньшим участием оператора в работе озонометра;
-
Проведение серий измерений излучения мезосферного озона в ММ диапазоне длин волн в ночное время;
-
Разработка методики и программного обеспечения частотного и частотно-временного анализа результатов наблюдений мезосферного озона;
-
Обработка результатов проведенных измерений, и на ее основании заключение о характере, основных параметрах и особенностях быстрых вариаций излучения мезосферного озона;
-
Оценка погрешности измерений ионосферной задержки и ее влияния на погрешность калибровки бортовых АФУ.
Научная новизна
-
Впервые проведены ночные наблюдения озона на миллиметровых волнах с высоким временным разрешением (около 2 мин) в 2014 - 2016 г.г. в Москве.
-
Впервые для частотного и частотно-временного анализа результатов наблюдений микроволнового излучения мезосферного озона применен метод периодограмм Ломба в сочетании с временными окнами и усреднением результатов наблюдений на различных интервалах.
3. Впервые количественно оценены основные временные
характеристики (периоды, продолжительность) быстрых (с периодами от 5
минут и более) колебаний яркостной температуры теплового
микроволнового излучения озона на частоте 142,2 ГГц в ночное время.
4. Проведена оценка погрешности измерений задержки радиосигнала в ионосфере на основании предложенной методики измерений яркостной температуры теплового излучения озона.
Практическая значимость
Предложенная методика наблюдений и обработки результатов измерений позволяет с поверхности Земли получать информацию о быстрых волновых процессах, происходящих в атмосфере в ночное время на высотах от 50 до 100 км, оценить их временные характеристики, возможное влияние на ионосферу и условия распространения радиоволн. Своевременное обнаружение и анализ таких процессов в верхних слоях атмосферы позволит учесть ионосферную составляющую погрешности наземных измерений временных характеристик АФУ космических аппаратов. Информация о спектрах и интенсивностях внутренних гравитационных волн (волн плавучести) в области МНТ необходима также для расчетов и моделирования энергетического баланса атмосферы в целом.
Защищаемые положения
-
Разработана методика регистрации волновых возмущений в атмосфере на высотах 50-100 км (в слое D и нижней части слоя Е ионосферы) в ночное время. Методика основана на длительных автоматизированных измерениях яркостной температуры спектров излучения мезосферного озона в миллиметровом диапазоне волн с высокими спектральным (0,1 МГц) и временным (около 2 мин) разрешением.
-
Разработан алгоритм частотно-временного анализа неравномерных по времени рядов, основанный на методе периодограмм Ломба в сочетании с использованием временных окон. Алгоритм применен для обработки данных (результатов) измерений линии излучения озона 142,175 ГГц.
3. Зарегистрированы с надежностью 95 % колебания яркостной температуры микроволнового излучения мезосферного озона с периодами от 5 до 180 мин в ночное время. Длительности (времена жизни) зарегистрированных колебаний яркостной температуры составляют от 10 до 240 мин (1-8 периодов).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 16 работ, включая 4 статьи в журналах, рецензируемых ВАК и входящих в базы Web of Science. 12 работ опубликованы в материалах российских и международных конференций.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на
- Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметровых и
субмиллиметровых волн, (Нижний Новгород, 1-4 марта 2011 г., 26 февраля -
1 марта 2013 г. и 27 февраля - 3 марта 2016 г.),
Международных симпозиумах «Атмосферная радиация и динамика» (МСАРД, Санкт-Петербург, 21-24 июня 2011 г. и 23-26 июня 2015 г.),
Международном симпозиуме «Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves» (MSMW-2013, Харьков, 23-28 июня 2013 г.),
IX Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, 25-27 ноября 2013 г.),
II Всероссийской микроволновой конференции (Москва, 26-28 ноября 2014 г.),
- Всероссийских конференциях "Необратимые процессы в природе и
технике" (Москва, 26-28 января 2011 г. и 29-31 января 2013 г.),
- конференции молодых ученых «Метрология в XXI веке» (г.п.
Менделеево, 28 марта 2013 г.),
- научно-технической конференции молодых ученых и специалистов
«Актуальные задачи военной метрологии» (Мытищи 26 апреля, 2012 г.).
Полный перечень работ приведен в конце автореферата.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинаре Отдела спектроскопии Отделения оптики ФИАН и на заседании Ученого Совета ФГУП «ВНИИФТРИ».
Личный вклад автора
Автор участвовал:
в создании и испытаниях оптического блока озонометра, в т.ч. в разработке его электронных узлов;
в разработке методики наблюдений и модернизации программы управления работой озонометра;
в проведении вечерних и ночных сеансов наблюдений атмосферного озона;
- в обсуждении и выборе алгоритма обработки результатов измерений.
Автор лично:
разработал программу обработки результатов измерений и исследовал характеристики полученного алгоритма;
провел обработку экспериментальных данных;
участвовал в анализе результатов этой обработки.
Все результаты, приводимые в диссертации, получены либо непосредственно автором, либо с его существенным участием.
Все результаты наблюдений и конструкторской работы, представленной в диссертации, получены в Лаборатории спектроскопии миллиметровых волн Отдела спектроскопии Отделения оптики ФИАН. Все результаты математического моделирования и апробации методики были получены в Отделе метрологического обеспечения координатно-временных и
навигационных систем СВЧ диапазона (№ 86) Отделения разработки и эксплуатации средств метрологического обеспечения координатно временных и навигационных систем (НИО-8) Федерального государственного унитарного предприятия «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений» (ФГУП «ВНИИФТРИ»).
Работа выполнена при поддержке ОФН РАН по программам «Современные проблемы радиофизики», «Новые источники миллиметрового и терагерцового излучения и их перспективные приложения» и «Радиоэлектронные методы в исследованиях природной среды и человека», а также при поддержке Учебно-научного комплекса ФИАН.
Структура и объем диссертации