Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Воздействие магнитосферных суббурь на ионосферу и распространение декаметровых радиоволн 18
1.1. Обзор работ по ионосфере и распространению KB во время ионосферных возмущений 18
1.2. Эффекты в ионосфере во время суббурь и умеренных бурь в октябре 2003 года по данным вертикального зондирования ионосферы 21
1.3. Влияние суббурь на распространение декаметровых волн в авроральном овале 43
1.4. Основные результаты главы 1 56
ГЛАВА 2. Влияние магнитосферных бурь на ионосферу и распространение KB 58
2.1. Совместные исследования по ионосфере и распространению радиоволн 58
2.2. Эффекты магнитной бури 20 ноября 2003 года в распространении KB 73
2.3. Анализ условий распространения KB на трассах во время CEDAR, GEMnISTP6ypb 79
2.4. Основные результаты главы 2 100
ГЛАВА 3. Некоторые результаты численного моделирования условий распространения радиоволн 103
3.1. Введение 103
3.2. Обзор подходов для моделирования 105
3.3. Вычисления с помощью программы FUGD 106
3.4. Основные результаты главы 3 120
ГЛАВА 4. Особенности KB радиосвязи в высоких широтах 122
4.1. Воздействие авроральной ионосферы на KB связь в спокойных и возмущенных условиях 122
4.2. Особенности полярных и трансполярных KB радиотрасс 132
4.3. Основные результаты главы 4 142
Заключение по диссертации 144
Список литературы
- Обзор работ по ионосфере и распространению KB во время ионосферных возмущений
- Совместные исследования по ионосфере и распространению радиоволн
- Вычисления с помощью программы FUGD
- Воздействие авроральной ионосферы на KB связь в спокойных и возмущенных условиях
Введение к работе
В диссертации исследована специфика воздействий высокоширотной ионосферы, главным образом ионосферных возмущений за счет суббурь и мировых магнитных бурь, на условия распространения декаметровых радиоволн в приполярных областях. Анализ проводился на различных радиотрассах (авроральных, субавроральных, трансавроральных), преимущественно оборудованных аппаратурой наклонного зондирования ионосферы. Привлекались также данные магнитометров, риометров, радаров. Условия распространения обоснованы с феноменологической и физической точек зрения. Выявлены общие неизвестные до сих пор закономерности и тенденции в распространении радиоволн во время возмущений, полезные для построения систем передачи, приема и обработки информации в высоких широтах.
Актуальность.
Физика околоземного пространства, особенно с точки зрения космической погоды, в настоящее время является областью значительного внимания ученых-исследователей и относится к числу важных, актуальных направлений в науке. Представления о космической погоде, то есть о динамических, сильно меняющихся условиях в околоземной среде, включают условия на Солнце, в межпланетном пространстве, в системе магнитосфера - ионосфера - атмосфера Земли. Солнечные вспышки, пятна и т.п. вызывают в околоземном пространстве резкие изменения. Неблагоприятные изменения космической погоды влияют на надежность работы как космических аппаратов, так и различных систем типа связи, навигации, энергетических линий и пр. Важнейшей задачей является предсказание и смягчение эффектов космической погоды.
Магнитосферные бури и суббури вызывают геомагнитные возмущения, следствием которых является широкий спектр неоднородностей и процессов в ионосфере Земли. Классическая картина ионосферного возмущения подтверждается многочисленными наблюдениями [50, 58, 63, 84, 87, 95].
Однако, физическая природа многих механизмов еще недостаточно понятна. Ионосферное возмущение продолжает оставаться наиболее сложным явлением в верхней атмосфере [58, 63, 72]. Эффекты бурь/суббурь в ионосфере зависят от большого числа параметров, таких как местное время, широта, сезон, фаза солнечной активности, интенсивность бурь/суббурь и ряда других. В настоящее время для полного понимания эффектов бурь и суббурь в параметрах солнечно-магнитосферно-ионосферного взаимодействия прилагается большое количество усилий с использованием самых современных методов и средств. Это подтверждается содержанием таких проектов как Интербол [18], Space Weather [40, 58] и др. Однако при этом недостаточно внимания уделяется эффектам, возникающим при распространении волн различных диапазонов, хотя известно, что волны УНЧ, СВ, KB диапазонов реагируют на малейшие изменения состояния среды. В настоящее время уже существуют экспериментальные данные [9, 44, 46, 47], которые позволяют ставить задачу, например, о диагностике и дальнейшем прогнозе начала возмущений по данным распространения волн. Здесь проясняющим данную постановку фактором является знание комплекса геофизических условий, предшествующих буре или суббуре. Однако, этот вопрос проработан явно недостаточно, поскольку практически во всех работах, посвященных рассматриваемой проблеме, акцент делается на момент развития активной фазы или, по крайней мере, фазы роста, и определение их начал по различным признакам (поворот Bz к югу, появление геомагнитных пульсаций Pel и РІ2, диполизация магнитного поля и др.). Поэтому существует настоятельная потребность в анализе данных по всем возможным проявлениям солнечно-магнитосферно-ионосферных связей и их воздействию на распространяющиеся радиоволны в периоды возникновения суббурь и бурь.
С прикладной точки зрения актуальность данной работы определяется насущными потребностями обеспечения прогноза состояния информационных каналов и создание эффективных систем передачи и приема информации в условиях высоких широт. В частности, крайнюю степень заинтересованности в бесперебойной коротковолновой (KB) радиосвязи испытывают самолетные
линии, пересекающие области высоких широт, которые обеспечивают пассажиров наиболее краткими по времени и расстоянию маршрутами между различными континентами земного шара (Приложение 1.1).
Цель работы состоит в том, чтобы исследовать физические эффекты в каналах распространения декаметровых радиоволн в высоких широтах и оценить их влияние на процессы передачи и приема информации.
Основные задачи:
Выявить на основе экспериментальных данных особенности вариаций параметров высокоширотной ионосферы во время возмущенного состояния космической погоды.
Исследовать особенности поведения радиоканалов в высоких широтах под действием геомагнитных бурь и суббурь.
Исследовать влияние ионосферных структур на состояние радиоканалов в высоких широтах.
Исследовать физико-математическую модель канала распространения коротких радиоволн с учетом состояния ионосферы в спокойных и возмущенных условиях.
Методы исследования: В работе использованы результаты экспериментальных исследований, полученные с помощью радаров, риометров, магнитометров, диагностических методов исследования ионосферы, таких как наклонное (НЗИ) и вертикальное (ВЗИ) зондирование ионосферы, а также данные сети Интернет. При выполнении аналитических исследований применялись общие методы системного анализа, методы статистической обработки экспериментальных данных и методы численного моделирования.
Положения, выносимые на защиту.
1. Результаты исследования воздействия магнитосферных бурь и суббурь на распространение декаметровых радиоволн в высоких широтах.
2. Основные закономерности эффекта роста максимально наблюдаемой
частоты перед началом активной фазы бури (суббури) и возможности
использования этого эффекта для краткосрочного прогнозирования состояния
каналов передачи информации.
3. Эффекты влияния высокоширотных ионосферных структур на процессы
передачи информации в КВ-диапазоне в спокойных и возмущенных условиях.
4. Результаты численного моделирования условий распространения
радиоволн в высоких широтах для описания состояний каналов передачи
информации.
Научная новизна
1. Сформулированы признаки в изменениях параметров канала
распространения декаметровых волн в высоких широтах, которые можно
контролировать по ионограммам НЗИ, для прогнозирования развития суббурь.
2. Обнаружены и объяснены феноменологически общие тенденции
вариаций параметров канала передачи информации во время возмущенных
состояний: максимальной наблюдаемой (МНЧ) и наинизшей наблюдаемой
(ННЧ) частот.
Показано, что в канале приема и передачи информации в высоких широтах диапазон частот Д = МНЧ-ННЧ расширяется перед бурей в течение нескольких часов, резко сужается во время бури и снова расширяется в течение нескольких часов после ее окончания.
Предложены два критерия, которые могут служить прогностическими предвестниками активной фазы бури: рост ионизации в слое F2 за несколько часов перед и резкий рост риометрического поглощения в начале развития активной фазы бури.
5. Исследована возможность использования модели канала передачи
информации в КВ-диапазоне для периодов магнитных бурь и суббурь в
высоких широтах.
Научная и практическая ценность
1. Установлено, что амплитуда пика 5foF2 (разность возмущенных и
спокойных значений критической частоты сигнала по слою F) за несколько
часов до начала активной фазы первой суббури лежит в пределах 20 -100% от
значений foF2. Этот пик может быть использован как критерий для
осуществления краткосрочного прогноза развития бури/суббури за несколько
часов до ее начала и прогноза состояния канала передачи информации.
Показано, что на трансавроральной радиотрассе полное время выхода трассы из строя (интервал срыва связи) зависит от местного времени LT. Во время возмущений днем трасса выходит из строя чаще, чем ночью.
На основе анализа данных НЗИ разработаны рекомендации для передачи информации по каналу радиосвязи:
Сравнительно короткий промежуток времени, порядка 2-3 часа, перед бурей/суббурей, когда МНЧ велика и ННЧ низка можно использовать для организации надежной передачи информации.
Организовать работу канала во время возмущения следует путем правильного выбора рабочих частот из достаточно узкого диапазона Д = МНЧ-ННЧ.
На основе анализа большого статистического материала определены особенности передачи информации на реальных КВ-линиях связи в авроральной зоне. Качество декаметровой радиосвязи в авроральной зоне в основном зависит от геофизических факторов воздействия, но не от направления или длины радиотрассы.
Несмотря на развитие новых средств телекоммуникаций, современные КВ-системы играют важную роль, в том числе и в высокоширотных областях. По своим основным параметрам они могут конкурировать со спутниковыми связными системами, при этом являясь значительно дешевле последних.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов определяется выполнением следующего. Во-первых, выводы всех
эмпирических исследований и формулировки установленных закономерностей осуществляются по совокупности репрезентативных данных. Во-вторых, объединение радиофизических и геофизических методов исследования преследовало цель получения максимума информации при изучении того или иного параметра или явления и для достоверной его идентификации. В-третьих, построение модели процесса распространения коротких радиоволн в ионосфере осуществлялось с помощью апробированных источников данных и реальных характеристик ионосферной плазмы. В-четвертых, все выполненные модельные расчеты сопровождались экспериментальной проверкой по своим материалам, а также результатам других авторов, и основаны на устранении возможных противоречий современным физическим представлениям.
Взаимоотношения с соавторами. Главные результаты диссертации, опубликованные в 19 работах, являются оригинальными и получены автором лично. Совместно с научным руководителем была определена общая программа исследований и ее отдельные этапы. Автор принимала активное участие в решении проблемы численного моделирования распространения радиоволн KB диапазона в ионосфере. Проанализированы имеющиеся в Интернет различные программы для расчета условий распространения декаметровых волн, например Voacap, ProLab-Pro и другие. Автором лично выполнены расчеты по известной методике Д.С. Лукина для KB диапазона, однако с внесенными ею изменениями в эту методику. Обработка экспериментальных данных, их анализ и обобщение, сопоставление с результатами расчетов производились автором лично.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Региональной VI конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 2000), Научных сессиях аспирантов и соискателей СПбГУАП (Санкт-Петербург, 2001, 2002, 2005, 2006, 2007), Шестой Нордической конференции по коротким волнам (Фаре, Швеция, 2001), Региональных научных конференциях «Естественные проблемы Арктического региона» (Мурманск, 2001, 2002), Седьмой Санкт-Петербургской Ассамблее молодых
ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 2002), Международной конференции по проблемам геокосмоса (Санкт-Петербург, 2002), Международной байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (Иркутск, 2003, 2006), Европейской конференции по антеннам и распространению (Ницца, 2006), VI Харьковской международной конференции молодых ученых «Радиофизика и электроника» (Харьков, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ:
4 статьи в реферируемых журналах: «Геомагнетизм и аэрономия» РАН - 1, «JASTP» AGU - 1, «Int. J. Geomagn. Aeron.» - 1 и в сборнике: «Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца» СО РАН - 1; а также 3 статьи в Трудах: Nordic Shortwave Conference - 1, конференции «Естественные проблемы арктического региона» - 1 и конференции «Физические процессы в космосе и околоземной среде» - 1, всего 7 статей;
доклады на международных конференциях - 5, на других - 7.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 97 наименований и 8 приложений. Основное содержание диссертации изложено на 156 страницах и содержит 50 рисунков и 4 таблицы.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении обосновывается актуальность темы и сформулирована цель работы, отмечена научная новизна, научная и практическая ценность результатов, их достоверность и обоснованность.
В первой главе приведены результаты исследований распространения декаметровых радиоволн на ряде радиотрасс во время магнитосферных суббурь и умеренных бурь (буря как совокупность отдельных суббурь). Здесь важно понять изменения, происходящие в ионосфере за период этих возмущений, и
каким образом эти изменения влияют на характер распространяющихся сигналов.
В разделе 1.1 сделан обзор литературных источников, имеющих прямое или косвенное отношение к поставленной в диссертации задаче. Было выяснено, что непосредственно по теме настоящей работы другими исследователями было сделано недостаточно. Скорее всего, это вызвано трудностями организации надлежащих экспериментов в высоких широтах и сложностью интерпретации данных. Что касается последнего, то для высоких широт интерпретация данных затруднительна даже в спокойное время, а для возмущенных условий она существенно усложняется.
В разделе 1.2 на примере магнитоактивного периода 23-28 октября 2003 года, когда имели место суббури и умеренные бури, рассмотрены главные изменения в ионосфере. В конце периода, 28 октября 2003 г., на Солнце произошла вспышка XI7, за ней имела место вспышка Х10, но уже 29 октября. Эти вспышки вызвали очень мощные геомагнитные бури (Halloween storms). Задача настоящего исследования состояла в том, чтобы сравнить вариации двух главных ионосферных параметров - критической частоты (foF2) и высоты максимума ионизации (hmF2) слоя F2 - на двух цепочках ионозондов, расположенных в Европе и Северной Америке, за период 23 - 28 октября 2003г. Этот интервал расположен непосредственно перед бурей 28 октября и включает в себя ее начало. Другой задачей работы является обнаружение проявлений в ионосфере, предваряющих взрывную фазу умеренной бури или суббури. Анализ основан на использовании данных системы SPIDR. Было получено следующее. Положительный пик 5foF2 (где 5 есть разность возмущенных и спокойных значений) наблюдается за несколько часов до начала магнитной бури или суббури. Этот пик может служить в качестве предвестника возмущения. Амплитуда значений 5foF2 лежит в пределах от 20 до 100% от значений foF2. Элементы сходства вариаций значений 5foF2 на двух цепочках следующие: а) отмеченный пик 5foF2 наблюдается, как правило, перед возмущением одновременно на двух цепочках, б) вариации 6foF2 близки по характеру на всех среднеширотных (или соответственно высокоширотных)
ионозондах цепочки. Отличия в значениях 5foF2 следующие: а) воздействие главной фазы и фазы восстановления мощной бури на одной цепочке отличается от воздействия на другой цепочке, б) проявление возмущений на высокоширотных станциях цепочки отлично от проявлений на станциях средних широт. Вариации 5hmF2 примерно противоположны вариациям 8foF2 и амплитуды 5hmF2 лежат в интервале 15 - 25% от значений hmF2.
В разделе 1.3 исследованы особенности прохождения радиоволн с точки зрения физики процессов в полярной ионосфере по данным наклонного зондирования ионосферы на приполярной радиотрассе Санкт-Петербург -Белый Нос (Амдерма) в течение летних месяцев 1997 года во время суббуревой активности. По данным НЗИ находились следующие параметры: максимально наблюдаемая частота при отражении сигнала от слоя Es (EsMHH), максимально наблюдаемая частота при отражении сигнала от слоя F2 (F2MH4), соответственно наинизшие наблюдаемые частоты EsHHH по слою Es и F2HH4 по слою F2. Также находились абсолютные значения МНЧ и соответственно ННЧ. Кроме указанных параметров определялось общее количество лучей в месте приема. Для исследований отбирались изолированные суббури на спокойном фоне. Указанные суббури приводили к существенным изменениям ионосферного радиоканала и условий распространения на трассе. Результаты исследований состоят в следующем. 1) Установлены четкие закономерности в распространении коротких волн на трассе: диапазон рабочих частот А = МНЧ -ННЧ существенно сужается за период суббурь; в течение суббури происходит изменение механизма распространения радиоволн; существенный рост аврорального поглощения во время суббурь имеет место за период взрывной фазы и частично фазы восстановления суббури; многолучевость резко возрастает вблизи момента начала активной фазы суббури То. 2) Сформулированы признаки в изменениях параметров распространения радиоволн, которые могут быть использованы для возможного прогнозирования начала развития суббурь. 3) Все выявленные закономерности в распространении коротких волн в зоне полярных сияний объяснены с геофизической точки зрения.
В разделе 1.4 сформулированы главные выводы по главе 1.
Во второй главе исследуется влияние магнитосферных бурь на ионосферу и распространение декаметровых радиоволн. Буря, как значительно более сложное и многогранное явление, чем суббуря, оказывает на распространение радиоволн двоякое воздействие. Во время интенсивных магнитных бурь имеет место полное поглощение сигнала и трасса выходит из строя. Бури умеренной интенсивности, хотя и воздействуют на распространение волн по-разному, не выводят трассы из строя. Некоторые общие закономерности вариаций самой ионосферы и распространения в ней радиоволн во время бурь выявлены и анализируются в главе.
Обзор работ по ионосфере и распространению KB во время ионосферных возмущений
Магнитосферное возмущение, как известно, образуется в результате взаимодействия магнитосферы с неоднородным потоком плазмы солнечного ветра. Когда фронт межпланетной ударной волны от Солнца входит в контакт с магнитосферой Земли, возникает внезапный магнитный импульс SI или SSC - внезапное начало магнитной бури, происходит сжатие магнитосферы. Известно, что в межпланетных предударных областях присутствуют пучки отраженных от фронта частиц, летящих от Солнца со скоростями большими, чем скорость ударной волны [21, 24]. Можно уверенно полагать, что за несколько часов до SSC (5-6 час) вблизи окрестности Земли в утреннем и полуденном секторах магнитосферы (LT 14 час) может происходить рост интенсивности флуктуирующих потоков ионов и электронов с энергиями до десятков кэВ. Далее ускоренные частицы солнечного ветра высыпаются в ионосферу Земли, вызывая ионосферное возмущение в виде следующих геофизических эффектов: дополнительную ионизацию, нагрев и повышенное поглощение за несколько часов до момента SI. Наиболее вероятной областью их появления следует считать ионосферную проекцию дневного каспа. Другой областью является аврораль-ный овал, где возможно высыпание из входного слоя магнитосферы. Указанные эффекты ионизации, нагрева и поглощения могут служить ионосферными предвестниками SI.
В работе [79] исследованы магнитно-ионосферные условия и характер прохождения сигналов с частотой f = 20 и 25 МГц на KB радиотрассе Вашингтон (США) - Хираисо (Япония), пересекающей авроральную зону и дневной полярный касп, во время 50 геомагнитных бурь средней интенсивности. В Хираисо экспериментально установлено, что в периоды спокойного Солнца примерно за 10 часов до внезапного начала геомагнитной бури (SC) наблюдается эффект увеличения поля принимаемого сигнала на 10-20 дБ для рабочих частот
20-25 МГц. Было проанализировано 50 геомагнитных бурь, которые не сопро вождаются поглощением типа полярной шапки, с августа 1957 по февраль 1959 года. На рис. 1.1а показаны средние вариации К-индексов (центрированные с помощью метода наложения эпох к моменту SC) по 50 геомагнитным бурям на станции Колледж, Аляска, вблизи точки отражения Вашингтон - Хираисо. Рис. 1.16 иллюстрирует также усредненное по 50 бурям возрастание амплитуды сигнала до SC, при этом амплитуда возрастает на 10-20 дБ по сравнению со спокойным уровнем начиная от момента времени Т = - 17 часов до SC. Подобный рост сигнала связывается с уменьшением отклоняющего поглощения в области отражения трассы, расположенной в непосредственной близости от дневного полярного каспа, за счет роста ионизации в слое F ионосферы. Это подтверждается следующими экспериментальными фактами. Во-первых, увеличение амплитуды сигнала до SC встречается на частотах 20-25 МГц только на приемных станциях, которые имеют трассу распространения, пересекающую авроральную зону. Во-вторых, увеличение критической частоты foF2 до SC обнаружено только на инвариантных широтах от 57 до 83. В-третьих, рост foF2 в авроральной зоне и более высоких широтах ниже 82 фиксируется возле местного полудня. На рис. 1.1 в представлен пример средних за период 50 бурь вариаций отклонений foF2 от месячных медиан вблизи области отражения трассы Вашингтон - Хираисо. Можно видеть, что увеличение foF2 до SC в пределах интервала времени от Т = - 20 часов до - 2 часа приблизительно соответствует интервалу приема интенсивных КВ-сигналов на частоте 20 МГц (см. рис. 1.16). На рис. 1.1г показан также суточный ход усредненных за 50 бурь отклонений foF2 от месячных медиан вблизи той же области отражения. Максимум AfoF2 имеет место возле местного полудня. Дополнительная ионизация создается высыпанием в каспе электронов с энергией 1-2 кэВ, потоки которых возрастают по интенсивности за 16-20 час до момента SC.
Описанные выше эффекты роста значений критических частот foF2 и увеличения амплитуды принимаемого сигнала перед моментом наступления взрывной фазы магнитной бури (SC) также можно видеть из результатов исследований, выполненных на четырех высокоширотных KB трассах за период лета 1988 и зимы 1989 годов [76]. Трассы расположены территориально в Северной
Канаде, три из них пересекают авроральный овал, а одна трасса находится полностью в полярной шапке. Следует особо подчеркнуть, что цель исследования [76] состояла главным образом в изучении вариаций диапазона частот, пригодного для связи, во время возмущений. Что касается рассматриваемых эффектов роста критических частот и амплитуды сигналов перед магнитными возмущениями, то их авторы работы [76] специально не анализировали. Однако эти эффекты существуют и их можно видеть в представленных в [76] экспериментальных данных. Пример роста критической частоты foF2 перед началом развития взрывной фазы бури 20-21 января 1989 года из работы [76] представлен на рис. 1.2. Из рисунка можно видеть, что в интервале времени от 00:00 UT до 14:00 UT (момент SC) 20 января критическая частота foF2 по ст.Черчилль превышает медианное значение на 1,5-2 МГц. Общее время превышения составляет около 14 часов, что близко к значениям, описанным выше на рис. 1.1. Другой пример из работы [76], показывающий рост амплитуды сигнала перед моментом SC, представлен на рис. 1.3. Из рисунка можно видеть, что в интервале времени от 23:00 UT 20 июля до 04:00 UT 21 июля, момент SC, имеет место рост амплитуды сигнала (относительно уровня в предыдущие два-три часа) как для первой частоты 4,9 МГц, так и для второй частоты 3,23 МГц на радиотрассе Клайд Ривер - Алерт. Общее время превышения амплитуды составляет порядка 5 часов.
В работах [22, 23, 58, 62, 72, 74, 80, 83, 84] также можно найти аналогичные сведения о воздействии магнитных бурь и суббурь на основные параметры ионосферы (критическую частоту и высоту слоя F2) и уровень амплитуды сигнала в месте приема [71]. Следует подчеркнуть, что полученные в перечисленных выше источниках результаты в определенной степени согласуются с выводами, полученными в работах [9,44,46,47, 50].
Совместные исследования по ионосфере и распространению радиоволн
Координированной исследовательской программой "High-rate SolarMax IGS/GPS-campaign "HIRAC/SolarMax" (в рамках европейского сообщества COST271) был выбран для исследований период наблюдений 23-29 апреля 2001 года. Конечная цель кампании - выявить картину поведения ионосферы во время текущего солнечного максимума. В проекте принимали участие Россия, Великобритания и другие страны, осуществлялась геофизическая поддержка различными средствами исследования ионосферы, магнитосферы и распространения радиоволн. Наиболее интересным оказался двухдневный период наблюдений 28-29 апреля 2001 года, когда имела место магнитная буря средней интенсивности. Общая схема экспериментальных наблюдений представлена в Приложении 2.1. За период исследований использовались следующие виды наблюдений. Российская сторона: ВЗИ (станции Санкт-Петербург и Соданкюла, Финляндия) и НЗИ на трассе Мурманск - Санкт-Петербург (Д = 1050 км). Также использовались данные по приему GPS сигналов в северо-западном регионе Европы. Британская сторона использовала: радар CUTLASS, расположенный в Ханкасалми, Финляндия, и НЗИ на трассе Лестер - Инскип (Д = 170 км).
Двухсуточный период 28 - 29 апреля 2001 года характеризуется магнитной бурей представленной на рис. 2.1. Верхняя панель (а) иллюстрирует вариации Dst-индекса, а панель (б) демонстрирует поведение Bz-компоненты межпланетного магнитного поля (ММП). Согласно классификации, приведенной в работе [63], данная буря относится к классу умеренных. Для подобных бурь необходимо выполнение условий: минимум Dst должен быть Dst -50нТ и при этом интенсивность поля Bz должна быть BZ -5HTB течение времени не менее двух часов, AT 2 ч. Из панелей (а) и (б) следует, что данные условия практически выполняются. Вариации АЕ-индекса, панель (в), указывают на то, что магнитная буря содержит три выраженные суббури. Первая, умеренная суббуря продолжительностью 2,5 ч, имеет начало То (onset) в 05UT 28 апреля. Ее конец обозначен Те (end). Эта суббуря выделена двумя вертикальными линиями на рис. 2.1 и ее период существования обозначен цифрой 1 вверху. Вторая, мощная суббуря, имеет начало в 13UT (То) и конец в 17UT (То). Она также выделена вертикальными линиями и обозначена цифрой 2 вверху. Третья, интенсивная суббуря, началась в ночные часы, То = ОШТ 29 апреля, и закончилась в 05UT (Те). Эта суббуря обозначена цифрой 3. На нижней панели (г) представлены вариации Кр-индекса. Видно, что главные максимумы огибающей Кр совпадают с временными интервалами 1, 2 и 3. Наивысшие значения Кр = 6 имеют место во втором интервале, во время второй, наиболее сильной, суббури. Согласно рис. 2.1 рассматриваемая магнитная буря имеет максимум своего развития преимущественно в ночных условиях. Ее началом по Dst-индексу приблизительно можно считать 12UT 28 апреля, а окончанием 12UT 29 апреля. Периоды (00-06)UT 28 апреля и (12-24)UT 29 апреля можно рассматривать как слабовозмущенные или спокойные.
Методом НЗИ определялись наиболее важные параметры распространения радиоволн на трассе: F2MH4 (максимально наблюдаемая частота при отражении сигнала от слоя F2), F2HH4 (наинизшая наблюдаемая частота при отражении сигнала от слоя F2), соответственно ЕМНЧ, EsMH4 (при отражении сигнала от регулярного слоя Е и спорадического Es), ЕННЧ и EsHH4. Рассчитывались величины AF2MH4, представляющие собой отклонения значений F2MH4 от спокойной медианы за 10 дней. Заметим, что значение МНЧ зависит от величины критической частоты слоя ионосферы и его высоты, ННЧ зависит от степени поглощения на трассе и используемого оборудования.
На рис. 2.2 представлены вариации указанных характеристик за период магнитной бури 28 - 29 апреля. Панель (а) иллюстрирует изменения AF2MH4. На панелях (б) и (в) представлены вариации Х-компоненты магнитного поля Земли и риометрического поглощения А, дБ на частоте f = 32 МГц по ст. Соданкюла. Эта станция наиболее близка к средней точке (midpoint) трассы Мурманск - Санкт-Петербург и ее геофизические данные приблизительно характеризуют геофизическую обстановку на этой трассе. Из панелей (а), (б) и (в) можно видеть, что временной интервал №1 (05-7,5UT) характеризуется изолированной суббурей средней интенсивности и повышенным поглощением. Во время этой суббури по данным ВЗИ существенной перестройки ионосферы не происходит. Перед моментом То (05 UT) за 2-3 часа происходит рост значений F2MH4 до максимума в момент То, затем за период взрывной фазы суббури имеет место спад значений F2MH4 и снова подъем к моменту Те = 7,5UT и после него. Далее наблюдается снова спад значений F2MH4 до нуля в течение нескольких часов. Подобное поведение AF2MH4 во время изолированной суббури средней интенсивности было обнаружено и описано ранее в работах [2-5]. Оно было названо как «главный эффект».
Вторая суббуря (интервал №2) заметно интенсивней и с большим поглощением. Она приводит к существенной перестройке ионосферы по данным ВЗИ Санкт-Петербурга и Соданкюлы. Происходит резкий спад значений F2MH4 и наступает главная фаза магнитной бури с отрицательными значениями Dst и Bz на рис. 2.1, панели (а) и (б). Здесь «главного эффекта» не наблюдается, поскольку суббуря №2 не является изолированной и достаточно интенсивна по амплитуде, то же самое относится к суббуре №3. После третьей суббури происходит постепенное восстановление ионосферы в течение примерно 10 часов. А после 12UT 29 апреля наступает спокойный период, изменения AF2MH4 незначительны.
Вычисления с помощью программы FUGD
В этой главе рассматриваются вопросы моделирования условий распространения радиоволн. Максимально применимая частота (МПЧ) зависит от состояния среды распространения (ионосферы) и механизмов распространения радиоволн от излучателя до точки приема. Изменчивость среды и механизмов распространения определяет необходимость прогнозирования МПЧ.
Особенность полярной ионосферы состоит в том, что помимо суточных, сезонных вариаций параметров здесь еще присутствуют изменения параметров, обусловленные возмущенным состоянием околоземного пространства, например, высыпанием частиц в касп. Возможны достаточно резкие скачкообразные отклонения параметров среды от их медианных (усредненных за месяц) значений. Необходимо разобраться в факторах, которые приводят к таким последствиям. Для этого следует смоделировать процесс, тогда можно будет предсказать поведение того или иного параметра при определенной совокупности факторов. Следовательно, программы моделирования распространения радиоволн представляют большой интерес, т.к. дают ключ к пониманию происходящих в верхней атмосфере процессов и к последующему их прогнозированию.
В практике прогнозирования различают два основных типа прогнозов: долгосрочный и краткосрочный. Первый используется для предсказания регулярных процессов, но не учитывает краткосрочные процессы, связанные с нерегулярными и случайными явлениями (в нашем случае ими могут быть нестационарные процессы на Солнце, влекущие за собой резкие изменения состояния ионосферы). Точность долгосрочных прогнозов не удовлетворяет требованиям оперативной работы радиотехнических средств. Краткосрочные прогнозы рассчитаны на периоды суток, часов. При этом учитываются нерегулярные вариации ионосферы в тех же временных масштабах. Кроме моделей ионосферы и распространения радиоволн (РРВ) для таких оперативных прогнозов используются данные текущего зондирования ионосферы (обычно наклонное зондирование более эффективно, чем вертикальное).
Известны различные прогностические модели ионосферы: теоретические, эмпирические и полуэмпирические. В последнее время в прогнозировании большое распространение получили последние, наибольшую известность среди которых имеет совершенствуемая международная модель IRI. Наряду со сложными моделями прогнозирования, учитывающими множество факторов, существуют более простые, требующие меньших вычислительных ресурсов, хотя конечно они обеспечивают меньшую точность прогнозов.
Состояние среды является суперпозицией очень большого количества нелинейных взаимодействий между различными процессами. Построение физической картины происходящих процессов можно осуществлять, полагаясь на возможности суперкомпьютеров. Но в этом случае объем выданной расчетной информации велик, и остается вопрос интерпретации полученных результатов. Поэтому задача, которая стоит перед исследователем - найти способ уменьшить размерность системы и выявить структуры, наиболее полно описывающие наблюдаемые вариации параметров, а затем провести взаимный анализ выявленных структур. Иначе говоря, будучи ограниченными собственными возможностями и возможностями компьютера, нам следует сократить список рассматриваемых факторов и задавать в модели некоторое ограниченное число данных, соответствующих реальным условиям, что уже будет достаточно длинным списком параметров, которых мы хотим рассмотреть. Ионосферная модель - это синоним численного прогнозирования. Такой прогноз классифицируется как «численный», потому что состояние ионосферы описывается набором переменных и законами физики, применимыми к этим переменным, все это вычисляется с помощью компьютера. Метод прогнозирования состоит в представлении изменчивости ионосферы посредством набора законов физики и функций, которые в лучшем случае описывают некоторые динамические процессы, происходящие в ионосфере. Когда мы говорим о распространении радиоволн, следует учитывать все процессы, происходящие в околоземном пространстве. Однако, как говорилось выше, сделать это в одной модели очень непросто. Поэтому существуют модели тех или иных конкретных процессов с некоторыми допущениями.
При рассмотрении вопросов моделирования условий распространения радиоволн нас прежде всего интересуют 2 момента: 1) возможность использования программы для оценки параметров среды во время ионосферных возмущений, вызванных магнитосферными бурями и суббурями 2) возможность использования программы для расчета условий в высоких широтах. Конечно, в идеальном случае необходима модель, учитывающая все солнечные, геомагнитные, геофизические и погодные условия. Сейчас пока не существует механизмов, где при задании нескольких входных параметров можно получить полную картину прогноза для РРВ в полярных широтах. Причина очевидна: в такой модели будет слишком много переменных, которые нужно учитывать в трехмерном пространстве. Поэтому следует выбрать именно те параметры, которые имеют наибольшее влияние на исследуемую характеристику канала связи, в нашем случае это МПЧ.
Далее мы ставим перед собой задачу рассмотреть изменения трех параметров распространения радиоволн в ионосфере: критической частоты, высоты максимума ионизации и полутолщины отражающего слоя, т.к. именно они в основном определяют изменения в значениях МПЧ. Попытаемся смоделировать буревой процесс и посмотреть, что будет происходить с этими параметрами на примере бури 10-11 января 1997 года. Для решения задачи применяется метод геометрической оптики. Используемая система уравнений, сформулированная в [28] как модификация уравнений, приведенных в [26], реалии-зована с учетом собственных разработок автора в виде программного средства автоматизации расчетов, которому присвоено название "Программа FUGD".
Воздействие авроральной ионосферы на KB связь в спокойных и возмущенных условиях
Качество KB радиосвязи на высоких широтах (ВШ) зависит от состояния ионосферы и условий распространения радиоволн. Здесь часто имеют место поглощение (авроральное и полярной шапки) мощности KB сигнала, аномальная ионизация области F2 ионосферы (F2S) в ночные часы зимой и при равноденствии, значительные отрицательные возмущения в слое F2 днем в течение всего года, образование спорадических слоев Es различного типа, повышенное рассеяние сигналов, отраженных от ионосферы, и искажения сигналов, вызванные резкими и сильными затуханиями [46, 67, 85, 86].
В зимнее время, когда ВШ ионосфера слабо освещена Солнцем, главный провал ионизации (ГПИ) и спорадические образования в большей степени влияют на прохождение радиоволн в авроральной зоне (Фь = 60 - 70). Величина этого воздействия зависит от уровня ионосферного возмущения, обусловленного конкретной геомагнитной активностью. При спокойных магнитных условиях (планетарный индекс Кр = 0 - 1) в вечерние и ночные часы, когда авроральная ионизация и ионизация, вызванная солнечным ультрафиолетовым излучением, малы, ГПИ может вытянуться над всей авроральной зоной. В то же время создаются наиболее сложные условия для прохождения сигнала по KB линиям связи, расположенным в этой зоне. Полярная стенка провала (ПСП) совпадает с экваториальной стенкой зоны авроральной ионизации, а с севера электронная концентрация резко возрастает в F- и Е-областях ионосферы. Здесь часто возникают спорадические Es-слои различных типов и аномальная ионизация F-слоя. Следовательно, условия распространения радиоволн будут определяться как самим ГПИ, так и его полярной стенкой.
Задачи настоящего исследования: (1) определение степени влияния ГПИ, спорадических Es-слоев, F2S области и аврорального поглощения на качество передаваемой информации через реальные KB каналы (линии), расположенные внутри авроральной зоны (G L = 64-66 ); (2) выявление критериев корректного выбора ОРЧ на этих линиях для повышения качества связи при труднейших условиях трансляции сигнала. Перечисленные задачи в основном рассматриваются на материалах длительных сложных экспериментов. Описание эксперимента дано в Приложении 4.
Эффекты ГПИ. На рис. 4.1 показаны средние положения ПСП в координатах «инвариантная широта - местное время» для двух уровней геомагнитной активности. Кривые 1 и 2 - результаты статистического анализа сигналов, проходящих по радиотрассам, также как и по данным ионозонда для зимних месяцев с минимумом солнечной активности [10]. Кривая 1 соответствует спокойным условиям (ЕК 15), а кривая 2 - возмущенным условиям (ЕК 25). Из данного рисунка можно заметить что, ПСП дважды за сутки проходит над точками отражения трасс, расположенных на широте Фь « 65. При спокойных условиях это моменты времени 22:30LT и 07:00LT, для возмущенных - 18:00LT и 07:30LT. Упомянутые моменты представлены на рис. 4.2 и рис. 4.3 черными прямоугольниками. Рис. 4.2 иллюстрирует результаты наблюдений для спокойных условий К 3, рис. 4.3 - для возмущенных К 3. Ссылаясь на рис. 4.2а и рис. 4.3а имеем следующее: усредненные по различным дням зимнего периода значения Р2МПЧ и ЕБМПЧ, вычисленные по данным ионозонда и средняя рабочая частота "f из полосы частот трассы, расположенной вдоль аврорального овала, Д = 1420 км. Рис. 4.26 и рис. 4.36 иллюстрируют то же самое, но для трассы, пересекающей авроральный овал, Д = 510 км. Изучение кривых на рис. 4.2а,б и рис. 4.3а,б приводит к следующим заключениям. Зимой, когда ВШ радиотрассы находятся под влиянием ГПИ в течение периодов 17:00LT - 22:00LT и 07:00LT - 09:00LT для К 3 и соответственно 16:00LT - 18:00LT и 08:00LT - 10:00LT для К 3, прохождение сигналов по трассе заметно ухудшается. Максимально применимые частоты не превышают значений 2-3 МГц. Мощность сигнала в точке приема, в основном благодаря эффектам рассеяния, очень мала. Таким образом передача данных по коротковолновым каналам связи не надежна при таких условиях. С усилением геомагнитной активности моменты прохождения ПСП над двумя авроральными трассами смещаются к ранним вечерним часам и поздним утренним. Таким образом, спорадические ионизации в Е и F-областях, связанные с ПСП, в течение спокойного периода существуют ночью с 22:00LT до 07:00LT, а в течение возмущенного периода - с 17:00LT до 09:00LT. Следует отметить, что рис. 4.2а, 4.26 и рис. 4.3а, 4.36 имеют качественно одинаковый характер. Под этим подразумевается, что воздействие геофизических факторов на радиосигналы, пересекающие авроральный овал более существенно, чем влияние ориентации трассы и ее длины. На рис. 4.2в и рис. 4.3 в представлены суточные колебания средней вероятности прохождения сигналов на двух рассматриваемых трассах одновременно при спокойных и возмущенных условиях соответственно. Построение графов было выполнено по данным круглосуточной работы линий связи в течение 5 лет в зимние периоды. По условию вероятность прохождения сигнала в рассматриваемый момент равна P(t) = 1, когда на входе приемника отношение сигнал/шум не меньше, чем единица на двух радиолиниях одновременно; P(t) = 0,5, когда отношение сигнал/шум больше или равно единице только на одной из двух трасс; P(t) = 0, когда отношение сигнал/шум меньше единицы для двух трасс одновременно. Данные рис. 4.2в подтверждают, что воздействие провала на радиосвязь более значимо зимой в течение спокойных геомагнитных периодов с 17:00LT до 22:00LT и с 07:00LT до 09:00LT. При прохождении ПСП над точками отражения радиотрасс и вечером и утром увеличивается вероятность прохождения сигналов за счет увеличения ПСП ионизации. ПСП меняет структуру отраженных волн, вызывая резкий рост среднего уровня сигнала в точке приема до нескольких раз [42]. При возмущенных условиях (рис. 4.3в) ГПИ и ПСП воздействуют на радиосвязь в меньшей степени, т.к. здесь существуют превалирующие эффекты поглощения и спорадических образований. Отметим, что зимний период в полярной зоне включает ноябрь, декабрь, январь и февраль. - Поглощение радиоволн. Представленное здесь авроральное поглощение (АА),
