WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

ДЕПУЕВ Виктор Хакимович ТРЕХМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ВНЕШНЕЙ ИОНОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ ЗОНДИРОВАНИЯ С ИСЗ ИНТЕРКОСМОС-19 01.04.03 – радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Троицк - 2008

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.В.Пушкова РАН (ИЗМИРАН).

Научный консультант: доктор физико-математических наук ПУЛИНЕЦ Сергей Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор ИВАНОВ-ХОЛОДНЫЙ Гор Семёнович доктор физико-математических наук, профессор КУНИЦЫН Вячеслав Евгеньевич

Ведущая организация: Государственное учреждение Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова.

Защита диссертации состоится 23 декабря 2008 г. в 16 час на заседании диссертационного совета Д 002.237.01 при ИЗМИРАН по адресу:

142190, г. Троицк Московской области, ИЗМИРАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАН.

Автореферат разослан 22 ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук МИХАЙЛОВ Ю.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования. Ионосфера Земли представляет собой ионизованную часть верхней атмосферы, контролируемую геомагнитным полем. Состояние среды определяется пространственными и временными вариациями её параметров (концентрации и температуры заряженной и нейтральной компонент, частотами соударений и т.д.), их взаимодействием и эффектами внешних воздействий. Предметом диссертационной работы является структура электронной концентрации внешней ионосферы, ее пространственные и временные вариации и их закономерности.

Актуальность темы вызвана интенсивным развитием спутниковых систем связи и навигации и определяется, прежде всего, необходимостью учета влияния ионосферы на работу этих систем. Для этих целей нужны простые в использовании и достаточно точные модели, позволяющие с минимальными вычислительными затратами получать распределение электронной концентрации (Ne). Используемые в настоящее время для этих целей эмпирические модели ионосферы не дают адекватного описания распределения Ne. Это связано как со сложностью и многообразием физических процессов, происходящих в ионосфере, так и с ограниченным объемом данных наблюдений, используемых для построения моделей. Особо остро стоит проблема исследования горизонтальных градиентов Ne и определения профиля электронной концентрации внешней части области F, вносящей наибольший вклад в полное содержание электронов.

Цель работы - на основе обработки и анализа данных внешнего зондирования с ИСЗ Интеркосмос-19 выделить особенности пространственного распределения концентрации электронов Ne во внешней ионосфере и разработать методы, позволяющие по данным внешнего зондирования восстанавливать Ne(h)-профиль области F ниже и выше главного максимума.

Научная новизна работы обусловлена использованием оригинальных данных наблюдений и следующими результатами, полученными впервые:

1. Аппроксимация высотного распределения электронной концентрации внешней области F средних и низких широт функцией Эпштейна с линейно изменяющимся параметром толщины слоя.

2. Методика восстановления полного Ne(h)-профиля области F по данным внешнего зондирования ионосферы.

3. Глобальное распределение концентрации максимума F2-слоя, позволившее существенным образом уточнить картину этого распределения и впервые показавшее существование дополнительных крупномасштабных максимумов NmF2.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы: а) для уточнения представлений о физике ионосферы; б) для прогноза условий распространения радиоволн; в) для развития эмпирических моделей ионосферы. Эти результаты могут быть использованы также и при подготовке новых спутниковых проектов по исследованию ионосферы.

Достоверность полученных результатов обусловлена большим объемом анализируемых данных, их повторяемостью для близких, но разнесенных по времени гелио- и геофизических условий, согласием с экспериментальными данными, полученными другими методами.

На защиту выносятся:

1. Модельное представление высотного распределения электронной концентрации области F средних и низких широт на основе аппроксимации функцией Эпштейна с линейно изменяющимся параметром толщины слоя, существенным образом уточняющее характер этого распределения.

2. Методика построения высотных сечений ионосферы от 150 до 1000 км по данным внешнего зондирования, позволяющая получать новые сведения об изменении концентрации электронов выше и ниже главного максимума.

3. Глобальное распределение критических частот (электронной концентрации) слоя F2 в ночные часы по данным внешнего зондирования с ИСЗ Интеркосмос-19, дающее новые знания о крупномасштабных структурах Ne.

Личный вклад автора состоит в первичной обработке большого массива данных наблюдений, разработке методов и алгоритмов их анализа, совместной с соавторами физической интерпретации результатов.

Публикации. По теме диссертации опубликованo 12 статей, 7 из которых – в рецензируемых научных журналах, и представлено 11 докладов на международных конференциях. Полный список приведен в диссертации.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на представительных международных конференциях, в частности, 23-ей Генеральной Ассамблее Европейского геофизического общества (Ницца, 1998 г.), 32-ой, 33-ей и 35-ой Научных Ассамблеях Комитета по космическим исследованиям COSPAR (Нагоя, 1998 г., Варшава, 2000 г., Париж, 2004 г.), первой азиатско-тихоокеанской радио конференции (Токио, 2001 г.), конференции по проекту COST 251 (Прага, 1996 г.), симпозиумах по Международной справочной модели ионосферы IRI (Лоуэлл, 1999 г., Сан-Жозе-дос-Кампос, 2001 г., Тортоса, 2005 г., БуэносАйрес, 2006 г.), а также ежегодных семинарах рабочей группы IRI (Триест, 1997-2004 гг.).

Диссертация выполнена в лаборатории спутниковых исследований ионосферы ИЗМИРАН в рамках плановых НИР “Усовершенствование моделей ионосферы и их использование для улучшения качества радиосвязи” (номер государственной регистрации 01.9.80 001106) и “Исследование изменчивости и вариаций ионосферы, обусловленных процессами, протекающими в геофизических оболочках” (01.200.1 10588), а также проекта COST 271 Комиссии Европейского союза “Effects of the upper atmosphere on terrestrial and earth-space communications”. Работа частично поддержана грантами РФФИ 00-05-64071-а, 01-05-64155-а и НАСА NRA 98-OSS-03(5.2) “Intercosmos-19 satellite topside sounder data rescue project”.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы (120 наименований) и включает 110 страниц текста и иллюстраций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дается обоснование актуальности темы исследования, сформулированы ее цель, новизна, научная и практическая ценность полученных результатов.

Первая глава посвящена описанию данных внешнего зондирования, которые были использованы в работе. Система импульсного зондирования ионосферы ИС-338 была установлена на ИСЗ Интеркосмос-19 (запущен февраля 1979 г., наклонение орбиты 74о, апогей 995 км, перигей 502 км) и входила в комплекс аппаратуры, предназначенной для изучения структуры и динамики ионосферной плазмы в период высокой солнечной активности.

В соответствии с заданной программой работы, ИС-338 позволяла получать высотно-частотные характеристики (ионограммы) в диапазоне 0.3 – 15.95 МГц каждые 8, 16, 32 и 64 с, при этом длительность ионограмм оставалась постоянной, равной 6.04 с. Особенностью использованной системы было наличие бортового запоминающего устройства, которое обеспечивало накопление экспериментальных данных в течение 16 часов перед передачей их на Землю. Это впервые, в отличие от предшествовавших проектов по внешнему зондированию, дало возможность исследовать глобальное распределение электронной концентрации. К сожалению, область полярной ионосферы осталась вне зоны наблюдений ИСЗ Интеркосмос-19.

Ионограммы внешнего зондирования, помимо информации о критических частотах трех магнитоионных компонент, содержат данные о частотах плазменных резонансов и плазменной частоте на высоте спутника. Кроме того, инвертируя высотно-частотные характеристики в профили электронной концентрации, можно получить высотное распределение ионизации. Всего в данной работе использовано около тысяч Ne(h)-профилей, часть из которых составили базу данных внешнего зондирования (http://antares.izmiran.ru/projects/IK19/).

Краткий обзор результатов, полученных другими авторами на основе данных зондирования с ИСЗ Интеркосмос-19, приведен в диссертации.

Задача исследования трехмерного распределения электронной концентрации в данной работе разделена на две части – исследование формы вертикального профиля Ne и глобального распределения параметров максимума слоя F2.

Вторая глава диссертации посвящена аналитическому представлению нормированного высотного распределения электронной концентрации Ne(h-hmF2)/NmF2, где hmF2 и NmF2 – высота и концентрация главного максимума. В отличие от большинства существующих моделей (Kohnlein, IRI и др.), использующих многосегментное представление профиля, нами рассмотрена аппроксимация одной функцией, позволяющая избежать проблемы “сшивания” отдельных сегментов. Сравнение точности аппроксимации различными функциями показало преимущество (см.

рис.1, например) использования функции Эпштейна Интеркосмос-Функция Эпштейна (0.019) Функция Чепмена (0.035) Экспонента (0.131) модель IRI 18.07. 1345 LT 40oS 305oE.

0.5 1.Ne/NmFРис.1. Сравнение экспериментального профиля электронной концентрации внешней ионосферы (толстая линия) с модельными аппроксимациями – функцией Эпштейна (треугольники), Чепмена (штриховая линия), экспонентой (тонкая сплошная линия) и моделью IRI (точки). Погрешность аппроксимации указана в скобках.

h-hmF2, км - hmF h exp B2u Ne(h - hmF2) = 4.2 с линейно изменяющимся с 1+ exp h - hmF B2u высотой параметром толщины слоя BB =B2u0+k(h–hmF2).

2u Долготные, широтные, сезонные вариации модельных коэффициентов, а также глобальные карты B2u0 и k, построенные на основе базы данных внешнего зондирования ИСЗ Интеркосмос-19, приведены в работе.

17.07.0600 LT.

104 105 17.07.Интеркосмос-1600 LT ст. Тукуман модифицированная NeQuick модель IRI 104 105 Ne, см-Рис. 2. Сравнение полных профилей электронной концентрации при зондировании сверху (точки) и снизу (треугольники) с моделями IRI (штриховая линия) и модифицированной NeQuick (сплошная линия) для утренних и дневных условий.

h, км h, км Модель NeQuick вычисляет N(h)-профиль, используя в качестве опорных значения параметров максимумов и толщины слоев F2, F1 и E.

Значения foF2 и M3000F2 (или hmF2) при этом задаются коэффициентами CCIR, а параметры нижележащих слоев определяются с помощью простых эмпирических соотношений по величинам зенитного угла Солнца и солнечной активности. Проведенная нами модификация NeQuick с применением полученных из эксперимента foF2, hmF2 и B2u дала возможность по данным зондирования со спутника рассчитывать полный профиль электронной концентрации ниже и выше главного максимума (рис.2) и реконструировать высотные сечения ионосферы (рис.3б и в).

Третья глава посвящена построению глобального двумерного распределения электронной концентрации максимума ночного слоя F2.

Орбитальные параметры ИСЗ Интеркосмос-19 (наклонение 72о и период обращения 99 мин) и режим работы ионозонда (зондирование с периодом 64 с и накопление данных в течение ~16 ч) позволяли получать за сеанс наблюдений значения foF2 на сетке с шагом 3.5 градуса по широте и градусов по долготе. Поскольку на средних и низких широтах орбита спутника проходила практически вдоль меридиана, а местное время пересечения им экватора оставалось приблизительно постоянным в течение сеанса, это позволило построить мгновенные карты foF2 (так называемые LT-карты), которые затем усреднялись для схожих гелио- и геофизических условий - сезона, LT, уровня магнитной активности и т.д.

Построенные карты существенно дополняют глобальные распределения foF2, получаемые с помощью стандартных моделей URSI и CCIR, и позволяют уточнить описание крупномасштабных неоднородностей электронной концентрации в максимуме слоя F2. Так, летом в северном полушарии наблюдается три максимума Ne на широте 30±10о N и 40, и 320о восточной долготы (рис.3а). В зимние месяцы отмечено существование двух максимумов электронной концентрации в южном полушарии (20o S, 200o E и 50o S, 340o E). Отмеченные крупномасштабные неоднородности типичны для всех ночных часов, различаясь лишь по степени развития и амплитуде, т.е. носят квазистационарный характер.

900 в а --30 0, град -5 -Ne*10, см б Июль 17, 1980 0.3 0.6 0.60 120 180 240, град Рис.3. Глобальное распределение электронной концентрации в максимуме слоя F2 (а) и долготное вдоль широты 30°N (б) и широтное вдоль долготы 140°E (в) вертикальные сечения ионосферы для летних ночных условий.

Четвертая глава. Приведены некоторые результаты исследования ионосферных возмущений от различных источников с использованием данных внешнего зондирования. Так, для геомагнитной бури 25.03.1979 г.

с помощью модифицированной модели NeQuick построены меридиональные сечения ионосферы, позволившие проследить степень развития экваториальной аномалии в различные фазы бури.

, град h, км h, км На примере мощного землетрясения 23.11.1980 г. на территории Италии показано, что на форму профиля электронной концентрации внешней ионосферы (поведение модельного параметра B2u) над эпицентральной областью влияют процессы подготовки землетрясения.

Заключение - даются основные выводы, приводятся сведения об апробации, о полноте опубликованных в научной печати основного содержания диссертации, ее результатов и выводов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Предложено аналитическое описание высотного профиля электронной концентрации внешней области F2 на основе функции Эпштейна с линейно изменяющимся параметром толщины.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»