Доклад: Спутниковая радиотомография
Доклад: Спутниковая радиотомография
Содержание
Введение
1. Возможности и ограничения применения спутниковой
радиотомографии
2. Радиотомография исследования ионосферы в различных
широтных областях
3. Научная программа эксперимента "Маяк"
3.1 Научные задачи
3.2 Состав бортовой аппаратуры
4. Мониторинг ионосферы в интересах коротковолновой связи
5. Первые в мире
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Исследования по лучевой
радиотомографии (РТ) ионосферы и ее приложениям вызывают заметный интерес в
мире. С начала девяностых годов были проведены серии успешных экспериментов по
реконструкции структуры ионосферной плазмы с помощью томографических методов в
различных регионах Европы, Америки, Юго -Восточной Азии , Австралии. С тех пор
лучевая РТ стала одним из основных инструментов исследования распределений электронной
плотности в ионосфере. В докладе представлены и обсуждаются результаты исследований
структуры и динамики ионосферы методом лучевой
РТ по данным экспериментов 1990–2005 гг., выполненных сотрудниками МГУ, ПГИ РАН
и совместно с зарубежными коллегами. Метод лучевой РТ ионосферы основан на регистрации
и анализе радиосигналов двух когерентных частот 150 и 400 МГц низкоорбитальных
(НО ) навигационных российских спутников типа "Цикада" или
американских "Транзит " в нескольких приемных точках, расположенных
вдоль траектории восходящих или нисходящих витков орбит спутника и на расстояниях
порядка сотен километров. Данные навигационные спутники летают на высотах 1000 –
1150 км, имеют близкие полярным орбиты и период обращения около 105 мин.
Высокая скорость движения спутника (~7.9 км /с) и соответственно быстрое, по
сравнению с характерными масштабами временных изменений исследуемых ионосферных
процессов, пересечение спутником просвечиваемой области позволяют
реконструировать двумерные сечения электронной концентрации в плоскости пролета
спутника, характерная длительность РТ регистрации составляет 10–15 мин. Важными
достоинствами метода лучевой РТ ионосферы является сравнительная простота его
реализации и при наличии достаточного количества приемных точек, высокое
пространственно-временное разрешение .
1. Возможности и
ограничения применения спутниковой радиотомографии
К одним из достоинств
метода фазоразностной РТ следует отнести возможность простой интерполяции
экспериментальной доплеровской частоты при разрывах в регистрации в отличие от
фазовых методов. В общем случае в задачах лучевой РТ ионосферы путь
интегрирования L определяется траекторией луча и зависит от искомого
распределения N. Проведенные оценки и компьютерное моделирование показали, что
рефракционные эффекты определяются вариациями N и малосущественны до значений
максимальной концентрации ~(1.5 ÷2.5)10 12
м –3 . В случае учета рефракции решение нелинейной томографической задачи можно
реализовать в виде решения последовательности линейных задач, что сводится к
итерационной процедуре, где для расчета каждого после дующего приближения
электронной концентрации используется траектория, полученная из приближения
электронной концентрации на предыдущем шаге. Рефракция приводит к отклонению
луча от прямого и ограничивает размер дискрета и разрешение задачи лучевой РТ в
линейной постановке до 30–40 км по горизонтали и до 20–30 км по вертикали.
Другим ограничением является эффект дифракции радиоволн, также ограничивающий
снизу раз мер дискрета около 10 км (радиус Френеля в данном случае составляет
около 1 км ). Таким образом, пространственное разрешение метода лучевой РТ ионосферы
можно улучшить до 10–20 км, если учитывать рефракцию зондирующих лучей. Принципиальным
ограничением для всех вариантов РТ является неединственность задачи. В линейных
задачах неединственость проявляется в существовании фантомов – отличных от нуля
знакопеременных распределений, интегралы от которых по всем лучам равны нулю.
Будучи добавленными к реконструированной искомой функции, фантомы искажают ее,
но при этом оставляют без изменений сами значения всех интегралов по всем
проекциям.
Примеры таких "невидимых
" фантомов рассмотрены, причем размер деталей структуры финитного фантома
уменьшается с ростом числа проекций и может стать сопоставимым с разрешением
системы. Поэтому при большом числе приемников (более 5–7) фантомы представляют
собой достаточно экзотичные знакопеременные образования с мелкой структурой и специфической
симметрией, которая определяется приемной системой. В природе существование
подобных структур маловероятно.
2. Радиотомография
исследования ионосферы в различных широтных областях
Впервые в мире
экспериментальные РТ - реконструкции главного ионосферного провала были
получены в марте – апреле 1990 г. сотрудниками МГУ и ПГИ РАН. Они представлены
в изолиниях в единицах 10 12 м. Проведенные многочисленные эксперименты
показали сложность и разнообразие форм провала, причем его ширина, наклон и
глубина варьируются в широких пределах.
В докладе рассмотрены
ионосферные проявления нескольких крупнейших бурь периода 1990–2004 гг. Структура
ионосферы в периоды возмущений была исследована методами РТ в авроральной, субавроральной
и среднеширотной ионосфере над северо-западом России , северо-востоком США , востоком
Канады , Аляской и Европой. Выявлен ряд особенностей
структуры распределения электронной плотности в возмущенной ионосфере, не характерных
для спокойных периодов. В частности, во время сильных возмущений в
реконструкциях наблюдались многоэкстремальные структуры с "пятнами "
ионизации, а также резкие градиенты в виде "стенок " электронной
концентрации; выявлены тонкие (поперечная протяженность порядка нескольких
километров) структуры повышенной электронной плотности, вытянутые вдоль
магнитных силовых линий и имеющие протяженность по высоте около сотен
километров. Обнаружена сложная структура ионосферного провала со смещением полярной
стенки к экватору и ее наклоном, неоднократно наблюдались расслоения провала. В
докладе проанализированы реконструкции с волновыми эффектами высыпаний низкоэнергетичных
частиц.
В качестве примера было представлено
РТ-сечение ионосферы по трассе Москва – Баренцбург (Шпицберген ) в период
геомагнитной бури 29–31 октября 2003 г ., которая относится к классу
исключительно мощных . За два дня 29–30 октября было зафиксировано три
трехчасовых интервала с максимально возможным Kp = 9 (это случилось впервые в
истории Kp-индексов). Как видно из реконструкции, ночью наблюдается сложная
многоэкстремальная структура с "пятном " повышенной электронной
концентрации на уровне широты около 70º (максимальное значение порядка
1.5·10 12 м –3 , что совершенно не типично для субавроральных широт). Сложное
сечение ионосферы с достаточно узкой практически вертикальной структурой в
районе 60º наблюдалось 27 июля в 05:46 UT 2004 г . (Kp = 8.7) в районе
Аляски.
В докладе представлены
результаты РТ-исследований структуры и динамики низкоширотной ионосферы ,
которые были получены в ходе совместных работ университетов МГУ, Иллинойса ,
Тайваня и Уханя . В области приэкваториальных широт (приемная трасса Шанхай
–Манила ) был выявлен ряд новых структурных особенностей экваториальной аномалии
(ЭА):
-сформировавшееся ядро ЭА
ориентировано вдоль направления магнитного поля Земли;
-существует значительная
асимметрия между экваториальным и полярным краями ЭА;
-обнаружены характерные
чередующиеся области "расширение–сужение " толщины ионосферы в широтном
диапазоне 15–31 °;
-в области ядра ЭА
происходит "продавливание" и "опускание" нижнего края
ионосферного слоя, т.е. проникновение потока плазмы из F-области в нижние слои
в районе широт ~25–28º; в области за ядром ЭА (~28–31º) образуется "перетяжка
".
Наблюдаемые структурные
особенности могут быть интерпретированы на основе анализа потоков и скоростей
плазмы в районе ЭА, обусловленных "фонтан-эффектом". Существующая
восточно-западная компонента электрического поля и квазигоризонтальное магнитное
поле в районе магнитного экватора приводят к вертикальному дрейфу плазмы с
вертикальной и северной составляющими скорости. В северном направлении
происходит увеличение потока плазмы, который приобретает все большую составляющую вдоль силовых линий магнитного поля.
Вследствие "загибания" к Земле силовых линий магнитного поля
происходит и "поворот" вниз потока плазмы вдоль силовых линий. Здесь,
в области, где поток ориентирован почти вдоль линий, происходит увеличение
плотности плазмы и образование ядра ЭА. Один из примеров РТ -реконструкции ЭА
представлен в докладе. на котором хорошо видно ядро ЭА, ориентированное вдоль
направления магнитного поля Земли (штрихами отмечены магнитные силовые линии ).
Асимметрия ядра ЭА обусловлена тем, что если у север ной границы ядра поток
плазмы направлен вдоль силовых линий , то у южной поток имеет поперечную
магнитному полю направленную вверх компоненту , что приводит к "размазыванию
" южной части ядра . Наличие направленной вверх компоненты потока с южной
стороны ядра обусловливает образование хвоста , в котором плазма втекает с юга
и снизу в ядро ЭА . Вертикальная компонента потока плазмы в приэкваториальной
области приводит к расширению ионосферы к северу. Последующее "загибание "
к Земле силовых линий магнитого поля приводит к "повороту" вниз
потока плазмы, вдоль силовых линий и к сужению ионосферы. В области ядра ЭА
происходит "продавливание" и "опускание " нижнего края ионосферного
слоя под воздействием потока плазмы вдоль силовой линии.
Это хорошо видно на РТ
-реконструкциях в области Е (h от 90 до 150 км ) на широтах 24–28 °. В области
продавливания и опускания нижнего края ионосферного слоя происходит , по
-видимому , торможение плазмы и последующий дрейф "в скрещенных полях "
со сменой направления дрейфа. Иными словами , происходит "поворот "
потока плазмы почти на 90º, т . е . движение преимущественно вдоль
магнитного поля сменяется после торможения движением поперек магнитного поля .
Такая структура потока и приводит к образованию области типа "перетяжки ",
наблюдаемой после ядра ЭА в районе широт 28–31º. В докладе представлены примеры
типичного временного поведения ЭА (рост концентрации ЭА в районе полудня ,
смещение ЭА к северу и убывание плотности к вечерним часам ) и необычного
поведения ЭА (например, концентрация иногда оставалась почти постоянной в
течение 5–7 ч, убывала с полудня или возрастала в вечерние часы – "послезакатный"
эффект и т . д .).
Страницы: 1, 2, 3, 4 |