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 .).
Метод лучевой РТ позволяет не только получать двумерные сечения концентрации плазмы, но и определять потоки плазмы рассматривая последовательные во времени РТ-сечения.
Проведены РТ-исследования сильных возмущений ионосферы, вызванных антропогенными факторами, – в частности, возмущений, вызванных стартами ракет. промышленными взрывами, мощным КВ -излучением .
