Современное состояние методов и техники наземного вертикального радиозондирования ионосферы
|
Скачать 427.66 Kb.
|
|
Современное состояние методов и техники наземного вертикального радиозондирования ионосферы Данилкин Н.П., Журавлев С.В., Котонаева Н.Г., Гивишвили Г.В., Колесник С.А., Кузьмин А.В., Паньшин Е.А., Цыбуля К.Г., Дьяков В.П., Филиппов М.Ю. ВВЕДЕНИЕ Первые эксперименты Брайта и Тьюва [1] по радиозондированию ионосферы, опубликованные в 1926 г., явились прямым доказательством существования проводящего электрического слоя в атмосфере Земли. Этим экспериментом была закончена бесплодная дискуссия о существовании в верхней атмосфере зеркала, отражающего радиоволны обратно на Землю. Действительно, казалось бы, что еще в 1901 году после блестящего эксперимента Маркони, который передал букву «S» с помощью радиоволн через Атлантический океан, существование в атмосфере слоя, отражающего радиоволны, не должно было вызывать сомнений. Тем более что в 1902 году в Британской энциклопедии появилась статья Хевисайда, в которой были рассмотрены основные вопросы распространения радиоволн в эксперименте Маркони, показана первая теория ионизации атмосферы солнечным излучением с образованием слоя, отражающего радиоволны. Однако, ведущие физики того времени не согласились с выводом о существовании в атмосфере Земли проводящего электричество слоя, отражающего радиоволны. Зоммерфельд провел обширные вычисления поля радиоволн на основе дифракции на сферической поверхности Земли и эксперимент Маркони стали трактовать как доказательство этой дифракции. И только эксперименты по радиозондированию явились тем доказательством, которое всех убедило в существовании ионосферы. Поэтому в большинстве (а может быть и во всех) книг по истории исследований ионосферы принято считать началом открытия ионосферы 1922-1924 годы, когда Эдвард Эпплтон вместе со студентами университета в Кембридже показал, что радиоволны при загоризонтном распространении радиоволн приходят сверху, т.е. отражаются от «чистого неба». Эксперименты Брайта и Тьюва подтвердили это открытие.  Американские инженеры Брайт и Тьюв за настройкой аппаратуры, на которой они получили впервые радиолокационные отражения от Е слоя ионосферы. Если до начала эры радиозондирования даже проблемные публикации ученых о наличии ионосферы считались «вздорными» и не принимались в печать, то затем начинается лавинообразный рост числа научных статей, который в 20-х годах привел к значительному расширению объема экспериментальных исследований по ионосферному распространению радиоволн вследствие их резко возросшей практической значимости. Появляются первые ионосферные радиолаборатории, такие как Нижегородская лаборатория Бонч-Бруевича. На Западе появилась «Английская компания беспроволочной телеграфии». Шулейкин на основании анализа данных о распространении коротких волн делает вывод о существовании отражающего слоя на высоте 260 км и издает в 1923 г. первый учебник по распространению радиоволн с учетом влияния ионосферы [2]. В это же время создаются первые теории ионосферных слоев. Лармор в 1924 г. предположил, что ионосферу не следует считать проводником, а ее зеркальные свойства есть свойства диэлектрика, и основную роль в процессе отражения играют не электроны, а ионы. В 1926 г. Эпплтон и Барнетт опубликовали исследование, в котором ионосфера считалась проводящим слоем, основную роль в отражении играли электроны, а полученные соотношения для показателя преломления электромагнитных волн восходили к классической работе Лоренца «Теория электронов». В 1930–1932 гг. Щукин публикует свои исследования по анализу данных о напряженности поля и федингу на волнах KB диапазона и приводит сыгравший впоследствии значительную роль метод расчета напряженности поля в этих условиях [3]. В те же годы были проведены и опубликованы работы Чепмена и Крючкова по расчету ионизации как функции высоты в простейшем случае (простой слой): атмосфера состоит из одного газа, распределенного с высотой по барометрическому закону, а излучение Солнца – монохроматическое. В 1932 г. Эпплтон полностью закончил разработку основных положений магнито-ионной теории и получил выражение для комплексного показателя преломления [4], которое с тех пор практически не изменилось и известно как основная дисперсионная формула ионосферы. За цикл работ 1924–1932 гг. Эдварду Эпплтону в 50-е годы была присуждена Нобелевская премия. Работы Шулейкина, Эпплтона, Щукина, Крючкова, Чепмена, Байнона послужили теоретическим фундаментом для широкого распространения ионосферных исследований и их практического использования. Метод радиозондирования при этом становился главным рабочим инструментом и для ученых, и для инженеров, занимающихся вопросами практического использования ионосферных радиоволн [5]. В 30-е годы метод радиозондирования был окончательно развит. Возникает целая сеть лабораторий, которые в разных геофизических условиях начинают систематические наблюдения ионосферы. После лаборатории Бонч-Бруевича возникает ионосферная станция в Томске; ионозонд для нее изготавливает Булатов и за его изобретение получает авторское свидетельство. В это же время Лихачев публикует первый «Альбом ионограмм вертикального зондирования» – «картинки по Лихачеву». Создают ионозонды и проводят исследования методом радиозондирования: в Ростове-на-Дону – Чавдаров (который также создает в 1939–1940 гг. первую станцию по измерению поглощения радиоволн [6]), в Москве – Казанцев, в Ленинграде – Заборщиков. В Англии проводят радиозондирование Радиоисследовательская станция в Слау (Лондон) и Кэвендишская лаборатория в Кэмбридже, в США – Институт Карнеги и Бюро Стандартов. Послевоенный период характеризуется огромной активностью в области вертикального радиозондирования ионосферы. Появляется большое число автоматических ионозондов промышленного изготовления: в СССР – АИС, в Германии – SP-3, в США – С-4 и др. На основе этих ионозондов возникает мировая сеть ионосферных станций, которая по стандартным, согласованным в международном масштабе программам проводит регулярные, одновременные и однотипные измерения методом вертикального радиозондирования ионосферы приблизительно в 150 точках. Создается консультативная группа по мировой сети ионосферных станций при Международном научном радиосоюзе (УРСИ), которая выпускает специальное руководство УРСИ по интерпретации и обработке ионограмм вертикального радиозондирования ионосферы [7]. Единая инструкция по обработке и одновременные измерения на всем земном шаре, в том числе и по специальным программам, создание сети Мировых центров данных (МЦД), аккумулирующих и распространяющих данные вертикального радиозондирования по запросам всех желающих, быстро продвигало ионосферную науку. Выведение ионозонда вертикального радиозондирования на орбиту ИСЗ, которое произошло всего через 5 лет после начала космической эры, знаменовало появление новых возможностей старого метода. Целая серия космических ионозондов позволила в дальнейшем получить всеобъемлющие сведения о морфологических особенностях и свойствах внешней части земной ионосферы. ХАРАКТЕРИСТИКА И ТИПЫ РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ. СИСТЕМНОЕ РАДИОЗОНДИРОВАНИЕ В настоящее время радиозондирование не только не утратило своего ведущего положения в системе методов контроля состояния ионосферы, но практически превращается в метод контроля всей околопланетной среды. Происходит это вследствие того, что ионосфера как среда занимает ключевое место в изучении физики околоземной плазмы, так как, с одной стороны, ее можно рассматривать как тонкий и относительно хорошо проводящий слой, в котором замыкаются токовые системы обширных областей земной магнитосферы и экзосферы. С другой стороны, ионосфера, непосредственно соприкасаясь с нейтральной атмосферой, воспринимает от нее различного вида колебания, тепловые потоки, движения электрических зарядов (например, молнии снизу вверх). Таким образом, диагностика состояния ионосферы не только приносит традиционно известные сведения об условиях распространения радиоволн в околоземном пространстве, но и позволяет следить за процессами перестройки внешних областей земной атмосферы по изменению их токовых систем, поскольку обширные пространства магнитосферы связаны системой вертикальных токов с наиболее проводящей частью атмосферы – ионосферой – и их изменения сказываются на состоянии ионосферы. В то же время наблюдения ионосферы позволяют контролировать многие процессы в нижних непроводящих слоях (стратосферное потепление, атмосферные волны и т.п.), так как колебательные процессы, усиливаясь при прохождении этих слоев атмосферы, передаются в верхние проводящие слои, где легко регистрируются радиофизическими способами. Более того, следя за состоянием ионосферы, можно контролировать колебания земной поверхности (землетрясения, сильные взрывы). Причина, по которой радиозондирование занимает ключевое место в ионосферных измерениях, являясь беспрецедентным по точности, проста: информацию приносит резонансное отражение радиоволн от структурных особенностей ионосферы. Условием резонансного отражения является равенство частоты диагностирующей радиоволны и плазменной частоты ионосферных областей. Следовательно, радиозондирование есть наблюдение состояния плазменной среды с помощью радиоволн, когда относительная комплексная диэлектрическая проницаемость плазмы (  ) близка к нулю или равна ему. Радиозондирование отличается от других способов диагностики ионосферы – метода частичных отражений, метода когерентного и некогерентного рассеяния радиоволн, различных фазовых методов, таких как дисперсионная интерферометрия, доплеровские измерения и т.п., именно тем, что только в нем используется равенство нулю комплексного фазового коэффициента преломления ионосферы ,где п и  – коэффициенты преломления и поглощения волны соответственно.На рисунке 1 ниже представлена схема, которая иллюстрирует соотношение различных методов контроля состояния ионосферы с помощью радиоволн.
Плазма является чувствительным датчиком практически всех атмосферных процессов, происходящих на пути следования луча радиозондирования, а отражение радиоволн или прохождение насквозь на самой границе «прозрачности» ионосферы обеспечивает диагностику атмосферных параметров с чувствительностью, не имеющей себе равных. Ионозонды легко позволяют получить большое отношение сигнал/шум даже без длительного накопления сигнала. При полном отражении, зная частоту зондирующего сигнала, можно измерять концентрацию электронов как функцию высоты с очень высокой точностью. Получение полной геофизической информации из каждого отраженного или прошедшего насквозь сигнала, которое может легко и быстро делать компьютер, включенный в состав ионосферного комплекса, означает анализ не только групповой задержки как функции частоты – измерения, традиционного для ионозонда – но и геофизическую интерпретацию таких радиофизических параметров, как амплитуда, фаза, поляризация, доплеровский сдвиг. Эти данные могут быть преобразованы в сведения об атмосфере, которые часто невозможно получить никакими другими способами. Радиозондирование позволяет получать информацию о процессах любой длительности, начиная с нескольких десятилетий (напомним, что первые ионосферные измерения проводились более полувека назад) и кончая процессами, длящимися доли секунды. В особых естественных ситуациях (например, солнечное затмение) или в ситуациях, создаваемых искусственно, когда в ионосфере появляются сложные облачные образования с повышенной или пониженной концентрацией электронов, измерения вблизи границы прозрачности ионосферы обеспечивают детальный «осмотр» структурных особенностей этих образований. Современное радиозондирование, осуществляемое из одного пункта, включает в себя четыре вида радиозондирования: вертикальное – наземное (ВЗ), наклонное (НЗ), внешнее (ВнЗ) и трансионосферное (ТИЗ). Сюда может быть подключено также возвратно-наклонное зондирование (ВНЗ), которое может осуществляться тем же радиофизическим комплексом. Однако из физических соображений его (оно основано на «рассеянии радиоволн назад», а не на условии ε´≈0), также как и наклонное зондирование представляется более целесообразным рассматривать отдельно. Ясно, что при этом из одного пункта можно получить информацию о явлениях различной пространственной протяженности, начиная с размеров, сравнимых с длиной волны (λ≈50 м), и кончая размерами, намного превышающими размеры первой зоны Френеля, т.е. по горизонтали сравнимыми с высотой внутренней ионосферы (~200 км). Это касается метода ВЗ. Если же пункт оборудован дополнительно устройствами для приема сигналов ВнЗ и ТИЗ, то при высоте орбиты ИСЗ порядка 1000 км из этого пункта можно наблюдать за состоянием ионосферы на расстояниях, достигающих 5000 км. Таким образом, можно сформулировать основные принципы использования метода радиозондирования, которые позволяют наиболее полно реализовать все его преимущества. 1. Измерительная система должна быть устроена таким образом, чтобы обеспечивалась синхронная и синфазная частотная перестройка передающих и приемных устройств всех четырех видов зондирования – ВЗ, НЗ (см. ниже), ВнЗ, ТИЗ. Примечание. Некоторые станции ВЗ оснащены устройствами синхронизации от систем навигационных ИСЗ «Глонасс», «GPS» и др. В этом случае возможен и целесообразен (а в некоторых случаях, наоборот, нецелесообразен) прием ионограмм наклонного зондирования – НЗ. Например, сеть станций Австралии, таким образом, имеет больше контролируемых областей, чем она бы имела только от станций ВЗ. 2. Сочетание измерительных средств и вычислительной техники должно позволять получать частотные зависимости всех радиофизических характеристик каждого прошедшего ионосферу сигнала (групповая задержка  , амплитуда  , фаза  , доплеровский сдвиг частот  , поляризации). Из этих измерений должна быть получена вся геофизическая информация. Неполнота полученной геофизической информации ведет к ухудшению количественных характеристик различных групп самой информации.3. Необходим глобальный мониторинг ионосферы на основе органического синтеза региональных мониторингов, объединенных с помощью той части системы, которая базируется на использовании спутников, находящихся на полярных или солнечно-синхронных орбитах. Указанные требования определяют и ограничивают систему методов радиозондирования, которые позволяют на основе либо резонансного отражения радиоволн, либо просвечивания насквозь на частотах, несколько больших граничной частоты просвечивания ионосферы проводить мониторинг планетарной ионосферы в диапазоне высот примерно 70–1000 км. При этом для определения параметров каждой характерной области ионосферы выбирается тот метод зондирования, который оптимально решает задачу наблюдения именно этой области. Заметим, что введение в систему метода ТИЗ делает последнюю замкнутой. Таким образом, налицо все признаки, позволяющие трактовать данный метод как метод системного радиозондирования. ИОНОЗОНДЫ, ДИГИЗОНДЫ, ДИНАЗОНДЫ Основным методом системного радиозондирования является метод вертикального радиозондирования с поверхности Земли, а принципиальной основой аппаратурных решений для всей системы в целом является аппаратура вертикального зондирования. При этом аппаратурные решения для ВЗ фактически на каждом этапе развития определяли схемы наклонного, внешнего, возвратно-наклонного и трансионосферного зондирования. Поэтому целесообразно более тщательно рассмотреть принципы аппаратурных решений ионозондов ВЗ и основы обработки их данных. Ионозонд есть радиолокатор, измеряющий высоту отражения радиоволн различной частоты в диапазоне плазменных частот ионосферы. Прибор должен создать радиосигнал, подходящей формы для измерения высоты, излучить его в пространство преимущественно вверх (с поверхности Земли), принять отраженный от ионосферы эхо-сигнал, обработать его и представить наблюдателю в удобной для анализа форме. Фактически измеряется не высота отражения радиоволн, а время, в течение которого радиоволны достигают своего уровня отражения и возвращаются обратно. Умножив его на скорость света в вакууме, наблюдатель и получает высоту отражения. В связи с тем, что скорость радиоволн в плазме меняется в зависимости от многих факторов, полученный результат не есть истинная высота отражения, а несколько большая величина, которую принято называть «действующей» высотой. Для получения истинной высоты отражения радиоволн различных частот необходимо произвести расчеты, которые обычно называют расчетом N(h)–профиля ионосферы. Пример ионограммы представлен на рис.2. Основная характерная черта аналоговых ионозондов заключалась в следующем: рабочая частота в диапазоне плазменных частот ионосферы меняется непрерывно либо за счет движений механических деталей (например, вращается одна из «пластин» конденсатора), либо тем или иным электрическим способом. При этом импульсный генератор модулирует эту частоту так, чтобы на выходе имелась последовательность заполненных медленно меняющейся частотой импульсов необходимой длительности (обычно 100 мкс). В этой схеме простая синхронизация возможна только для случая вертикального радиозондирования. Схемы же наклонного, а особенно трансионосферного зондирования отличаются повышенной сложностью. Уже в рамках аналоговых схем были созданы первые поляризационные ионозонды, т.е. такие, в которых можно отдельно получать параметры обыкновенной и необыкновенной волн. С одной стороны, их использование существенно упростило анализ ионограмм и расчет N(h)-профилей, что оказалось особенно важным для случаев сложной «облачной» структуры ионосферы, характерной для активных экспериментов. С другой стороны, они позволили анализировать частотную зависимость амплитуды сигнала, отраженного от области F ионосферы, в условиях отсутствия поляризационного фединга. Это привело к появлению методов экспериментального определения профилей частоты соударений электронов во всем высотном диапазоне внутренней ионосферы.  Рис. 2. Типичная ионограмма ВЗ с указанием частотных и высотных точек для определения основных параметров состояния ионосферы. Дальнейшее совершенствование аппаратуры ВЗ связано с развитием цифровых ионозондов. Их основное отличие от аналоговых заключается в том, что управление характеристиками ионозонда и анализ получаемой информации осуществляется компьютером, входящим в состав аппаратуры. Для цифровых ионозондов характерно наличие цифрового синтезатора частоты. В СССР были созданы семейство цифровых ионозондов «Базис», ионозонды «Сойка», «Авгур», «Бизон», «Парус»; на Западе – ионозонды 128, 256, 610М1, DPS-4, CADI , IPS-71. Следует особенно отметить, что анализ цифровых ионограмм естественным образом позволяет расширить число измеряемых ионосферных «радиофизических» параметров. Теперь регистрируется не только действующая высота или глубина отражения, но и одновременно измеряются частотные зависимости амплитуды сигнала, фазы, доплеровского сдвига, поляризации и т.п. Эта дополнительно получаемая информация в значительной степени увеличивает полезность проводимых измерений, так как потенциально каждый из указанных радиофизических параметров определяет тот или иной геофизический параметр. В настоящее время условно можно выделить пять основных направлений, каждое из которых представлено «базовым» аппаратом, в использовании цифровых ионозондов наземного радиозондирования. |
Похожие:
 |
Книга Современное состояние, обоснование предложений по территориальному... Книга Современное состояние, обоснование предложений по территориальному планированию |
 |
Дипломная работа "Современное состояние и изменение биогенных компонентов... Еятельности человека. Поэтому время требует рассмотрения и анализа уже происшедшего, чтобы создать программы будущего рационального... |
|
Дипломная работа Тема: Страхование средств автотранспорта в рф: современное... Тема: Страхование средств автотранспорта в рф: современное состояние и перспективы развития |
|
Приказ от 20 июня 1994 г. N дв-58 об утверждении "наставления по... России, которое учитывает накопленный опыт поддержания летной годности воздушных судов, современное состояние, структурные, организационные... |
|
О совершенствовании мероприятий по профилактике вертикального пути Вич-инфекции с применением наиболее эффективных и безопасных методов профилактики, что требует усиления взаимодействия между акушерско-гинекологической,... |
|
Содержание 1 Современное состояние муниципального образования «поселок городского типа Кукмор» 1 |
|
На правах рукописи Международное иновещание: этапы развития, специфика и современное состояние 6 |
|
В российской федерации Современное состояние и проблемы дополнительного естественнонаучного образования детей |
|
Современное состояние территории Современная планировочная структура, функциональные зоны и планировочные ограничения |
|
В. Жириновский Россия и Япония Экономическое сотрудничество России и Японии: современное состояние и перспективы |
|
Общество с ограниченной ответственностью Современное состояние системы санитарной очистки и уборки мо "город архангельск" 24 |
|
«Архитектурно-планировочное бюро-сервис» Современное состояние и перспективы социально экономического развития города. 17 |
|
Современное состояние рынка легковых автомобилей Выводы и рекомендации по повышению конкурентоспособности российских производителей 11 |
|
Общество с ограниченной ответственностью Современное состояние системы санитарной очистки и уборки мо "город архангельск" 24 |
|
Дипломная работа Современное состояние конъюнктивальной микрофлоры пациентов до и после хирургического лечения катаракты |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины Опд. Ф история и современное состояние молодежного движения в России и за рубежом |