close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

...(законных представителей) ПРИ ПОСТУПЛЕНИИ ребенка;pdf

код для вставкиСкачать
РРВ-24
Пленарный доклад
_____________________________________________________________________________________________
ИССЛЕДОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ РАЗНЫХ ШИРОТ ТОМОГРАФИЧЕСКИМИ
МЕТОДАМИ ПО ДАННЫМ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ
В.Е. Куницын1, E.Д. Терещенко2, Е.С. Андреева1, И.А. Нестеров1
1
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
119991, Россия, г. Москва, Ленинские горы,
E-mail: [email protected]
2
Полярный геофизический институт РАН,
183010, Россия, г. Мурманск, ул. Халтурина, 15,
E-mail: [email protected]
Рассмотрены результаты ряда томографических исследований ионосферы по данным навигационных
спутниковых систем (низкоорбитальных и высокоорбитальных). Приведены примеры экспериментальных
томографических реконструкций ионосферы приэкваториальных, средних, субавроральных и авроральных
широт в различных регионах мира. Обсуждаются перспективы исследований ионосферы радиомографическими методами в сочетании с другими методами зондирования.
INVESTIGATIONS OF THE IONOSPHERE IN DIFFERENT LATITUDES
USING TOMOGRAPHIC METHODS BASED ON THE DATA
OF NAVIGATIONAL SATELLITE SYSTEMS
V.E. Kunitsyn1, E.D. Tereshchenko2, E.S. Andreeva1, I.A. Nesterov1
Some results of tomographic investigations of the ionosphere using navigational satellite systems (loworbital and high-orbital) data are considered. Examples of experimental tomographic imaging of near-equatorial,
mid-latitude, subauroral, and auroral ionosphere in different regions of the world are presented. The prospects for
investigations of the ionosphere by radio tomographic methods together with other methods of radio sounding.
Введение
Существующие навигационные спутниковые системы и сеть наземных приемников дают
возможность проводить зондирование ионосферы по различным направлениям и применять методы радиотомографии (РТ), т. е. позволяют восстанавливать пространственную структуру электронной концентрации ионосферы. В данном случае навигационные спутниковые системы (Navigational Satellite System-NSS) включают низкоорбитальные (НО) и высокоорбитальные (ВО) навигационные системы. НО системы (типа американского «Транзит» и российской «Цикада») позволяют определять координаты приемника в любой точке Земли, но не непрерывно. Интервал времени между определениями координат зависит от числа действующих спутников НО группировки. ВО системы (GPS/ГЛОНАСС и другие) позволяют определять координаты приемника в любой
точке Земли непрерывно по времени. Передатчики на НО и ВО спутниках и приемники на Земле
дают семейства лучей, пересекающих околоземную среду, и позволяют определять групповые и
фазовые пути радиосигналов (в случае НО систем только фазовые пути) вдоль соответствующих
лучей. Данные семейства лучей дают возможность проводить зондирование ионосферы по различным направлениям и получать соответствующие интегралы (разности интегралов) от показателя преломления среды. Такой набор указанных интегралов позволяет применять методы РТ.
Методы и подходы
Методы спутниковой РТ ионосферы на базе данных NSS успешно развиваются в настоящее
время. С начала 90-х гг. действуют системы РТ на базе НО навигационных систем. В последние
годы активно проводятся РТ исследования по данным ВО навигационных систем. Для обозначения различных видов РТ здесь используются термины «низкоорбитальная» РТ и «высокоорбитальная» РТ ионосферы (НОРТ и ВОРТ). С основными результатами РТ исследований ионосферы,
а также результатами апробации РТ методов можно ознакомиться в следующих работах [1–6].
В НОРТ экспериментах прием двух когерентных спутниковых сигналов на частотах 150 и
400 МГц и регистрация разности фаз между ними (приведенной фазы) осуществляется на сети из
нескольких наземных приемных станций, расположенных вдоль траектории спутников на расстояниях порядка сотен километров, что позволяет восстанавливать структуру ионосферы в об-
19
РРВ-24
Пленарный доклад
_____________________________________________________________________________________________
ласти с горизонтальными размерами 1000-3000 км с временным осреднением порядка 5–10 мин. В
линейной постановке, разрешение лучевой НОРТ составляет 20–30 км по горизонтали и 30–40 км
по вертикали. Учет рефракции повышает точность НОРТ-реконструкций до 10–20 км, что делает
этот метод пригодным для исследования тонкой структуры ионосферы.
Методы ВОРТ используют сигналы навигационных спутников GPS/ГЛОНАСС. Сравнительно низкая угловая скорость спутников GPS/ГЛОНАСС определяет необходимость учета временной изменчивости ионосферы, что приводит к постановке задачи четырехмерной томографии
(три пространственные координаты и время). Основными особенностями 4D задачи являются высокая размерность и существенная неполнота данных. Здесь необходима дополнительная процедура интерполяции найденных решений в области отсутствия данных или нахождение сглаженного решения [7–8]. В силу неравномерного покрытия различных территорий приемными станциями
вертикальное и горизонтальное разрешение ВОРТ не лучше 100 км c шагом по времени 60–20 мин.
На плотных сетях приемников (Европа, США, Аляска, Япония) можно достичь разрешения в 30–
50 км c шагом по времени 30–10 мин. Только в районе очень плотных сетей Калифорнии и Японии
возможно достичь разрешения в 10–30 км с шагом по времени до 2 мин.
Примеры экспериментальных результатов
Проведенные исследования в различных регионах мира (Европе, Америке и Азии) свидетельствуют о широких возможностях томографических методов, позволяющих по данным NSS
регистрировать разнообразные ионосферные структуры: провалы ионизации, перемещающиеся
ионосферные возмущения (ПИВ), блобы (“blobs”), пятна (“patches”), пузыри (“bubbles”), “языки”
ионизации, ионосферные «следы» корпускулярной ионизации и т. д. [1–6, 9]. В отличие от ионозондов, использующих КВ радиоволны, НОРТ и ВОРТ методы позволяют исследовать структуру
ионосферы и в периоды геомагнитных бурь, поскольку в задачах НОРТ и ВОРТ из-за высокой частоты зондирования поглощением, как правило, можно пренебречь.
В качестве примера на рис. 1 представлена эволюция провала ионизации над Европой
16.04.2013г. в слабовозмущенный период (максимальное значение Kp не превышало 3.3). На картах вертикального ТЕС (полное электронное содержание – total electron content), вычисленных из
4D ВОРТ-реконструкций, можно наблюдать появление неглубокого провала ионизации в районе
широт 68–70° N в 18:00UT. С течение часа (19:00 UT) провал углубляется. Затем провал постепенно становится более протяженным и более глубоким к 20:00–21:00 UT. На рис. 2 показан пример
эволюции провала ионизации над Европой в период геомагнитной бури 17.03.2013 г.
(Kp=6.7).Следует отметить, что в период бури провал ионизации расположен заметно южнее (58–
60° N). На картах вертикального ТЕС в течение 5 ч (17:00–22:00 UT) хорошо видно, как провал
становится более протяженным и постепенно смещается к югу: с 58–60° N в 17:00 UT до 50–52° N
в 22:00 UT. В качестве сравнения на рис. 3–4 показаны примеры эволюции провала ионизации над
северной Америкой в тот же период 16-17 марта 2013 г. В отличие от 16 марта 2013 г. (рис. 3) в
период бури 17 марта 2013 г. (рис. 4) над северной Америкой наблюдался широкий и глубокий
провал ионизации в 04:00 UT, который постепенно «расслаивался» и смещался в южном направлении в течение трех часов с 05:00 UT до 07:00 UT.
Методы НОРТ позволяют восстанавливать более тонкие детали ионосферных структур. Неоднократно были зарегистрированы пятна повышенной ионизации внутри провала. На рис. 5 показан один из примеров провала ионизации над северо-западом России (Москва–Шпицберген). На
НОРТ сечении хорошо виден провал ионизации в области широт 62–65° N и пятно повышенной
ионизации идентифицируется внутри провала (63° N), а также квазиволновые возмущения к северу от провала в районе широт 66–78° N. Один из примеров узкого провала ионизации (в районе
широты 48° N) в районе Калифорнии показан на рис. 6.
20
РРВ-24
Пленарный доклад
_____________________________________________________________________________________________
Рис. 1. Пример эволюции провала ионизации над Европой 16.03.2013 г., 18:00–21:00 UT.
Рис. 2. Пример эволюции провала ионизации над Европой 17.03.2013 г., 17:00–22:00 UT.
Рис. 3. Пример эволюции провала ионизации над северной Америкой 16.03.2013 г., 04:00–05:00 UT.
21
РРВ-24
Пленарный доклад
_____________________________________________________________________________________________
Рис. 4. Пример эволюции провала ионизации над северной Америкой 17.03.2013 г. 04:00–07:00 UT.
Рис. 5. НОРТ сечение ионосферы (Москва–Шпицберген) 10.04.2012 г. в 00:04 UT.
Рис. 6. НОРТ сечение ионосферы (район Калифорнии) 16.11.2011 г. в 08:40 UT.
В ходе проведенных экспериментов в Юго-Восточной Азии по низкоширотной трассе Манила–Шанхай на основе методов НОРТ были выявлены ряд структурных особенностей экваториальной аномалии (ЭА), обусловленных «фонтан-эффектом»: ориентация сформировавшегося ядра ЭА
22
РРВ-24
Пленарный доклад
_____________________________________________________________________________________________
(область с электронной плотностью вблизи уровня максимума) в полуденные часы вдоль направления
магнитного поля Земли, существенная ассиметрия краев ЭА, а также вариации толщины ионосферного слоя [10–12]. В докладе представлены примеры НОРТ сечений ЭА. В качестве примера на рис.7
представлено типичное НОРТ-сечение ЭА. Необычное НОРТ-сечение было зарегистрировано
26.04.2006 г. в 16:40 UT (27.04.2006 г., 00:40 LT) (рис. 8), которое отражает, по-видимому, стадию
формирования экваториальных «пузырей» (bubbles) в районе широт 23, 24 и 25° N.
Рис. 7. НОРТ-сечение ЭА (регион о. Тайвань) 05.02.2013 г., 03:27 UT.
Рис. 8. НОРТ-сечение ЭА (регион о. Тайвань) 26.04.2006 г., 16:40 UT.
Обычно наблюдается поступательное движение гребня ЭА с востока на запад, однако в периоды геомагнитных бурь наблюдается сложная динамика движения ЭА. В качестве примера на
рис. 9 показаны карты вертикального ТЕС для различных интервалов времени в период бури
15.12.2006 г. Хорошо видно, что ЭА представляет собой сложную многоэкстремальную «пятнистую» структуру, обусловленную высыпаниями энергичных частиц [13]. Следует отметить, что 15 декабря 2006 г. северный гребень ЭА сохранялся в течение длительного времени: с 02 до 17:00 UT,
фрагменты гребня оставались до 21:00 UT. В качестве примера, на рис. 10 представлено НОРТ сечение ЭА 15.12.2006 г. в 09:09 UT с характерными структурными особенностями: «ядро» ЭА ориентировано вдоль направления магнитного поля Земли, хорошо видны асимметрия краев гребня
ЭА и вариации толщины F-слоя ионосферы.
Неоднократно на НОРТ-сечениях в различных регионах наблюдались такие известные волновые структуры как перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ). В качестве примера на
рис. 11 приведена НОРТ-реконструкция ионосферы, на которой хорошо видны ПИВ с характерным углом наклона около 45°, зарегистрированные на трассе Москва–Шпицберген.
Неоднократно регистрировались квазиволновые возмущения и локализованные области повышенной ионизации, обусловленные высыпаниями. Обнаружена генерация волновых возмущений высыпаниями частиц [5]. Был проведен ВОРТ анализ ионосферных возмущений над Японией после
сильнейшего Тохоку землетрясения с временным разрешением (2–4 мин). На рис. 12 приведены возмущения вертикального ТЕС через час после главного толчка. Хорошо просматриваются расходящиеся из области эпицентра волны TEC, обусловленные порождаемыми землетрясением АГВ [14].
23
РРВ-24
Пленарный доклад
_____________________________________________________________________________________________
Рис. 9. Карты вертикального ТЕС в период бури 15 декабря 2006 г. (02:00–07:00 UT).
Рис. 10. НОРТ сечение ЭА 15.12.2006 г. (регион о. Тайвань) 15.12.2006 г., 09:09 UT.
24
РРВ-24
Пленарный доклад
_____________________________________________________________________________________________
Рис. 11. НОРТ сечение ионосферы (Москва–Шпицберген) 12.02.2013 г., 12:09 UT.
Рис. 12. Расходящиеся из области эпицентра волны TEC [14], обусловленные порождаемыми Тохоку
землетрясением АГВ.
РТ на основе NSS позволяет восстанавливать не только ионосферные неоднородности естественного происхождения, но и обнаруживать ионосферные возмущения, порождаемые антропогенными источниками: стартами ракет, промышленными взрывами, мощным КВ излучением [1,
15–17]. В частности, методами РТ была обнаружена генерация ионосферных возмущений нагревным стендом «Сура» при 10-минутной модуляции мощного КВ излучения [18, 19].
Заключение
Существующие системы (FormoSat-3/COSMIC и другие, регистрирующие сигналы
GPS/ГЛОНАСС спутников на НО спутниках), реализующие радиозатменный (РЗ) метод, позволяют получать квазикасательные проекции электронной плотности N [31–33]. РТ метод с наземным приемом подразумевает зондирование ионосферы в широком диапазоне различных положений приемопередающих систем. В этом смысле РЗ метод, дающий интегралы от N на семействе
квазикасательных лучей (трассы спутник-спутник), является частным случаем РТ метода, поэтому
возможно построение процедуры включения РЗ-данных в общую томографическую схему [1].
Комбинированное применение РТ и РЗ методов, когда к РТ данным наземных приемников добавляются данные зондирования на трассах спутник-спутник (данные РЗ метода), позволяет заметно
улучшить вертикальное разрешение РТ реконструкций. Функционирующие системы UVзондирования (GUVI, SSULI) дают возможность получать интегралы от квадрата N. В этом случае
данные UV-зондирования можно включить в общую томографическую итерационную схему, однако данные должны быть согласованы и иметь сопоставимую точность. К сожалению, в настоя-
25
РРВ-24
Пленарный доклад
_____________________________________________________________________________________________
щее время точность данных UV-зондирования значительно хуже данных навигационного радиозондирования. Комбинация НОРТ и ВОРТ систем дает существенные преимущества: возможность
получать 3D распределения ионосферной плазмы в больших регионах за счет ВОРТ и заметно
улучшить разрешение за счет присутствия систем НОРТ.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты № 13-05-01122, 14-05-31445, 14-05-00855, 14-05-10069), грантов
Президента РФ для молодых кандидатов наук (№ МК-3771.2013.5 и MK-2670.2014.5) и Программы развития Московского государственного университета.
ЛИТЕРАТУРА
1. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С. Радиотомография ионосферы. М.: Наука,
2007. 335 с.
2. Pryse S.E. Radio tomography: A new experimental technique // Surv. Geophys. 2003. V. 24. P. 1–38.
doi:10.1023/A:1022272607747.
3. Bust G.S., Mitchell C.N. History, current state, and future directions of ionospheric imaging //
Rev. Geophys. 2008. V. 46, RG1003. doi:10.1029/2006RG000212.
4. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С., Нестеров И.А. Спутниковое радиозондирование и радиотомография ионосферы // УФН. 2010. Т. 180, № 5. С. 548–553.
5. Kunitsyn V.E., Andreeva E.S., Nesterov I.A., Padokhin A.M. Ionospheric Sounding and Tomography by GNSS // In book: Geodetic Sciences – Observations, Modeling and Applications, S. Jin (ed.),
InTech. 2013. P. 223–252. ISBN 978-953-51-1144-3.
6. Foster J.C., Kunitsyn V.E., Tereschenko E.D. et al. Russian-American Tomography Experiment //
Int. J. Imaging Syst. Technol. 1994. V. 5(2). P. 148–159.
7. Куницын В.Е., Андреева Е.С., Кожарин М.А., Нестеров И.А. Радиотомография ионосферы
с применением высокоорбитальных навигационных систем // Вестник МГУ. 2005. № 1. C. 74–84.
8. Nesterov I.A., Kunitsyn V.E. GNSS radio tomography of the ionosphere: the problem with essentially incomplete data // Adv. Space Res. 2011. V. 47. P. 1789–1803. doi:10.1016/ j.asr.2010.11.034.
9. Kunitsyn V.E., Tereshchenko E.D., Andreeva E.S., et al. Radiotomographic Investigations of
Ionospheric Structures at Auroral and Middle Latitudes // Ann. Geophys. 1995. V. 13. P. 1351–1359.
10. Andreeva E.S., Franke S.J., Kunitsyn V.E., Yeh K.C. Some features of the Equatorial Anomaly
revealed by Ionospheric Tomography // Geophys. Res. Let. 2000. V. 27, N 16. P. 2465–2468.
11. Yeh K.C., Franke S.J., Andreeva E.S., Kunitsyn V.E. An investigation of motions of the equatorial anomaly crest // Geophys. Res. Lett. 2001. V. 28, N 24. P. 4517–4520.
12. Franke S.J., Yeh K.C., Andreeva E.S., Kunitsyn V.E. A study of the equatorial anomaly ionosphere using tomographic images // Radio Sci. 2003. V. 38, N 1. P. 1–12.
13. Suvorova A.V., Dmitriev A.V., Tsai L.-C., et al. TEC evidence for near-equatorial energy deposition by 30 keV electrons in the topside ionosphere // J. Geophys. Res. Space Physics. 2013. V. 118.
P. 4672–4695. doi:10.1002/jgra.50439.
14. Куницын В.Е., Нестеров И.А., Шалимов С.Л. Мегаземлетрясение в Японии 11 марта
2011 г.: регистрация ионосферных возмущений по данным GPS // Письма в ЖЭТФ. 2011. Т. 94, № 8.
С. 657–661.
15. Андреева E.C., Гохберг М.Б., Куницын В.Е. и др. Радиотомографическая регистрация
возмущений ионосферы от наземных взрывов // Космические исследования. 2001. Т. 39. С. 13–18.
16. Ахмедов Р.Р., Куницын В.Е. Моделирование ионосферных возмущений, вызванных землетрясениями и взрывами // Геомагнетизм и аэрономия. 2004. Т. 44, № 1. C. 1–8.
17. Крысанов Б.Ю., Куницын В.Е., Холодов А.С.. Моделирование МГД уравнения ионосферных возмущений, генерируемых в приземном слое атмосферы // Вычислительная математика
и математическая физика. 2011. Т. 51, № 2. С. 282–302.
18. Kunitsyn V.E., Padokhin A.M., Frolov V.L. et al. Study of GNSS-measured Ionospheric Total
Electron Content variations generated by powerful HF heating // Adv. Space Res. 2011. V. 47. P. 1743–
1749. doi:10.1016/j.asr.2010.03.031.
19. Kunitsyn V.E., Andreeva E.S., Frolov V.L. et al. Sounding of HF heating-induced artificial
ionospheric disturbances by navigational satellite radio transmissions // Radio Sci. 2012. V. 47. P. 1–13,
RS0L15. doi:10.1029/2011RS004957.
26
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа