Исследование волновых процессов в термосфере методом наклонного зондирования

Исследование волновых процессов в термосфере методом

наклонного зондирования

Бочкарев В.В., Петрова И.Р. (Inna.Petrova@ksu.ru), Теплов В.Ю.,

Шерстюков О.Н.

Казанский государственный университет.

Введение

Исследования процессов, происходящих в ионосфере, на основании данных о доплеровском смещении частоты при распространении радиоволн декаметрового диапазона проводятся довольно давно и позволяют получать интересные результаты. Флуктуации ионосферных параметров, которые регистрируются на фоне регулярных суточных вариаций, называются перемещающимися ионосферными неоднородностями (ПИВ). Они представляют собой одну из разновидностей крупномасштабных неоднородностей электронной концентрации и характеризуются относительно широким спектром скоростей-от десятков до сотен метров в секунду и периодов - от нескольких минут до нескольких часов. [1] По классификации [2] наблюдаемые ПИВ разделяются на крупномасштабные и среднемасштабные, различающиеся горизонтальной фазовой скоростью, которая больше (в случае крупного масштаба) или меньше (для среднего масштаба) скорости звука в нижней термосфере и периодами в пределах 0,5-3 ч и 10-40 мин соответственно.

Многими авторами, например [3] отмечается, что большинство наблюдаемых закономерностей в вариациях ионосферных параметров, по-видимому, невозможно объяснить даже качественно, если считать ионосферу изолированной от низлежащих атмосферных слоев. Внутренние атмосферные волны в процессе их генерации, распространения и затухания извлекают, переносят и запасают энергию и импульс в количествах, достаточных для того, чтобы играть существенную роль в глобальном энергетическом балансе атмосферы на ионосферных уровнях. Несмотря на то, что существующие ниже ионосферы стратосферные и мезосферные ветры, действующие как отражатель и фильтр, препятствуют просачиванию энергии внутренних волн, все эти волны, особенно приливные и акустико-гравитационные, несомненно, имеют отношение к ионосферным явлениям. Турбулентность, играющая огромную роль в динамическом режиме атмосферных слоев ниже ионосферы, характерна и для ионосферы, особенно для областей Б и Е. Поэтому именно комплексное рассмотрение процессов взаимодействия нейтральной и заряженной частей атмосферы позволяет получить новые и интересные результаты.

Одним из направлений работ, проводимых на доплеровском фазо-угломерном комплексе Казанского Университета, являются исследования волновых процессов в ионосфере посредством анализа периодических вариаций параметров сигнала наклонного зондирования ионосферы. В данной статье описывается экспериментальный комплекс, методика проведения эксперимента, полученные данные и методы их обработки. Кроме того, приводятся основные результаты, полученные в ходе проведенных в 2001- 2003 гг. экспериментов и делаются попытки интерпретации этих результатов с учетом физики процессов, происходящих в атмосфере Земли.

Аппаратура и методы измерений и обработки экспериментальных данных

Измерительный комплекс представляет собой систему пространственно разнесенного приема с малой базой. В состав антенно-фидерной системы комплекса входят 4 антенны с вертикальной поляризацией и круговой диаграммой направленности в вертикальной плоскости, типа «вертикальный вибратор». Антенны расположены по кругу диаметром 15,6м. Используются измерения с квадратурным разложением сигнала на низкой частоте, позволяющие определять фазовые и амплитудные характеристики при дальнейшей цифровой спектральной обработке. В качестве приемников в комплексе используются РПУ Р339 «Катран». Контроллер внешнего оборудования по командам, получаемым от ПЭВМ верхнего уровня, выполняет циклы подстройки усиления приемного тракта, калибровки фазовых характеристик каналов, аналогово-цифровое преобразование, осуществляет передачу потока данных управляющему компьютеру комплекса.

Перемещающиеся ионосферные неоднородности (ПИВ), обусловленные наличием внутренних гравитационных волн (ВГВ), могут иметь периоды от 5 минут до нескольких часов. Для исследования этих процессов необходимы длительные непрерывные измерения. Такие измерения проводятся с использованием сигналов радиовещательных станций КВ-диапазона. Это позволяет исследовать различные по пространственной ориентации и длине трассы и расширить сетку принимаемых частот без затрат на организацию специальных пунктов радиоизлучения. Кроме того, с использованием сигналов вещательных КВ - станций удалось реализовать режим непрерывных многочасовых измерений, что позволяет исследовать долгопериодные вариации и суточный ход ионосферных параметров на трассах различной направленности.

Использовались сигналы следующих станций

- РВМ

• Москва 4996 кГц, 9996 кГц

- Радио России

• Москва 5935 кГц, 7440 кГц, 9720 кГц,13705 кГц,12020 кГц

• Екатеринбург 7220 кГц, 7370 кГц

• Краснодар 9490 кГц 11655 кГц 12025 кГц

• Архангельск 6160 кГц

• Санкт-Петербург 12055 кГц

- Радио Свобода

• Германия 7220 кГц

Полученные данные обрабатывались с помощью оконного преобразования Фурье. Для каждого временного положения окна определялись максимумы в спектре, превосходящие некоторое пороговое значение. Уровень порога брался в зависимости от соотношения сигнал/шум от наибольшего максимума (-5 —15 дБ). Это позволяло определять количество мод в исследуемом сигнале и временной ход доплеровского сдвига частоты для различных мод. С целью выявления периодических возмущений в ионосфере проводился последующий спектральный анализ временных рядов сдвига частоты с использованием вейвлет-преобразования.

Интервал спектрального анализа выбиралась в соответствии с интервалом стационарности сигнала наклонного зондирования. Типичные значения At составляли порядка 40 с. Отсюда временное разрешение для получаемых рядов АД1) составляет 4-8 с. в зависимости от условий распространения. Это позволяет также проанализировать интенсивность частотных вариаций в области временных масштабов, соответствующих турбулентным неоднородностям с масштабами от 100-200 м и более.

Периодические вариации доплеровских сдвигов частоты ионосферного сигнала.

Анализ зависимости доплеровских сдвигов частоты ионосферного сигнала от времени показывает наличие периодических и квазипериодических вариаций. На рис.1 а-г представлены примеры зависимостей доплеровского сдвига частоты АГ от времени. Почти на всех из них явно выделяются две моды. Видно, что колебания значений АГ для различных мод имеют одинаковый период и различны по фазе, т.к. пути, которые проходит радиолуч, в обоих случаях различны. На рис. 1 а-г попарно представлены результаты одновременных измерений с одного направления на разных частотах. Колебания доплеровского сдвига частоты на разных частотах похожи по форме. Это является свидетельством того, что рассматриваемые вариации отражают действительный

волновой процесс, а не являются следствием, например, нестабильности частоты передающей станции.

На рис. 1 а наблюдаются так называемые Б-образные графики АР^), особенностью которых является одновременное существование трех отражений. Такие графики описываются в работе [4], где они объясняются прохождением над точкой наблюдения неоднородности куполообразной формы.

На рис 1 б для обеих анализируемых рабочих частот колебания АД1) для основной моды имеют близкие периоды, которые можно оценить как 13-16 минут, и форму. При этом для частоты 9720 кГц прослеживается также наличие второй моды, доплеровский сдвиг для которой содержит вариации того же периода, но находящиеся почти в противофазе к колебаниям АД1) основной моды. В этом случае можно уверенно сказать, что данные колебания вызваны волновым процессом в ионосфере. На 15 декабря для трассы Москва - Казань, используя расчеты по модели ГО1-95, можно предполагать в дневной период наличие как 1Б1, так и 1Е1.

Таким образом, мы можем проанализировать данные о доплеровских вариациях для нескольких радиолучей, проходящих в различных областях ионосферы. Сопоставляя эти результаты с модельным профилем электронной концентрации, можно восстанавливать геометрическое положение и параметры волновых возмущений.

На рис 1 в (на час позже реализации, приведенной на рис. 1 б) мы видим, что для частоты 7440 кГц амплитуда колебаний с периодом ^13 мин упала, и оно уже не прослеживается визуально, хотя и может быть выделено методами спектрального анализа. Напротив, для частоты 9720, в параметрах 2-ой моды присутствуют вариации близкого периода (11-12 минут), что позволяет сделать вывод о перемещении волнового возмущения. Анализируя изменение во времени периодов и амплитуды колебаний АР^), можно делать выводы о направлении и скорости перемещения волновых пакетов ВГВ.

На рис 1 г для частоты 9720кГц зафиксирован момент, когда частота сигнала стала выше максимально применимой частоты (МПЧ). При этом изменяется механизм формирования сигнала, преобладающей становится рассеянная составляющая сигнала, что очень хорошо видно на графике АР^). На частоте 7440 кГц в это же время сигнал остается отраженным. Наблюдение перехода МПЧ на одной из частот позволяет уточнить параметры модели ионосферы (критические частоты ионосферных слоев), что важно при попытке локализации возмущенной области на протяжении радиотрассы.

15 декабря 2002г. 14ч. 30м. - 14ч. 55м. 9720 кГц

15 декабря 2002г. 14ч. 30м,- 14ч. 55м. 7440 кГц

1 I I I I

15 декабря 2002г. 15ч 30м -15ч. 55м. 9720КГЦ

15 декабря 2002г. 15ч 30м -15ч. 55м. 7440кГц

Vй

Т,

, I I

0 200 400 60С 800 1000 1200 1400 1600 0 200 400 600

1 сек

1000 1200 1400 1600

1:, сек

б)

15 декабря 2002г. 16ч. 30м. - 16ч. 55м. 9720 кГц

¿1, Нг 1.5 г

15 декабря 2002г. 16ч. 30м. - 16ч. 55м. 7440 кГц

0 200 400 600

15 декабря 17ч. 00м- 17ч. 25м. 9720 кГц

3 -1-1-1-1-1-

№

V ' Л* ' * г

0 200 400 600

1000 1200 1400

В)

15 декабря 17ч. 00м - 17ч. 25м. 7440 кГц

Д<,Нг -1.5 -1-1-1-1-1-

ГА

Ч,

У

О 200 400 600

О 200 400 600

1000 1200 1400 1600

г)

рис 1 Примеры зависимости доплеровского сдвига частоты от времени

Распределения периодов вариаций доплеровских сдвигов частоты ионосферного сигнала.

На рис. 2 а представлены распределения периодов вариаций доплеровского сдвига частоты для зимнего сезона. Распределение в области малых масштабов носит степенной характер, что, по-видимому, соответствует турбулентным движениям. В области периодов от нескольких минут до 200 минут наблюдаются интенсивные вариации доплеровского сдвига частоты ионосферного сигнала.

При наличии только суточного дрейфа, вызванного суточными изменениями (перестройкой) ионосферы нельзя было бы ожидать, что наличие максимумов в этой области масштабов носило бы регулярный характер. Из теоретических работ [5] известно, что основным волновым процессом с такими периодами в атмосфере являются внутренние гравитационные волны (ВГВ). Для звуковых волн - это очень большие периоды, для волн Росби или планетарных волн - маленькие. Характерные значения частоты Брента-Вяйсяля для высот нижней термосферы составляют 3,3x10" 3 Гц, соответствующий период колебаний составляет 5 минут. Таким образом, вариации параметров ионосферного сигнала с периодами 5 минут и больше могут быть проинтерпретированы как следствия ВГВ, распространяющихся на высотах ионосферных слоев Е и Б.

Так же на рис. 2 можно видеть, что для медленных вариаций (с периодом более 10 минут) доля вариаций с различным периодом может существенно различаться от суток к суткам. В то же время для быстрых вариаций (соответствующих короткопериодическим ВГВ и турбулентным движениям) при суточном усреднении доли вариаций разных периодов изменяются мало.

Таким образом, из анализа распределения периодов вариаций доплеровских сдвигов частоты ионосферного сигнала можно сделать следующие выводы:

• Максимумы интенсивностей колебаний наблюдаются в области периодов, характерных для ВГВ. Разброс интенсивностей для разных суток в 2 - 3раза.

• Для зимнего периода наблюдаются относительно стабильные колебания интенсивностью 5-10 минут. Согласно теоретическим представлениям, ВГВ с большими периодами должны быть менее устойчивы. При наличии в области, где распространяются ВГВ, турбулентных возмущений потока, более устойчивыми оказываются ВГВ с меньшими периодами. Для них восстанавливающая сила больше, чем для волн с большими периодами, так как в случае больших периодов вектор возмущения скорость ветра почти горизонтален.

а) зимние реализации

б) сравнение зимних и летних реализаций рис. 2 Распределение периодов вариаций доплеровских сдвигов частоты для разных суток

Сезонные особенности распределения периодов вариаций доплеровских сдвигов частоты

ионосферного сигнала

На рис. 2 б для сравнения представлены распределения периодов для зимних и летних реализаций. Наблюдаются значительные отличия кривых распределений периодов для разных сезонов. Наличие сезонной зависимости в интенсивности и параметрах волновых процессов в ионосфере неоднократно отмечалось и многими другими авторами, например, [3, 6].

На кривой, соответствующей 27 июля (типичный вид кривой для летней реализации) рост интенсивности вариаций прекращается для периодов больше 1 минуты. Интенсивность вариаций с периодами больше 1 минуты остается постоянной. Для вариаций с периодами характерными для ВГВ разница интенсивностей для зимних и летних реализаций составляет 1,5 порядка (примерно 30 раз).

Кривая распределения периодов для 31 августа по своему виду неотличима от распределения периодов для зимних реализаций.

Кривая распределения периодов для 10 августа носит промежуточный характер. Наблюдается рост интенсивности вариаций с периодами, характерными для ВГВ, однако сама интенсивность еще сильно отличается от интенсивности для зимнего периода. Наблюдается большая доля вариаций с периодами от 5 до 60 минут.

Таким образом, можно выделить следующие различия зимних и летних данных:

- существенно (до 30 раз по амплитуде) различается интегральная интенсивность вариаций;

- существенно различается спектральный состав вариаций: летом подавлены колебания с периодами более 1 минуты;

- при переходе от «летнего» типа к «зимнему» сначала появляются вариации с малыми, а затем с все большими периодами. Для трассы Краснодар-Казань колебания с периодами 5-8 минут отмечаются с начала августа, в середине августа присутствуют колебания до 50-60 минут включительно, большие же периоды по-прежнему подавлены. К концу августа мы наблюдаем активность волновых процессов всех периодов.

Необходимо так же отметить отличия в распределении интенсивности вариаций в течение суток для зимнего и летнего сезонов. С помощью вейвлет - преобразования (дискретный вейвлет Мейера) были отфильтрованы составляющие вариаций с периодами 10-20 минут (рис.3). Вид вариаций доплеровского сдвига сигнала для зимней (23 декабря) и летней (10 августа) реализаций существенно отличается. Если зимой волновая активность наблюдается в течение всех суток, то 10 августа волновая активность в данном диапазоне периодов проявляется эпизодически, по-видимому, в зависимости от наличия благоприятных условий для распространения ВГВ из низлежащих слоев атмосферы. Таким образом, переход от «летнего» режима волновой активности к «зимнему» происходит постепенно. Сначала появляются отдельные эпизодические серии волн, а

спустя некоторое время волновая активность проявляется уже на протяжении всего времени суток.

Сезонные отличия наблюдаются и в спектральном составе отдельных возмущений. Зимой колебания существуют значительное время, сохраняя свои параметры. В период перехода от «летнего» режима волновой активности к «зимнему» преобладают отдельные солитоноподобные волновые пакеты с широким спектром.

Азимутальные особенности распределения периодов вариаций доплеровских сдвигов

частоты ионосферного сигнала

Наличие волновой активности 10 и 31 августа (рис.2 а) было обнаружено на трассе Краснодар - Казань, проявление волновой активности в конце лета наблюдалось также на трассе Архангельск - Казань. На широтных трассах Москва - Казань и Екатеринбург - Казань проявлений волновой активности в это время еще не наблюдалось. Этот эффект может быть связан либо с какими-то синоптическими особенностями, либо является следствием широтных различий в строении атмосферы (широтная зависимость ветрового поля, широтная зависимость вертикального профиля температуры) и ионосферы.

Пространственные параметры.

Для определения распределения длин волн перемещающихся ионосферных возмущений использовались данные многочастотных измерений, выполненных в декабре 2002 г., а так же те реализации, на которых удается устойчиво выделить 2 и более моды распространения. Для расчета траекторий радиолучей, соответствующих разным частотам и модам распространения использовался профиль электронной концентрации, полученный по модели ионосферы ГО1-95. Для рассчитанных по регулярному модельному профилю траекторий и модели волнового возмущения методами теории возмущений определялись флуктуации параметров радиолуча и доплеровского сдвига частоты. В зависимости от принятых параметров волнового возмущения, расчет дает различные запаздывания между вариациями доплеровского сдвига для различных частот и мод распространения. Было проведено сопоставление модельных расчетов с измеренными запаздываниями периодических вариаций доплеровского сдвига. Для оценивания длины волны ВГВ использовался метод максимума правдоподобия. Полученные оценки вероятности наблюдения ВГВ в зависимости от длины волны приведены на рис 4

рис 3 Вариации доплеровского сдвига частоты с периодами от 10 до 20 мин.

рис. 4 Распределение вероятности длин волн

Оценки параметров ионосферной турбулентности.

Для локально-изотропной турбулентности, что характерно для развитой турбулентности в пределах т.н. инерционного интервала, характерна степенная зависимость интенсивности возмущений от масштаба (закон Колмогорова-Обухова). Для больших масштабов нельзя пренебрегать силами плавучести; с их учетом турбулентность уже не может рассматриваться как изотропная, и распределение энергии по масштабам определяется динамикой отдельных крупных вихрей (архимедов интервал). Степенной зависимости спектра размеров турбулентных неоднородностей соответствует, в приближении «замороженных неоднородностей», степенной характер спектра флуктуаций доплеровского сдвига частоты радиосигнала, прошедшего через турбулизованную область.

Применяя многооконный метод для оценивания спектра мощности быстрых доплеровских вариаций, можно выделить участок степенной зависимости в некотором диапазоне интервалов. Для декабря 2002 г., на трассе Москва-Казань типичные значения границ этого участка составляют от 2-2.5 до «20 с. С учетом данных о скоростях ветра в нижней термосфере отсюда следуют оценки порядка 40-70 м для внутреннего масштаба турбулентности (граница вязкого интервала), и 600-800 для границы архимедова интервала.

Заключение.

Таким образом, используя экспериментальные данные, полученные на доплеровском фазо-угломерном комплексе Казанского государственного университета за период 2001-2003 г. г., были обнаружены периодические и квазипериодические колебания параметров ионосферного сигнала.

Распределения периодов этих колебаний показывают наличие максимумов интенсивности колебаний с периодами от 5 минут и больше, что соответствует периодам ВГВ на этих высотах.

Отмечаются существенные различия в распределениях периодов для зимнего и летнего сезонов. Также отмечены различия в распределениях периодов для различных трасс.

На основании многочастотных измерений, были определены пространственные параметры волновых возмущений.

Распределение периодов вариаций доплеровского сдвига частоты в области малых масштабов носит степенной характер, что, по-видимому, соответствует турбулентным движениям. На основе многооконного метода для оценивания спектра мощности быстрых доплеровских вариаций, был выделен участок степенной зависимости и определены типичные значения границ участка степенной зависимости. Также получены оценки для внутреннего масштаба турбулентности и границы архимедова интервала.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ №01-05-65251, №03-07-90288

Список литературы.

1. Афраймович Э.Л. Интерференционные методы радиозондирования ионосферы. -М.: Наука, 1982, 198с.

2. Hocke K., Schleger K. // Ann. Geophys. 1996. V14, P.917.

3. Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д. Метеорологические эффекты в ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 1995. Т.35, №3, с.1-23.

4. Намазов С.А., Новиков В.Д., Хмельницкий И.А. Доплеровское смещение частоты при ионосферном распространении декаметровых радиоволн // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1975, т. .XVIII, №4, с.473-500.

5. Госсард Э., Хук У. Волны в атмосфере - М.: Мир, 1975, 532с.

6. Афраймович Э.Л., Воейков С.В., Перевалова Н.П. Перемещающиеся волновые пакеты возмущений полного электронного содержания по данным глобальной сети GPS // Солнечно - земная физика, 2003, вып. 3, с. 61-72.