Оперативный контроль состояния ионосферы с использованием адаптивной модели ионосферы на основе данных по полному электронному содержанию

Черняков С.M. Оперативный контроль состояния ионосферы...

Оперативный контроль состояния ионосферы с использованием адаптивной модели ионосферы на основе данных по полному электронному содержанию

С.М. Черняков

Биологический факультет МГТУ, кафедра биохимии; Полярный геофизический институт

Аннотация. В работе предложен метод получения пространственного распределения электронной концентрации в ионосфере по данным полного электронного содержания с использованием эмпирической модели ионосферы. Данный метод позволяет получать оценку состояния околоземного пространства в районе наблюдения в квазиреальном времени.

Abstract. The paper has proposed the method of the obtaining of the spatial distribution of the electron concentration in the ionosphere based on total electronic content data and the empiric ionospheric model. The method allows to analyse the near-Earth space in the observed region in near-real time.

1. Введение

Одним из важнейших элементов исследования в ионосфере является пространственное распределение электронной концентрации, в частности, изменение электронной концентрации с высотой или М(й)-профиль. Интерес обусловлен тем, что знание М(й)-профиля необходимо для решения прикладных и фундаментальных задач, в том числе, для создания различного рода моделей ионосферы, для расчета условий распространения радиоволн. Способом, позволяющим в сочетании с наблюдениями давать требуемую текущую информацию об ионосферных параметрах, является моделирование.

Хотя теоретические модели являются более удобными для исследования физических процессов, но с точки зрения практического использования для расчетов распространения радиоволн и других приложений удобнее использовать эмпирические модели. Расчет по таким моделям идет относительно быстро, но в результате получается усредненное значение рассчитываемого параметра, а не детальное описание ситуации. Поэтому проблема адаптации модельных данных к реальным условиям является важным условием их успешного применения.

2. Адаптационная модель ионосферы на основе данных по полному электронному содержанию

Предлагается методика, позволяющая проводить коррекцию модели ионосферы, используя данные по полному электронному содержанию, получаемые с помощью разнесенного приема (Черняков, 2004). В качестве исходной модели взята модель ГОСТ (Ионосфера Земли, 1986). Она предназначена для оценки влияния свободных электронов на объекты в космическом пространстве и функционирование существующих и проектируемых средств радиосвязи, радиолокации и радионавигации в любое время суток и при любом уровне солнечной активности. Результирующий профиль получается с помощью простых эмпирических формул, обобщающих экспериментальные данные. Формулы представляют собой элементарные функции от местного времени, дня, года, высоты, географических широты и долготы и числа солнечных пятен, что позволяет получать при расчете на ЭВМ значение электронной концентрации в любой пространственно-временной точке за доли секунды.

Эта модель отражает сезонно-широтные изменения, зависимость от среднемесячного уровня солнечной активности, учитывает региональные особенности, поэтому ее можно использовать как фоновую модель. В то же время она не годится для описания ежедневных значений критических частот, когда на первый план выступают вариации, связанные с текущими факторами. В случае описания конкретной ситуации ошибка может возрасти до сотен процентов.

62 66 70 74

Географическая широта, град

Рис. 1. Вид кривых ВЭС по данным

наблюдений (сплошная линия) и рассчитанных из модели (штриховая) для 19.03.1991 1811 0Г ОТ

Вестник МГТУ, том 7, №1, 2004 г.

стр.88-89

Рис. 2. Высотно-широтное распределение электронной концентрации, рассчитанное по эмпирической модели для 19.03.1991 18:01 ит

Рис. 3. Адаптированная модель высотно-широтного распределения электронной концентрации для 19.03.1991 18:01 ИТ

На рисунках приведены графики вертикального электронного содержания, полученного из наблюдений, и модели (рис. 1), картина распределения электронной концентрации (в меридиональной плоскости), рассчитанная по эмпирической модели (рис. 2), и адаптированная плоскостная картина распределения электронной концентрации (рис. 3). На рисунках вертикального электронного содержания (рис. 1) сплошной линией показаны значения, полученные из наблюдений, а штриховой -значения, полученные из модели, путем суммирования электронной концентрации по высоте. Значения ВЭС даны в м-2. В моделях значения электронной концентрации даны в см-3. Для расчетов были выбраны данные, полученные при приеме сигналов от нисходящих спутников, у которых проекция траектории на землю лежит вдоль геомагнитного меридиана в районе наблюдений. Время указано для момента пролета спутника над пос. Верхнетуломский (Мурманская область).

Адаптация заключалась в нахождении коэффициентов различия модельных и наблюдаемых значений ВЭС (рис. 1), изменении модельных значений электронной концентрации на данной широте и долготе на полученный коэффициент и получении адаптированных значений ЩИ).

Из рисунков видно, что модельные и наблюдаемые значения ВЭС различаются. Модельные значения имеют более гладкий вид, поскольку модель хорошо описывает лишь фоновое изменение ВЭС. Но она не учитывает конкретную ситуацию, развивающуюся в данных геофизических условиях, например, поведение ионосферы во время суббури. Коррекция модели с использованием данных наблюдений ВЭС позволяет получить адаптированную плоскостную картину структур электронной концентрации в ионосфере.

3. Заключение

Предложенный метод позволяет получать плоскостную картину распределения электронной концентрации из данных по полному электронному содержанию. Данный метод может быть применен для оперативной оценки состояния ионосферы, а также для расчета траекторий распространения радиоволн в конкретных условиях.

Литература

Ионосфера Земли. Модель глобального распределения электронной концентрации. М., ГОСТ 25645.14286, 1986.

Черняков С.М. Пространственное разрешение широтных профилей вертикального электронного содержания. Настоящий сборник, с.90-92, 2004.