Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Возмущения полного электронного содержания, предшествующие землетрясениям, и фоновые возмущения, обусловленные изменениями солнечной и геомагнитной активности (краткий обзор). Методы GPS- мониторинга ионосферы 23
1.1. Ионосферные предвестники землетрясений 23
1.1.1. Аномалии полного электронного содержания 25
1.1.2. Изменения спектра акустико-гравитационных волн 26
1.2. Вариации уровня солнечной активности и ионосферные параметры 30
1.3. Геомагнитные возмущения 33
1.4. Методы мониторинга ионосферных возмущений сигналами спутниковой системы GPS 35
1.4.1. Общие сведения о спутниковой радионавигационной системе GPS. Глобальная сеть двухчастотных приемников GPS 35
1.4.2. Определение полного электронного содержания по данным GPS 39
1.4.3. Соответствие пространственно-временных характеристик вариаций ПЭС и параметров локальных неоднородностей электронной концентрации. Ракурсный эффект 43
1.4.4. Определение пространственно-временных характеристик ионосферных возмущений. Метод SADM-GPS 48
1.4.5. Глобальные карты абсолютного значения «вертикального» полного электронного содержания 57
1.4.6. Спектр вариаций полного электронного содержания 59
Глава 2. Глобальное электронное содержание 65
2.1. Метод определения глобального электронного содержания, программный комплекс 65
2.1.1. Общие сведения 65
2.1.2. Метод определения глобального электронного содержания 66
2.1.3. Ограничения анализа 68
2.1.4. Программный комплекс 72
2.1.5. Сравнение значений ГЭС, вычисленных по данным различных лабораторий 74
2.2. Солнечная активность и ионосфера на протяжении 23-го солнечного цикла 76
2.2.1. Цикл солнечной активности 76
2.2.2. Полугодовые вариации 82
2.2.3. Вариации «день-ночь» 82
2.2.4. 27-дневные вариации 85
2.2.5. Электронное содержание в геомагнитных координатах 100
2.3. Моделирование глобального электронного содержания 105
2.3.1. Расчет ГЭС с помощью ионосферной модели IRI-2001 106
2.3.2. Сравнение экспериментальных и модельных значений ГЭС 109
2.4. Обсуждение результатов 119
Глава 3. Ионосферные возмущения, обусловленные геомагнитной и сейсмической активностью 123
3.1. Ионосферный отклик на землетрясения: Кроноцкое землетрясение 5 декабря 1997 г 123
3.1.1. Общие сведения 123
3.1.2. Исходные данные 126
3.1.3. Метод исследования 128
3.1.4. Результаты и обсуждение 130
3.2. Относительная амплитуда возмущений полного электронного содержания 134
3.2.1. Общие сведения об эксперименте и метод обработки 135
3.2.2. Суточная зависимость амплитуды вариаций ПЭС 139
3.2.3. Распределение вероятности относительной амплитуды вариаций ПЭС и зависимость от значения индексов Кр и F10.7 149
3.2.4. Обсуждение 155
3.3. Характеристики волнового фронта перемещающихся ионосферных возмущений аврорального происхождения 157
3.3.1. Методы исследования и результаты 157
3.3.2. Обсуждение результатов 164
Заключение 167
Благодарности 169
Библиография 170
- Вариации уровня солнечной активности и ионосферные параметры
- Методы мониторинга ионосферных возмущений сигналами спутниковой системы GPS
- Солнечная активность и ионосфера на протяжении 23-го солнечного цикла
- Относительная амплитуда возмущений полного электронного содержания
Введение к работе
В настоящее время внимание исследователей приковано к изучению геофизических явлений, предшествующих и сопровождающих кризисные процессы (землетрясения, цунами). Эти исследования имеют особое значение для своевременного предсказания катастроф. Однако, несмотря на все научные изыскания, до сих пор нет основы для создания надежной технологии их прогноза. Одной из причин низкой результативности является то, что чаще всего такие исследования проводятся только для региона, где произошло или ожидается катастрофическое явление, и охватывают небольшие промежутки времени вокруг таких событий.
Между тем, начиная с классических работ академика Вернадского [29] в мировой литературе все большее число публикаций посвящено разработке предложенной им концепции изучения геофизических явлений, как единого процесса взаимодействия геосфер - литосферы, атмосферы, ионосферы, магнитосферы, межпланетной среды и Солнца, составляющих единую систему «Солнце-Земля». Одной из геосфер, наиболее чувствительных к процессам, сопровождающим катастрофические явления в твердой земле и атмосфере, является ионосфера.
Исходя из концепции геосфер, исследованию подлежит не только регион, где произошла катастрофа, но и вся система геосфер в целом, и не только непосредственно перед событием, но и на протяжении длительного интервала времени до него. Реализация подобного подхода в экспериментальном плане требует высокого пространственно-временного разрешения средств мониторинга процессов в системе геосфер. Так, состояние атмосферы во многом зависит как от динамики цикла солнечной активности, так и от целого спектра возмущений среды в широком диапазоне периодов - от месяцев до минут. В пространственном измерении необходим анализ широкого диапазона масштабов - от системы геосфер в целом до детальных региональных особенностей. Существующие ранее системы мониторинга не удовлетворяли этим требованиям.
В настоящее время ситуация существенным образом меняется. Появилось множество наземных и спутниковых систем мониторинга окружающей среды (параметров солнечной активности, электромагнитного и корпускулярного излучения Солнца, солнечного ветра, магнитосферы, атмосферы, процессов в литосфере). В распоряжении ученых появились доступные через Интернет и удобные для анализа цифровые данные за много лет (вплоть до нескольких солнечных циклов). Гигантский объем этих данных требует для своего анализа адекватного подхода, основанного на концепции геосфер.
Одним из наиболее катастрофических явлений являются землетрясения (ЗТ), сопровождающиеся разрушением земной поверхности и образованием цунами. Проведено множество исследований откликов атмосферы и ионосферы на процессы, инициируемые главным толчком ЗТ. Результаты этих исследований нельзя непосредственно использовать для прогноза, однако они необходимы для изучения всего комплекса литосферно-ионосферных явлений, без понимания которого невозможно решить проблему прогнозирования.
На протяжении многих лет огромные усилия исследователей предпринимаются для поисков научного обоснования построения системы предсказания ЗТ на основе мониторинга состояния геосфер. Существует множество указаний на различные признаки готовящихся ЗТ в изменении локальных параметров нейтральной и заряженной компоненты ионосферы, а также в акустическом и электромагнитном поле излучения эпицентров будущих ЗТ. Считается, что на ускорение подготовки ЗТ могут влиять различные глобальные проявления динамики солнечной активности, обусловленные регулярными изменениями в течение солнечного цикла, а также вспышками, выбросами корональной массы, вызывающими магнитные и ионосферные бури [29, 64, 68]. Обсуждается гипотеза о том, что не только литосферные процессы могут быть источником ионосферных (атмосферных) возмущений, но и глобальные изменения в атмосфере сами влияют на характер протекания литосферных процессов, при этом атмосферные катаклизмы могут служить «спусковым» механизмом высвобождения сейсмической энергии [55]. Эта гипотеза также требует надежных экспериментальных доказательств.
В настоящее время широкое распространение получили исследования литосферно-ионосферных процессов на основе изучения возмущений полного электронного содержания (ПЭС) в ионосфере Земли, регистрируемых при зондировании ионосферы сигналами современных спутниковых навигационных систем - американской GPS и российской ГЛОНАСС.
В некоторых работах [39, 149] отмечено отклонение от регулярного суточного хода ПЭС вблизи эпицентра ЗТ за несколько часов и дней до главного толчка. Предпринимались неоднократные попытки обнаружить в вариациях ПЭС предсказанное теорией изменение спектра возмущений ионосферной плазмы, обусловленное генерацией в районе эпицентра акустико-гравитационных волн (АГВ) [75]. Однако до сих пор не получено надежных свидетельств подготовки катастрофических землетрясений по вариациям ПЭС, как, впрочем, и по другим характеристикам сигналов радиофизических средств мониторинга сейсмоопасных районов.
Для надежной идентификации признаков подготовки ЗТ необходимо хорошо знать глобальные и локальные характеристики «фоновых» возмущений ПЭС, обусловленных изменениями солнечной и геомагнитной активности. Эта проблема составляет предмет настоящей диссертации.
В диссертации изучение глобальных свойств ионосферы основано на концепции глобального электронного содержания (ГЭС), предложенной в 2005 г. Э.Л. Афраймовичем. Основное внимание в изучении локальных характеристик уделено Камчатскому региону. Сейсмическая деятельность у тихоокеанского побережья Камчатки, Курильских островов и северо-восточной Японии достигает наивысшего на Земле уровня. В районе Камчатского залива и Командорских островов расположена область стыка Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг, которая относится к наиболее важным и интересным тектоническим узлам мира. Сюда подходит и крупный подводный хребет
Императорских гор. В этом районе находится самое резкое пересечение глубоководных желобов в мире, а также один из магматических центров мира -Ключевская группа вулканов.
Экспериментальной основой работы являлись данные глобальной сети и данные региональной Камчатской сети двухчастотных многоканальных приемников сигналов навигационной системы GPS, а также необходимая для исследования информация о геофизических и гелиофизических процессах.
Целью работы является исследование характеристик ионосферных возмущений на различных фазах 23-го цикла солнечной активности по данным глобальной сети и региональной Камчатской сети двухчастотных GPS-приемников.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработка программно-алгоритмического комплекса, предназначенного для определения глобального электронного содержания по данным международной сети GPS и для его моделирования с использованием ионосферной модели IRI-2001.
2. Формирование базы данных глобальной и региональной Камчатской сети GPS за период 1996-2006 г.г., необходимой для изучения динамики глобального электронного содержания и фоновых перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ).
3. Исследование динамики глобального электронного содержания в течение 23-го цикла солнечной активности в сравнении с динамикой ультрафиолетового и радиоизлучения Солнца.
4. Исследование глобальных характеристик крупномасштабных перемещающихся ионосферных возмущений (КМ ПИВ), генерируемых в авроральной зоне во время мощных магнитных бурь.
5. Исследование зависимости пространственно-временных характеристик относительной амплитуды перемещающихся ионосферных возмущений от местного времени, уровня геомагнитной и солнечной активности.
Научная новизна исследования:
1. Впервые разработаны метод и программы для определения нового ионосферного параметра - глобального электронного содержания, отличающегося от известных локальных параметров большим соответствием отображения глобальных характеристик ионосферы. При анализе данных за 23-й цикл солнечной активности получены уточненные параметры связи динамики ионосферы, индекса солнечной активности F 10.7 и потока УФ излучения Солнца.
2. Впервые установлено, что относительная амплитуда волновых возмущений полного электронного содержания меняется пропорционально значению планетарного индекса Кр. При низком уровне геомагнитной активности относительная амплитуда ночных вариаций ПЭС существенно превышает дневные. Во время магнитных бурь геомагнитный контроль относительной амплитуды вариаций ПЭС на высоких и средних широтах оказывается более существенным, чем регулярные суточные изменения.
3. Впервые для определения фазовой скорости и формы волнового фронта крупномасштабных возмущений в различных долготных секторах северного полушария использованы пять наборов GPS-станций, максимально распределенных по широте, включая Камчатскую региональную сеть. Получено экспериментальное доказательство существования крупномасштабных возмущений с кольцевой формой волнового фронта.
Достоверность результатов, представленных в диссертации, обусловлена использованием физически обоснованных методов и представительной статистикой наблюдений. Полученные в экспериментах физические характеристики находятся в качественном и количественном согласии с результатами исследований, опубликованных ранее другими авторами.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты и разработанные в диссертации методы могут быть полезны при изучения процессов ионизации атмосферы ультрафиолетовым излучением Солнца, и использованы для корректировки ионосферных моделей, в том числе моделей ионосферных неоднородностей геомагнитного и сейсмического происхождения.
Личный вклад автора
Основные результаты работы являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.
Автору принадлежат:
1. Разработка методов и программных средств определения глобального электронного содержания с помощью глобальных ионосферных карт и ионосферной модели IRI-2001.
2. Создание и обработка баз данных глобальной и камчатской сетей приемников GPS за 1996-2006 г.г.
3. Исследование динамики и формы волнового фронта крупномасштабных волновых возмущений, генерируемых во время мощных магнитных бурь, по данным пяти меридиональных цепочек GPS-станций.
4. Комплексное исследование пространственно-временных характеристик абсолютной и относительной амплитуды вариаций ПЭС в спокойных и возмущенных геомагнитных условиях в период с 1999 по 2005 г.г.
5. Исследование ионосферного отклика на главный толчок Кроноцкого землетрясения 5.12.1997 г.
Автор принимал непосредственное участие в разработке концепции глобального электронного содержания по данным измерений ПЭС на глобальной сети GPS и моделировании с использованием модели IRI-2001, в сравнении вариаций глобального электронного содержания с вариациями потока ультрафиолетового излучения Солнца и индекса солнечной активности F10.7.
Апробация работы
Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались на Байкальской научной молодежной школе по фундаментальной физике БШФФ-2004, БШФФ-2005, БШФФ-2006, Иркутск; XXI Всеросийской научной конференции "Распространение радиоволн", Йошкар-Ола, 2005; III международной конференции "Солнечно-Земные связи и электромагнитные предвестники землетрясений", с. Паратунка, Камчатская обл., 2004; XXVIIIth General Assembly of International Union of Radio Science (URSI), New Delhi, 2005; VI международной конференции "Problems of Geocosmos", С-Петербург, май 2006; Международной конференции IGS-2006, Дармштадт, Германия, май 2006; Международной школе по космической погоде, Триест, Италия, май 2006; XIII международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Атмосферная физика», Томск, ИОА СО РАН, июль 2006; 36-ой сессии COSPAR, Пекин, Китай, июль 2006; IRI 2006 Workshop, Buenos Aires, октябрь 2006; 3 европейской неделе по космической погоде, Брюссель, ноябрь 2006; 30-м Апатитском семинаре «Физика авроральных явлений», Апатиты, февраль 2007.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Новый ионосферный параметр - глобальное электронное содержание, отличающийся от известных параметров большим соответствием отображения глобальных характеристик ионосферы в эксперименте и моделировании; метод определения и программный комплекс. Уточненные параметры связи динамики ионосферы, индекса солнечной активности F10.7 и потока УФ излучения Солнца во время 23-го солнечного цикла.
2. Пропорциональная зависимость относительной амплитуды волновых возмущений полного электронного содержания от значения планетарного индекса Кр и преобладание геомагнитного контроля амплитуды этих вариаций на высоких и средних широтах над регулярной суточной зависимостью во время магнитных бурь.
3. Экспериментальное доказательство существования крупномасштабных перемещающихся ионосферных возмущений с кольцевой формой волнового фронта, полученное при анализе данных глобальной сети станций GPS.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического указателя, содержащего 183 ссылки. Общий объем диссертации - 187 страниц, включая 6 таблиц и 53 рисунка.
Во введении дана общая характеристика работы, отражена актуальность темы, сформулированы цели и решаемые задачи, приведено краткое содержание диссертации.
В первой главе описан рассматриваемый в диссертации спектр ионосферных возмущений и современные методы их диагностики. Приведены общие сведения о спутниковой радионавигационной системе GPS и глобальной сети двухчастотных GPS-приемников, на основе которой осуществляется мониторинг возмущений.
Во второй главе дано описание разработанного в диссертации метода вычисления глобального электронного содержания на основе экспериментальных данных и данных моделирования. Приведены результаты исследования динамики глобального электронного содержания в течение 1996-2006 г.г.
В третьей главе представлены результаты исследования ионосферных возмущений, обусловленных сейсмической и геомагнитной активностью. В разделе 3.1. для оценки потенциальной возможности регистрации эффектов сейсмо-ионосферного взаимодействия проведено исследование ионосферного отклика на Кроноцкое ЗТ (5 декабря 1997 г.). В разделе 3.2 для оценки потенциала обнаружения возможных предвестников ЗТ проведено исследование основных характеристик относительной амплитуды вариаций ПЭС при различных уровнях геомагнитной и солнечной активности. В разделе 3.3. представлены результаты исследования динамики крупномасштабных перемещающихся ионосферных возмущений во время магнитной бури 29 октября 2003 г.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные при работе над диссертацией.
Вариации уровня солнечной активности и ионосферные параметры
Источником энергии для подавляющего большинства процессов, протекающих на Земле и в ее атмосфере, является излучение Солнца. Ионизация верхней атмосферы осуществляется жестким ультрафиолетовым (УФ) излучением Солнца. Параметры ионосферы, такие как концентрация электронов, ионный состав, температура и скорость направленного движения заряженных частиц, испытывают разнообразные вариации со временем и в пространстве: с циклом солнечной активности, суточные, сезонные, широтные и долготные и др.; причем на разных высотах эти процессы протекают по-разному.
Рассмотрим некоторые регулярные вариации электронной концентрации, связанные с вариациями невозмущенного Солнца в цикле солнечной активности.
Основной особенностью временных изменений частоты (и в меньшей степени суммарной мощности) всех явлений солнечной активности является их цикличность. Солнечный цикл представляет собой периодический процесс появления и развития на Солнце активных областей, характеризующийся выходом на поверхность сильных магнитных полей. Этот процесс затрагивает весь диск Солнца и может быть прослежен по многим явлениям в фотосфере, хромосфере и короне Солнца. Однако наиболее наглядное проявление солнечного цикла - изменение с периодом около 11.2 года числа солнечных пятен, входящих в состав активных областей [69]. В середине 19 в. швейцарский астроном Р. Вольф предложил характеризовать состояние солнечной активности относительными числами пятен: где g - число групп пятен; f - полное число пятен на видимом полушарии Солнца; к - номинирующий множитель, учитывающий различие в чувствительности используемых инструментов. Солнечную активность характеризуют также суммарной площадью пятен, потоком излучения в сантиметровом диапазоне волн и др. [69].
Величина периода цикла 11.2 года носит статистический характер; пятна данного цикла проявляются в течение 12-15 лет, период роста активности составляет в среднем 4.2 года, спада - 7 лет. Относительная интенсивность 11-летних циклов, по-видимому, меняется с периодом 80 лет [32, 69]. В ходе цикла солнечной активности W меняется в пределах от единиц в годы минимума до 100-200 в годы максимума [27].
Другой особенностью солнечной активности является то, что с ходом цикла широта пятен, возникающих на Солнце, систематических понижается. В начале цикле пятна возникают на гелиографических широтах 25-35, к концу цикла или началу следующего их широта падает до 5-7. Кроме того, во всех биполярных группах, возникающих в одной полусфере Солнца в течение одного цикла, знаки магнитного поля всегда одинаковы, причем знаки поля в головном и хвостовом пятнах группы различны. Для северной полусферы Солнца в четных циклах головное пятно имеет южную полярность, хвостовое -северную; в нечетных - наоборот. Полный цикл, следовательно, должен оцениваться в 22, а не в 11 лет, причем полный 22-летний цикл начинается с четного и заканчивается нечетным [27, 32].
Электронная концентрация в ионосфере пе зависит от фазы солнечного цикла и времени суток. Наибольшая концентрация ионов и электронов достигается в самом верхнем слое ионосферы, в области F2 на высоте h 300 км. При переходе ото дня к ночи, концентрация в этой области уменьшается в 3-Ю раз, тогда как в областях D, Е и F1 она падает на 1.5 - 2.5 порядка величины [42]. Слой F1 регулярно появляется только днем при небольших зенитных углах Солнца и наиболее четко выражен в минимуме солнечной активности. Изменение конфигурации и числа солнечных пятен в течение 11 -летнего цикла сопровождается изменением потока ионизирующего излучения. Поэтому скорость ионообразования зависит от числа солнечных пятен W. Температура верхней атмосферы изменяется в течение цикла солнечной активности в два раза, и, следовательно, плотность на данной высоте изменяется в 10-15 раз [70].
Значения критических частот ионосферных слоев f0E, f0Fl, f0F2 возрастают при увеличении числа солнечных пятен W. Для области Е справедлива эмпирическая формула для критической частоты в мегагерцах
Зависимость (cosj)"4, где % - зенитный угол Солнца, позволяет описать область Е как чемпеновский слой [70]. Отношение (/0)4 / cos %, известное как характерное число для слоя Е, пропорционально скорости ионообразования q. Следовательно, наблюдения за характеристиками слоя Е могут быть использованы для оценки изменений потока солнечной ионизирующей радиации в течение солнечного цикла. Полагая W= 150 в период максимума и W=10 в период минимума, получаем из уравнения (1.2), что скорость ионообразования в слое Е изменяется в течение солнечного цикла в два раза. Аналогичную формулу можно привести и для критической частоты слоя F1 в мегагерцах:
Источником энергии для подавляющего большинства процессов, протекающих на Земле и в ее атмосфере, является излучение Солнца. Ионизация верхней атмосферы осуществляется жестким ультрафиолетовым (УФ) излучением Солнца. Параметры ионосферы, такие как концентрация электронов, ионный состав, температура и скорость направленного движения заряженных частиц, испытывают разнообразные вариации со временем и в пространстве: с циклом солнечной активности, суточные, сезонные, широтные и долготные и др.; причем на разных высотах эти процессы протекают по-разному. Рассмотрим некоторые регулярные вариации электронной концентрации, связанные с вариациями невозмущенного Солнца в цикле солнечной активности.
Основной особенностью временных изменений частоты (и в меньшей степени суммарной мощности) всех явлений солнечной активности является их цикличность. Солнечный цикл представляет собой периодический процесс появления и развития на Солнце активных областей, характеризующийся выходом на поверхность сильных магнитных полей. Этот процесс затрагивает весь диск Солнца и может быть прослежен по многим явлениям в фотосфере, хромосфере и короне Солнца. Однако наиболее наглядное проявление солнечного цикла - изменение с периодом около 11.2 года числа солнечных пятен, входящих в состав активных областей [69]. В середине 19 в. швейцарский астроном Р. Вольф предложил характеризовать состояние солнечной активности относительными числами пятен: где g - число групп пятен; f - полное число пятен на видимом полушарии Солнца; к - номинирующий множитель, учитывающий различие в чувствительности используемых инструментов. Солнечную активность характеризуют также суммарной площадью пятен, потоком излучения в сантиметровом диапазоне волн и др. [69]. Величина периода цикла 11.2 года носит статистический характер; пятна данного цикла проявляются в течение 12-15 лет, период роста активности составляет в среднем 4.2 года, спада - 7 лет. Относительная интенсивность 11-летних циклов, по-видимому, меняется с периодом 80 лет [32, 69]. В ходе цикла солнечной активности W меняется в пределах от единиц в годы минимума до 100-200 в годы максимума [27].
Методы мониторинга ионосферных возмущений сигналами спутниковой системы GPS
В состав спутниковой радионавигационной системы (СРНС) GPS (Global Positioning System) [65, 129] входят следующие сегменты: космический, управления и потребителей. Космический сегмент состоит из 24 искусственных спутников Земли (ИСЗ). ИСЗ GPS находятся на шести круговых орбитах высотой примерно 20200 км, наклонением 55 и равномерно разнесенных по долготе через 60. В зоне радиовидимости потребителя в любой момент может находиться от 4 до 11 ИСЗ, что обеспечивает возможность непрерывного определения трех координат (долгота, широта, высота). СРНС имеет собственное системное время, хранимое на борту ИСЗ эталонами частоты. Временные шкалы всех ИСЗ согласованы между собой и синхронизируются системой единого времени. Сегмент управления (наземный командно-измерительный комплекс) осуществляет слежение за ИСЗ и обеспечивает спутники информацией, необходимой для формирования радионавигационных сигналов и навигационных сообщений.
В информационной последовательности сигналов GPS содержится информация об эфемеридах ИСЗ, позволяющих рассчитать их координаты и составляющие скорости, альманах созвездия ИСЗ, частотно-временные поправки, метки времени, параметры ионосферной модели, сведения о работоспособности бортовой аппаратуры ИСЗ и др. Сигналы СРНС GPS занимают в диапазоне L две полосы шириной по 20.46 МГц, в центре которых находятся частоты f,=1575.42 МГц и f2=l227.60 МГц. Аппаратура потребителя предназначена для приема сигналов от навигационных ИСЗ и для определения вектора навигационных параметров потребителя. Измеряемыми радионавигационными параметрами служат координаты и скорость потребителя. Исходными параметрами для определения вектора состояния потребителя являются время задержки и фаза (или доплеровское смещение частоты) принимаемого радионавигационного сигнала относительно его образца, формируемого на борту потребителя.
Измерение времени запаздывания и доплеровского смещения частоты принимаемого сигнала производится на основе корреляционного метода. Формируемая в приемнике копия сигнала ИСЗ перемножается с принятым сигналом, образуя корреляционную функцию. Поиск решения предполагает перебор всех возможных значений из области определений времени задержки и частоты. Получаемый максимум функции корреляции пропорционален времени интегрирования в корреляторе. Выбором достаточно большого времени интегрирования достигается высокая точность измерения. Поиск максимума функции корреляции на плоскости "время - частота" тем надежнее, чем меньше уровень боковых лепестков корреляционной функции. В связи с тем, что сигналом является двоичная фазоманипулированная последовательность большой длины (порядка 1000), уровень боковых лепестков корреляционной функции сравнительно мал, и они практически не влияют на надежность поиска. В режиме непрерывного сопровождения осуществляется фильтрация значений времени задержки по точному Р-коду или стандартному С/А-коду, фильтрация фазы несущего колебания и оценка кодовой информационной последовательности переданного навигационного сигнала.
Координаты потребителя определяются посредством их расчета по псевдодальностям до ИСЗ. Псевдодальности рассчитываются по временным задержкам сигнала на трассе «ИСЗ-потребитель» D = ст. При определении псевдодальности устраняются ошибки, возникающие вследствие дополнительной задержки, приобретаемой навигационными сигналами при их распространении через тропосферу и ионосферу.
Для проведения контрольных и корректирующих измерений, необходимых для усовершенствования системы GPS, а также для высокоточных геодезических и геодинамических измерений, по всему земному шару была развернута стационарная сеть двухчастотных приемников GPS.
Глобальная сеть GPS, насчитывающая к 2006 г. более 2500 станций GPS, данные которых представлены в Интернет, довольно плотно покрывает Северную Америку, Европу и хуже Азию. Меньше станций GPS на Тихом и Атлантическом океанах. Однако такое заполнение земной поверхности уже сегодня позволяет решать задачу глобального детектирования ионосферных возмущений с невиданным ранее пространственным накоплением. Так, в Западном полушарии соответствующее количество станций уже сегодня может достигать не менее 1000, а количество работающих одновременно радиотрасс «приемник-ИСЗ GPS» - не менее 5000-8000. Карта глобальной сети приемников GPS изображена на рис. 1.1. Данные кодовых и фазовых измерений псевдодальностей геодезических приемников систем GPS в виде стандартных RINEX-файлов поставляются в Интернет. Данные наблюдений приемников GPS в формате RINEX [121] расположены на FTP [7] серверах. Навигационные RINEX-файлы, необходимые для вычисления координат спутников, поставляются отдельно [5].
Солнечная активность и ионосфера на протяжении 23-го солнечного цикла
В качестве индекса солнечной активности в диссертации используются данные о потоке U(t) ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца в диапазоне 0.1-50 нм, измеренные на космической станции SEM/SOHO [139, 172] и усредненные по всему солнечному диску в единицах потока (фотонов
В связи с тем, что данные о потоке УФ не являются непрерывными, в работе используется также индекс солнечной активности F10.7 F(t), который считается хорошим показателем интенсивности коротковолнового излучения Солнца [42]. Индекс F10.7 равен потоку солнечного радиоизлучения на длине волны 10.7 см в единицах с.е.п. (10" Вт м Гц"). Его часто используют в различных ионосферных моделях (например, [93, 94]) в силу того, что F10.7 можно измерять с поверхности Земли, и имеются длительные непрерывные ряды измерений [174]. Важным показателем является индекс Rsn, характеризующий относительное число солнечных пятен [173].
Для изучения общей картины динамики вариаций ГЭС в диссертации использовался вейвлет-анализ [144, 176]. Количественные оценки амплитуды вариаций ГЭС в различных диапазонах периодов получены с использованием полосового фильтра Баттерворта [48]. На рис. 2.3 представлены сглаженные с временным окном 10 дней ряды ГЭС, (панель а), индекса F10.7 (панель б) и потока УФ (панель в). Зависимость G(t) демонстрирует существенную изменчивость ГЭС на протяжении 23-го цикла солнечной активности (от 0.5 до 3.2 GECU). На рис. 2.4 изображены регрессионные зависимости величины ГЭС от значений потока УФ излучения (а, в) и от индекса F10.7 (б, г), построенные для исходных данных (рис. 2.3). Серыми кривыми показаны аппроксимирующие зависимости, отрезками на панелях в, г - значения СКО. На рис. 2.4а можно видеть, что величины ГЭС и УФ линейно зависимы G = 4.13-U-0.27 с незначительным СКО -20% (рис. 2.4в). Разброс регрессионной зависимости ГЭС и F10.7 существенно выше (СКО 50%). Кроме того, на рис. 2.46, г видно, что при высоких значениях F10.7 имеет место тенденция к насыщению ГЭС. Это согласуется с результатами, полученными в работе [150], в которой по данным 20 ионозондов проанализированы длинные ряды суточных значений F10.7 и данных электронной концентрации в максимуме Р2-слоя NmF2. Авторы [150] выявили эффект насыщения NmF2 при высоких значениях F10.7. Это значит, в частности, что использование F10.7 в ионосферных моделях приводит к ошибке в вычислениях ионосферных параметров при высоких уровнях солнечной активности.
Сравнение вариаций ГЭС с вариациями индекса солнечной активности F10.7 (рис. 2.3а, б), показало, что в среднем зависимость G(t) находится в хорошем согласии с F(t). Особенно хорошо это видно при сравнении зависимостей G(t) и F(t), сглаженных с годовым временным окном (рис. 2.5; черная и серая кривые, соответственно). Так же на рис. 2.5 для сравнения представлена сглаженная с годовым окном временная зависимость Rsn(t) относительного числа солнечных пятен Rsn (пунктирная кривая), которая демонстрирует хорошее согласие как с G(t), так и с F(t). На рис. 2.6а представлена регрессионная зависимость сглаженных с годовым временным окном величин ГЭС от значений потока УФ за период с 1998-2006 г.г. Указанный период выбран в связи с тем, что до 1998 г. в данных УФ имеются большие пробелы. Регрессия аппроксимируется линейной функцией На рис. 2.66 изображена регрессионная зависимость сглаженных с годовым временным окном значений ГЭС от F10.7 (рис. 2.5); она также аппроксимируется линейной функцией
Соотношения (2.9, 2.10) вполне согласуются с аналогичными формулами для критических частот слоя F2 ионосферы, принятыми в современных эмпирических моделях ионосферы [27]. Анализ временных рядов G(t) показал, что для ГЭС характерны сильные сезонные (полугодовые) вариации и более слабые годовые. Это хорошо видно на динамическом спектре вариаций ГЭС, полученном с помощью вейвлет-преобразования (рис. 2.7а.). На рис. 2.7 для сравнения представлены также динамические спектры вариаций УФ и F10.7 (панели б, в, соответственно).
Относительная амплитуда сезонных вариаций ГЭС меняется от 10% на подъеме и спаде солнечной активности до 30% в период максимума. Это иллюстрируют представленные на рис. 2.8 вариации относительной амплитуды dG(t)/G(t) - черная кривая, и dF(t)/F(t) - серая кривая, отфильтрованные в диапазоне периодов от 100 до 300 дней. Из рис. 2.8 видно, что максимальные значения сезонных вариаций ГЭС приходятся на конец марта - начало апреля и на конец октября - начало ноября, в периоды равноденствия. Это вполне согласуется с тем, что плотность нейтральной атмосферы на ионосферных высотах максимальна в апреле и октябре [27, 160]. Как и следовало ожидать, полугодовые вариации ГЭС и F10.7 некоррелированы.
Относительная амплитуда возмущений полного электронного содержания
Для оценки потенциала обнаружения возможных предвестников ЗТ в данном разделе проведено исследование основных характеристик абсолютной (dl) и относительной (dl/I) амплитуды вариаций ПЭС класса перемещающихся ионосферных возмущений при различных уровнях геомагнитной и солнечной активности [21, 180].
Исследование перемещающихся ионосферных возмущений является одной из актуальных задач физики атмосферы Земли и радиофизики. ПИВ влияют на распространение радиоволн в широком диапазоне длин волн от сотен метров до десятков сантиметров, используемых в радиосвязи, пеленгации, радиолокации и радиоастрономии [79, 81, 84, 88, 145, 175]. Считается установленным, что крупномасштабные (КМ) ПИВ с характерным периодом 20-60 мин являются ионосферным откликом АГВ [82, 126, 128, 131, 157]. КМ ПИВ вызывают рефракционные искажения трансионосферных радиосигналов [79, 81, 84, 88, 134, 145, 175]. Среднемасштабные ПИВ (СМ ПИВ) с периодом 2-Ю мин и размером 10-30 км обычно ассоциируются с явлением F-spread [97, 98, 99] и близки по размерам к мелкомасштабным неоднородностям, вызывающим мерцания трансионосферных радиосигналов [183].
Необходимо отметить некоторую условность выбранного в диссертации разбиения на возмущения крупного и среднего масштаба, поскольку чаще всего в литературе для решения различных задач выбор масштаба определяется спецификой этих задач и физических механизмов генерации и распространения ионосферных возмущений.
С целью исследования зависимости абсолютной и относительной амплитуды вариаций ПЭС от различных геофизических факторов в период с 1999 по 2005 гг. были выбраны 12 спокойных суток (индекс Кр 3) и 40 возмущенных (Кр 3). Выбранные для анализа дни, соответствующие им минимальные и максимальные значения геомагнитных индексов Dst и Кр, а также среднесуточные значения индекса солнечной активности F10.7 представлены в таблице 3.3. В основной массе данные получены для периода осеннего и весеннего равноденствия, за исключением нескольких зимних суток.
Для получения статистически значимых результатов в некоторой степени условно были выбраны три региона, представленных в Интернет максимальным количеством станций GPS: высокоширотный Северной Америки (50-80N, 200-300Е), 59 станций; среднеширотный Северной Америки (20-50N, 200-300Е), 817 станций; экваториальный (-20+20N, 0-360Е), 76 станций. Абсолютные значения 8I(t) амплитуды вариаций ПЭС определяются при обработке рядов наклонного ПЭС Is(t), полученных из представленных в сети Интернет RINEX-файлов [7, 82], см. таже раздел 1.4. Затем значения "наклонного" ПЭС Is преобразуются в соответствующее "вертикальное" значение Iy(t) [141]
Далее ряды вертикального ПЭС Iy(t) длительностью более двух часов фильтруются в диапазоне периодов 20-60 мин и 2-Ю мин. Затем вычисляются среднее значение Im n = IV и среднеквадратичное отклонение am n = 512 /2 для всех отфильтрованных рядов 5I(t)m,n (лучей "приемник-ИСЗ GPS"), полученных для всех m-станций GPS и для всех n-ИСЗ, видимых с данной станции в течение выбранного интервала времени. Распределение числа рядов ПЭС по суткам приведено в таблице 3.3; общее число рядов составляет около 106. Относительная амплитуда dl/I определяется путем нормировки величины СКО на фоновое значение І0, в качестве которого используется значение абсолютного вертикального ПЭС, полученное с двухчасовым временным разрешением по глобальным картам ПЭС в формате IONEX [151], см. также раздел 1.4.5. Поскольку пространственное разрешение задается размерами элементарной GIM-ячейки (5 по долготе и 2.5 по широте), то для нормировки используются значения 10 для ячейки G1M, расположенной ближе всего к станции GPS, по данным которой определялась величина dl.
Для выбранной территории значения Im n, 8Im n и dl/lm ri усреднялись с целью получения средних значений ПЭС 1 , абсолютной dl и относительной амплитуд dl/l вариаций ПЭС в диапазоне периодов КМ ПИВ и СМ ПИВ. Всего за сутки усреднение проводилось для 22 интервалов времени длительностью около 2 часов, сдвинутых на 1 час. При среднем числе станций GPS около 500 и не менее 5 одновременно видимых ИСЗ среднее число рядов вариаций ПЭС с хорошим качеством данных за сутки составляло не менее 18000.
