Радиозондовые исследования среднеширотного слоя Es во взаимосвязи с атмосферными волновыми процессами Акчурин, Адель Джавидович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Наибольшие трудности при прогнозировании условий распространения радиоволн вызывает такое нерегулярное явление как спорадический слой E_s. И хотя на основе продолжительных статистических данных проводится долгосрочный прогноз параметров этого слоя, их краткосрочный прогноз не возможен. Трудно прогнозируемыми являются время появления, длительность существования и величина электронной концентрации в максимуме слоя, часто превышающая летом электронную концентрацию главного ионосферного слоя F и обеспечивающая прохождение радиоволн KB и УКВ диапазонов. Поэтому изучение изменений параметров среды распространения радиоволн, учитывающих появление Es-слоев, является на сегодняшний день актуальной задачей.

В данной работе изучается наиболее сложный и непонятный среднеширотный слой Es, так как на сегодняшний день для него в отличие от полярного и экваториального не найдены даже физические факторы или условия, которые либо предшествуют, либо сопутствуют образованию интенсивных Es-слоев. Отсутствие четкой интерпретации процессов образования и существования слоя Es объясняется рядом причин, среди которых основными являются^

1. многообразие Физических явлений, влияющих на образование и существование слоя E_s;

2. отсутствие возможности проведения продолжительных непосредственных экспериментальных наблюдений свойств слоя Es в высотном интервале 85-140 км с помощью летательных или воздухоплавательных аппаратов, и средствами ракетной техники. Поэтому наибольшее распространение получило радиозондирование (на различных частотах) как с поверхности Земли, так со спутников;

3. случайность появления Es-слоев, сильно затрудняющая выполнение комплексных дорогостоящих экспериментов (например, с проведением ракетных пусков или с использованием радаров некогерентного рассеяния, излучающих сигналы с большой мощностью > 500 кВт);

4. отсутствие прямой зависимости параметров среднеширотных Es-слоев от уровней гелио- и геомагнитной активности и невозможность ведения разносторонних продолжительных непосредственных измерений параметров физико-химической обстановки в высотном интер-

вале 85-140 км, которые предполагают вычисление оценок этих параметров косвенным путем.

Необходимость изучения Es-c-лоев диктуется не только чисто научными соображениями, но и интересами практической KB и УКВ радиосвязи. Это связано с тем, что в летнее время электронная концентрация Es-слоев может обеспечивать радиосвязь в УКВ диапазоне на расстояниях до 1800 км или приводить к полному исчезновению сигнала на связной трассе из-за экранирования.

Наиболее распространенной теорией, объясняющей существование Es-слоев на средних широтах, является теория ветрового сдвига. С ее помощью удалось связать наличие полусуточных вариации PEs с полусуточными вариациями скорости ветра (приливами) в нижней термосфере, которые в данной области атмосферы имеют наибольшую амплитуду. Однако при более детальном рассмотрении тер-мосферного ветра и высотного расположения Es-слоев был выявлен ряд противоречий между высотной и широтной структурами приливов и вертикальным перемещением (спусков) Es-слоев на разных широтах. Кроме того, сильные межсуточные изменения как среднего значения PEs, так и его полусуточной гармоники не удается объяснить только межсуточными вариациями скорости преобладающего ветра и амплитуды приливов.

Наличие более короткопериодных, чем полусуточные, колебаний скорости ветра может быть связано прохождением внутренних волн нетермического происхождения. Однако невысокая надежность данных наблюдений ветра выше 108 км не позволяет выделять такие колебания. Поэтому необходимо провести анализ взаимосвязи вероятности появления Es-слоев и метеорологической обстановки в нижней атмосфере, являющейся основным источником внутренних волн. Эти волны оказывают значительное воздействие на многие процессы в нижней термосфере (циркуляцию, термобарический режим и т.д.). В случае обнаружения такой связи можно будет говорить, с одной стороны, о существовании "метеорологического контроля" СЛОЯ Es по типу того, что установлен для слоя D, а с другой - о нахождении процессов в атмосфере, способствующих появлению Es-слоев на средних широтах.

Исследование всех указанных выше проблем позволит постепенно перейти к краткосрочному прогнозу частотных параметров Es-слоев, основанному на изучении метеорологической обстановки различных слоев атмосферы, а в дальнейшем, и к созданию адекват-

ной Физической модели Es-слоев, учитывающей сезонно-суточные вариации ветра в мезосфере и нижней термосфере.

Целью диссертационной работы является: исследование взаимодействия различных явлений в нижней и средней атмосферах С циркуляции, приливов, внутренних волн) с образованием и существованием Es-слоя и объяснение наблюдаемой квазирегулярной суточно-се-зонной изменчивости параметров этого слоя под их воздействием.

Решение этой проблемы требует выполнения разносторонних экспериментально-теоретических исследований. При этом необходимо решить следующие задачи:

-провести комплексные эксперименты по одновременному измерению параметров слоя Es С с помощью ионозонда) и ветра в нижней термосфере (с помощью метеорного радара);

-исследовать взаимосвязь суточно-сезонных изменений параметров Es-слоев с вариациями основных составляющих ветра в нижней термосфере путем: а) сопоставления результатов одновременных наблюдений и б) выполнения численного моделирования;

-выделить воздействие тропосферной погоды на слой Es путем сравнения вероятности появления Es-слоев с синоптической обстановкой, определяемой по ежедневным метеорологическим картам на территории возле пункта вертикального зондирования;

-изучить роль стратосферы в сезонной изменчивости частотных параметров Es-слоев путем сравнения дат смены стратосферной циркуляции и дат смены Es-слоев с высокими значениями предельных частот foEs на низкие, и наоборот.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Впервые установлены условия образования Es-слоев с высокими значениями предельной частоты foEs, связанные с параметрами преобладающего ветра, приливных движений в нижней термосфере;

2. На основе экспериментального наблюдения и численного моделирования в рамках теории ветрового сдвига предложено объяснение "сверхбыстрых" спусков Es-слоев под действием полусуточного прилива на высотах выше 120 км;

3. Впервые обнаружена зависимость вероятности появления Es-слоев с высокими значениями предельных частот foEs от нарушения зонального переноса в тропосфере, связанного с установлением блокирующих образований определенной Формы;

4. Впервые установлено, что даты перехода от "летних"

Es-слоев С с высокими среднесуточными значениями foEs) к "зимним"
(с низкими значениями foE_s), и наоборот, и даты весенней и осен
ней перестроек в стратосфере в широтной зоне 35-50" N примерно
совпадают. - ' '

Практическая значимость работы. Найдены экспериментальные зависимости вероятности появления Es-слоев с высокими значениями предельной частоты foEs от направления и скорости ветра в нижней термосфере, от направления ветра в стратосфере и от расположения областей с неустойчивым зональным переносом-'' в тропосфере. Это позволяет найти объяснение сильной иежгодовой изменчивости этого частотного параметра Es-слоев и создает условия для разработки Физической теории слоя Es и краткосрочного прогноза условий распространения радиоволн KB и УКВ диапазона за счет слоя E_s.

Основная часть работы была выполнена в соответствии с планами: гранта РФФИ (тема "Взаимодействие динамики термосферного ветра на нижнюю ионосферу", N 94-05-16090а, 1994-96 гг.); программы "Университеты России" государственный комитет РФ по высшему образованию С темы "Разработка перспективных дистанционных методов и средств диагностики состояния ионосферы", N госрегистрации 01910050058, 1991-95 гг.; "Динамика спорадического слоя Е и распространение радиоволн", шифр ВГМ-3, 1992-93 гг.). Исследования также проводились в рамках хоздоговорных работ: ОКР "Разработка аппаратуры ионосферной станции вертикального и наклонного зондирования "Вертикаль С1" СЦиклон-9]", шифр "Вертикаль С1-КГУ", заказчик - ВЦКБ "Полюс", 1991-94 гг.; НИР "Исследование и разработка программно-аппаратных средств для автоматической обработки информации", шифр "Тракай-2МС-КГУ", заказчик НИИССУ, 1991-94 гг.; НИР "Толмогорка" 1988-89 гг., заказчик ИЗМИРАН.

Реализация результатов работы.

Результаты аппаратурных разработок, были .использованы при изготовлении ионосферного комплекса "Вертикаль-С" Воронежским ЦКБ "Полюс", Комплекс прошел государственные испытания, подготовлен к тиражированию^, инеетсд акт,, .внедрения.,.. ~_,_f ,1..,,,,,'," ."" >"...,. ,. ,. ,_;,.., ... Результатисследований .слоя Es .были, использованы,при .разработке,, системы, автрматячесяо.й.₇. ,обрабо.тки.., ионограим. вертикального зондирования с последующей идентификацией ионосферных слоев С в том числе и слоя Es). Эта система обработки была создана для двух различных ионозондов ("Циклон", "Бизон") и передана в НИИССУ,

имеются акты внедрения.

Полученные результаты были включены в отчеты по итогам выполнения различных международных исследовательских программах MAC (1986-88 г.), STEP (1990 г.), GL0BMET (1987-88 гг.), а также были использованы в учебном процессе кафедры радиоастрономии при выполнении курсовых и дипломных работ.

На защиту выносятся результаты исследований:

взаимосвязи вероятности появления Es-слоев с высокими значениями foEs с различными элементами тропосферной погоды;

взаимосвязи вероятности появления Es-слоев с высокими значениями foEs с блокирующими образованиями в летней тропосфере;

воздействия сезонно-суточных вариаций основных составляющих ветра в верхней мезосфере - нижней термосфере (преобладающего ветра и полусуточного прилива) на сезонно-суточные вариации параметров Es-слоев;

спусков Es-слоев под действием полусуточного прилива, происходящих на высотах выше 120 км в утреннее и вечернее времена путем анализа экспериментальных данных и численного моделирования;

взаимосвязи сроков перехода от "летних" Es-слоев с высокими среднесуточными значениями foEs к "зимним" с низкими значениями» и наоборот, со сроками весенне-осенних перестроек в стратосфере, нижней термосфере.

Достоверность результатов определяется большой статистической обеспеченностью экспериментальных данных, использованием стандартных методов обработки средствами математической статистики, высокой повторяемостью результатов измерений в течение нескольких лет, совпадением результатов интерпретации экспериментальных данных с теоретическими представлениями, хорошим согласием результатов математического моделирования с экспериментальными данными, полученными как нами, так и другими авторами.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертации изложены в 25 опубликованных работах, были представлены и обсуждались на XV, XVI, XVII, XVIII Всесоюзных (Всероссийских), конференциях по распространению радиоволн (Алма-Ата, 1987; Харьков, 1990; Ульяновск, 1993; С.-Петербург, 1996); на втором Международном симпозиуме по программе Globmet (Казань, 1988); на Десятом Всесоюзном семинаре по моделированию ионосферы (Казань, 1990); на XXIV, XXV Генеральных Ассамблеях URSI (Киото, Япония, 1993;

- о -

Лилль, Франция, 1996); на XXI Генеральной Ассамблее IUGG СБоул-дер, США, 1995); на XXXI Научной Ассамблее C0SPAR (Бирмингем, Англия, 1996); а также на научных семинарах и конференциях Казанского государственного университета (1987-1996 гг.).

Личный вклад автора. Автором разработаны и изготовлены передающее устройство ионосферного комплекса "Циклон" и иалоинерцион-ный усилитель промежуточной частоты для приемного устройства. Он принимал непосредственное участие в наблюдениях Es-слоев на ионосферном комплексе "Циклон", в обработке и интерпретации полученных на нем экспериментальных данных. Им был проведен сравнительный анализ параметров (полученных другими исследователями) ветра в нижней термосфере с параметрами спуска Es-слоев за 1987-89 гг. Автором был составлен и реализован алгоритм численного моделирования "сверхбыстрого" спуска Es-слоя под действием полусуточного прилива на основе интегрирования уравнения непрерывности. Были проанализированы метеорологические карты барической топографии за 1986-89 гг. и были найдены тропосферные синоптические объекты, приводящие к значительному увеличению вероятности появления Es-слоев с высокими значениями предельной частоты foEs.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. В ней содержится 190 страниц печатного текста, приводится 35 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 202 работы.