Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Развитие радиозатменного метода мониторинга атмосферы Земли 13
Глава 2. Метод экспериментальных исследований атмосферных флуктуации амплитуды и фазы радиоволн на трассах спутник-спутник 35
2.1. Условия проведения и методика радиозатменных экспериментов.
2.2. Предварительная обработка экспериментальных данных .
Глава 3. Дисперсия флуктуации амплитуды сантиметровых и дециметровых радиоволн 62
3.1. Дисперсия флуктуации амплитуды сантиметровых радиоволн.
3.2. Дисперсия флуктуации амплитуды дециметровых радиоволн .
Глава 4. Спектры флуктуации амплитуды сантиметровых и дециметровых радиоволн 82
4.1.Спектры флуктуации амплитуды сантиметровых радиоволн.
4.2. Спектры флуктуации амплитуды дециметровых радиоволн .
Глава 5. Дисперсия и спектры флуктуации фазы дециметровых радиоволн 94
Глава 6. Закономерности атмосферных флуктуации амплитуды и фазы и возможности радиозатменного мониторинга неоднородностей атмосферы 103
6.1. Сопоставление экспериментальных данных с теорией и определение параметров неоднородностей коэффициента преломления атмосферы
6.2. О возможности мониторинга статистической неоднородности атмосферы радиозатменным методом
Заключение 137
Приложение. Таблицы сеансов радиопросвечивания атмосферы
на трассах спутник-спутник 142
Литература 146
- Предварительная обработка экспериментальных данных
- Дисперсия флуктуации амплитуды дециметровых радиоволн
- Спектры флуктуации амплитуды дециметровых радиоволн
- О возможности мониторинга статистической неоднородности атмосферы радиозатменным методом
Введение к работе
Изучение флуктуации амплитуды и фазы является составной частью задачи распространения радиоволн, поэтому исследования флуктуации проводились одновременно с исследованиями распространения радиоволн различных диапазонов. Ранее измерения флуктуации осуществлялись для определения их влияния на качество радиосвязи. В монографиях [1,2,3] приводятся теория и результаты экспериментов по распространению метровых, дециметровых и сантиметровых радиоволн на приземных трассах в нижних слоях тропосферы. В этих работах флуктуации амплитуды и фазы рассматриваются с точки зрения практических задач связи, как мешающие факторы, создающие дополнительные помехи при распространении сигналов в приземном слое тропосферы. В последующих работах закономерности флуктуации амплитуды и фазы на приземных трассах стали анализировать с применением теории распространения радиоволн в неоднородных средах. Такое исследование представлено в [4], где проводится анализ флуктуации амплитуды и фазы радиоволн по данным измерений распространения сантиметровых радиоволн на приземной трассе. В теоретических работах [6,7] задача флуктуации амплитуды и фазы при распространении радиоволн в статистически-неоднородной среде рассматривается для идеализированной модели.
С началом освоения космического пространства появилась возможность использовать искусственные спутники для исследования закономерностей распространения радиоволн на трассах спутник- Земля, чему посвящена первая глава монографии [5]. На такой трассе связи принятый сигнал содержит информацию о суммарном воздействии атмосферы на всем пути распространения, причем при использовании волн короче метровых основной вклад вносит нижняя тропосфера. Запуск межпланетных космических аппаратов позволил осуществить эксперименты радиопросвечивания атмосфер Марса и Венеры с использованием трасс распространения волн спутник- атмосфера- Земля [5], когда с космического аппарата в направлении Земли излучались радиоволны, которые проходили через атмосферу планеты и принимались на наземном пункте.
Запуски искусственных спутников Земли обеспечили возможность исследования атмосферы во всем высотном диапазоне методом радиопросвечивания с использованием трасс спутник-спутник. В таких экспериментах один из спутников излучает радиоволны в направлении другого, принимающего эти радиоволны. При заходе одного спутника относительно другого в зону радиотени Земли происходит радиопросвечивание атмосферы, т.е. радиоволны проходят сквозь атмосферу, при этом минимальная высота лучевой линии над поверхностью планеты уменьшается. Амплитуда и фаза сигнала изменяются под воздействием атмосферы, причем основной вклад вносит область атмосферы в районе наименьшего расстояния от лучевой линии до поверхности Земли, т.е. минимальной высоты лучевой линии. Изменения амплитуды и фазы радиоволн при просвечивании имеют регулярную составляющую, обусловленную средним высотным профилем коэффициента преломления, и флуктуационную, обусловленную неоднородностями атмосферы, т.е. флуктуациями коэффициента преломления. Анализ изменений амплитуды и фазы позволяет исследовать вариации атмосферных параметров. Преимуществами радиозатменного метода являются возможность изучения атмосферы от поверхности до высоты 40 км и возможность проведения измерений над всей поверхностью Земли. Экспериментальные работы по радиопросвечиванию атмосферы Земли на трассах спутник-спутник позволили доказать эффективность применения радиозатменного метода для изучения и контроля атмосферы Земли. До последнего времени большая часть исследований была посвящена совершенствованию метода радиопросвечивания в целях обеспечения достаточной точности определения высотных зависимостей температуры и влажности.
Для развития метода радиопросвечивания атмосферы Земли необходимо исследование флуктуации амплитуды и фазы радиоволн как эффектов, влияющих на точность определения атмосферных параметров по радиозатменным данным, а также для изучения и контроля мелкомасштабной неоднородности атмосферы. Исследование флуктуации амплитуды и фазы при радиопросвечивании атмосферы требуется для определения их влияния на работу космических линий связи и анализа точности траекторных измерений.
Цель работы состояла в выяснении закономерностей флуктуации амплитуды и фазы радиоволн при просвечивании атмосферы Земли на трассах спутник-спутник. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Проведение экспериментальных исследований для получения и последующего анализа данных о флуктуациях амплитуды и фазы сантиметровых и дециметровых радиоволн при просвечивании атмосферы Земли на трассах спутник-спутник.
2. Нахождение закономерностей флуктуации амплитуды и фазы радиоволн при радиопросвечивании атмосферы Земли на трассах спутник-спутник.
3. Выявление связи флуктуации сигналов с параметрами неоднородности коэффициента преломления и анализ возможности мониторинга мелкомасштабной неоднородности атмосферы затменным методом.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Совокупность экспериментальных закономерностей флуктуации амплитуды и фазы радиоволн при радиопросвечивании атмосферы на трассах спутник-спутник.
2. Совокупность результатов анализа экспериментальных данных о флуктуациях амплитуды и фазы радиоволн.
3. Радиофизическое обоснование возможности мониторинга мелкомасштабной неоднородности атмосферы затменным методом.
При выполнении работы получены новые экспериментальные высотные зависимости среднеквадратических значений флуктуации амплитуды и фазы при радиопросвечивании атмосферы Земли для диапазона высот от 2 до 30 км. Изучены особенности спектров флуктуации амплитуды и фазы в тропосфере и стратосфере. Показано, что по данным о флуктуациях амплитуды и фазы находятся следующие параметры атмосферы: дисперсия флуктуации коэффициента преломления, дисперсия флуктуации температуры, значения спектрального индекса пространственного спектра флуктуации коэффициента преломления в тропосфере и стратосфере, внешний масштаб неоднородностей атмосферы.
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается анализом большого объема экспериментальных данных, методом прямого получения экспериментальных закономерностей и анализом погрешностей измерений, согласием найденных результатов с теорией распространения радиоволн в статистически-неоднородной среде, соответствием результатов данным, которые были получены с помощью других методов экспериментального исследования атмосферы.
Научная и практическая значимость работы
Найденные экспериментальные закономерности флуктуации амплитуды и фазы при радиопросвечивании атмосферы и их сопоставление с теорией распространения радиоволн в статистически-неоднородной среде показали, что для описания процессов формирования неоднородностей в тропосфере преобладающей является теоретическая модель турбулентной среды, а в стратосфере необходимо учитывать влияние и других процессов формирования неоднородностей.
Предложен метод получения новых сведений о мелкомасштабных неоднородностях тропосферы и стратосферы на высотах от 2 до 30 км. Он может быть использован для развития мониторинга неоднородности атмосферы, что необходимо для оценки точности определения температуры по радиозатменным данным, для анализа слоев, инверсий и выраженности тропопаузы.
Полученные закономерности флуктуации амплитуды и фазы применимы при анализе распространения сигнала в космических линиях связи, при определении точности траекторных измерений на трассах космические объекты- Земля. Данные о дисперсии флуктуации фазы могут быть пересчитаны к любому углу прихода радиоволн, что позволяет оценить точность фазовых измерений на разных космических трассах с учетом влияния неоднородностей атмосферы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и библиографии. Она содержит 154 страницы, 50 рисунков, 4 таблицы, 90 наименований цитируемой литературы.
Предварительная обработка экспериментальных данных
В этом параграфе описана методика предварительной обработки данных, зарегистрированных при радиозатменных экспериментах на трассах станция "Мир"-геостационарные спутники и трассах спутники GPS- спутник "MICROLAB". Первым этапом преобразования данных, полученных при радиопросвечивании атмосферы на трассах станция "Мир"- геостационарные спутники, являлось приведение к табличному виду результатов измерений амплитуды принятого сигнала и их "привязка" ко времени начала регистрации. Потом производился учет нелинейности амплитудной характеристики тракта на основе калибровочных измерений. Самым ответственным и трудоемким этапом было определение зависимости амплитудных данных от минимальной высоты лучевой линии Но, то есть надо было найти Но соответствующую каждому отсчету времени. При этом использовались баллистические данные спутников и сведения о среднемесячных метеорологических параметрах атмосферы в районе радиопросвечивания. На следующем этапе обработки учитывались шумы аппаратуры и делалась нормировка амплитуды радиоволн к уровню сигнала при распространении в свободном пространстве. Далее проводилась проверка корректности "привязки" к Но, оценивалась точность определения этой высоты. По такой же схеме была проведена обработка исходных данных эксперимента радиопросвечивания на трассах спутники GPS- спутник "MICROLAB". Мы определяли зависимость амплитуды от минимальной высоты лучевой линии Но, учитывали шумы и делали нормировку. В результате перечисленных выше преобразований получили экспериментальные зависимости напряженности поля, отнесенной к уровню при свободном распространении радиоволн, от высоты Но для всех сеансов радиопросвечивания. Изложим методику преобразования и "привязки" ко времени данных зарегистрированных в сеансах с использованием спутников "Мир"- геостационар. Во время каждого эксперимента радиопросвечивания амплитуда на выходе аппаратуры регистрации из непрерывного аналогового сигнала с диапазоном от 0 до 10 В преобразовывалась в дискретные отсчеты цифрового кода, которые записывались в память компьютера. Запуск регистрации происходил по минутной метке от системы единого времени. После окончания эксперимента мы получали файл со значениями отсчетов, пропорциональных напряженности поля сигнала радиопросвечивания.
Потом мы раскодировали записанный файл и получали текстовый, состоящий из столбца с номерами, которые считались от начала регистрации отсчетов, и столбца с амплитудой сигнала, считанной в соответствующие номерам моменты времени. Далее программно добавляли столбец со значениями времени в секундах, считая от начала регистрации. На рис. 2.5 показан график, иллюстрирующий исходный формат данных- зависимость уровня зарегистрированного сигнала U, отложенного по вертикальной оси, от номера отсчета- /, частота которых составляла 152,6 Гц, для сеанса №50 (таблица 2.1). По второй горизонтальной оси отложено соответствующее номеру отсчета время / от начала регистрации. По рис. 2.5 видно, что влияние атмосферы заметно лишь на участке 150-И90 с, этот участок соответсвует изменению минимальной высоты лучевой линии в пределах Но«0+40 км. В других сеансах время регистрации, в течение которого заметно влияние атмосферы на амплитуду радиоволны, составляет 30- 50 с. После "привязки" ко времени мы учитывали нелинейность радиотракта, домножая амплитуду сигнала на функцию, обратную амплитудной характеристике, полученной из калибровочных измерений. Пример изменения амплитуды сигнала с учетом калибровки UK(t) (сеанс №50) приведен на рис. 2.6, где по вертикальной оси отложены нормированные на амплитудную характеристику тракта отсчеты, а по Обратимся к схеме радиопросвечивания атмосферы Земли, показанной на рис. 2.1. Основной параметр- минимальная высота лучевой линии Ho=ED отличается от геометрической высоты Н=СЕ из-за рефракционного искривления лучевой линии ADB, которое нарастает по мере приближения к поверхности Земли. При Н 40 км значения Н и Но совпадают с хорошей точностью. При касании прямой АВ поверхности Земли (Я=0) минимальная высота лучевой линии Но составляет 11 км, а при Но=0 км геометрическая "высота" принимает отрицательные значения и равна Я=-80н- -35 км в зависимости от приведенного коэффициента преломления вблизи поверхности Земли No. Для анализа экспериментальных данных и выявления закономерностей требовалась "привязка" к единому параметру, которым является минимальная высота лучевой линии Но. Поэтому надо было найти зависимость зарегистрированной амплитуды от минимальной высоты лучевой линии
Но Опишем метод определения зависимости минимальной высоты лучевой линии Но от времени t. Вновь рассмотрим схему радиопосвечивания, показанную на рис. 2.1, где точка А обозначает станцию "Мир", точка В- геостационарный спутник, О- центр Земли, а- ее радиус. Мы использовали начальные условия, содержащие эфемериды (координаты и скорости) геостационарного спутника и станции "Мир" на определенный момент времени в день проведения радиозатменного эксперимента. Эти данные мы пересчитывали ко времени проведения эксперимента. По координатам и скоростям спутников определяли зависимости от времени следующих величин: расстояния от спутников до центра Земли AO=i?/, ВО= 2; расстояния вдоль прямой АВ от спутников до области просвечивания AC=Z/, BC=Z,2; геометрическую "высоту" прямой АВ над поверхностью Земли СЕ=Н, угол АОВ=(9. Эти данные мы получали в виде файлов с отсчетами значений через одну секунду. Для нахождения минимальной высоты лучевой линии ED=Ho одних баллистических данных недостаточно. Необходимо еще знать распределение по высоте над поверхностью Земли h приведенного коэффициента преломления N(h), чтобы определить зависимость от высоты угла рефракции радиоволн в атмосфере E,(h), далее по (h) определяется Но. Угол рефракции t,(h) зависит от высотного распределения коэффициента преломления:
Дисперсия флуктуации амплитуды дециметровых радиоволн
В этом параграфе дан качественный анализ поведения амплитуды дециметровых радиоволн и ее среднеквадратических флуктуации в зависимости от минимальной высоты лучевой линии для сеансов радиопросвечивания атмосферы Земли на трассах навигационные спутники GPS- спутник "MICROLAB" (А=\9 см). В таблице 3.2 приложения приведен список сеансов, их флуктуационные характеристики в стратосферной и тропосферной областях. Всего выбрано 44 эксперимента, в которых были получены исходные данные удовлетворительные для анализа зависимости E(HQ) на всем высотном интервале #0=3-4-40 км. В первой колонке проставлены порядковые номера сеансов, во второй- дата проведения, в третьей- гринвичское время проведения сеанса, в колонках 4 и 5- координаты района просвечивания, в колонке 6- указан район просвечивания. Колонка 7 содержит среднеквадратические значения флуктуации напряженности поля оь: для стратосферного участка Яо=15-г25 км, колонка 8- для тропосферного участка Яо=3+8 км. В параграфе описано как определялись зависимости среднеквадратического значения флуктуации напряженности поля от минимальной высоты лучевой линии СГЕ(НО) И проанализированы эти зависимости и факторы, влияющие на величину и поведение УЕ Сначала приведем качественный анализ зависимостей нормированных значений напряженности поля от минимальной высоты лучевой линии Е(Но). Примеры Е(Н0), полученные из первичных данных эксперимента радиопросвечивания на трассах спутники GPS- "MICROLAB" в дециметровом диапазоне (1=19 см), показаны на рис. 3.12 для сеанса№114 таблицы 3.2, нарис. 3.13 для сеанса№110, нарис. 3.14 для сеанса №129. На рис. 3.12, 3.13, 3.14 можно выделить область выше H(f=35 км, где отсутствует влияние атмосферы. Флуктуации в этой области, обусловленные аппаратурными факторами, больше чем в наших экспериментах.
Это объясняется меньшим соотношением сигнал/шум при использовании спутников GPS и "MICROLAB", имеющих слабонаправленные антенны. Из рис. 3.12+3.14 видно, что рефракционное ослабление начинает проявляться на высоте Но 30 км. При Но=20 км среднее значение Е(Но) 0,$, а при #о=9-г12 км (7/Q)«0,4+0,6. На интервале Н0 от 6 до 15 км во многих сеансах наблюдается ярко выраженное влияние слоистых структур и тропопаузы на изменение Е(Но). Так на рис. 3.12 тропопауза проявляется слабее и имеет высоту Н0=\3 км, а слоистые структуры сильнее, тогда как на рис. 3.13 тропопауза отчетливо видна в виде регулярного уменьшения напряженности поля на высоте #о=9 км. Зависимость нарис. 3.14 отличается от предыдущих отсутствием заметного проявления и тропопаузы и слоистых структур. Ниже тропопаузы уровень амплитуды продолжает уменьшаться и при Но=5 км равен E(Ho)xQ,3+0,4. При Но Ъ км низкий потенциал линии радиозатмения GPS- "MICROLAB" приводил к срыву приема сигнала. Проанализируем зависимость флуктуации Е от Но. Флуктуации напряженности поля на высоте #о 35 км минимальны и обусловлены лишь аппаратурными факторами и влиянием ионосферы. Рост флуктуации, обусловленный влиянием атмосферы, заметен начиная с высоты Но 26 км. Увеличение уровня флуктуации продолжается до 14-И 8 км. В этой области наблюдается большой разброс уровня флуктуации в разных сеансах. Это объясняется отличием метеоусловий, в частности, разной степенью влияния слоистых структур. С дальнейшим уменьшением высоты интенсивность флуктуации меняется незначительно. Мы провели общие для всех сеансов качественный анализ и определение количественных характеристик флуктуации. Дисперсия флуктуации Е вычислялась с использованием соотношения (3.1). При определении ОЕ число отсчетов значений у равнялось 200, что соответствовало временному интервалу Д/=4 с, за который находилась дисперсия. За А/=4 с высота луча Но изменялась на ДЯо=7-ИО км при зондировании стратосферы, на Д#о=1,8-н2,6 км при зондировании тропосферы.
Определение дисперсии проводилось по всем 44 сеансам радиопросвечивания для диапазона высот #0=3+40 км Для каждого сеанса было получено 6ч-7 значений дисперсии (ті Количественные характеристики флуктуации всех 44 сеансов радиопросвечивания представлены на рис. 3.15 значениями ОЕ при разных высотах Щ. Разброс экспериментальных значений ОЕ на этом рисунке обусловлен изменчивостью метеоусловий. Сплошной ломаной кривой показана усредненная зависимость ОЕ ОТ НО. Уверенная регистрация атмосферных флуктуации амплитуды начинается в стратосферной области при Я0=23 26 км, где в среднем о=0,05, на интервале высот Яо=13-И7 км интенсивность флуктуации остается примерно постоянной при среднем значении сг=0,15; а в тропосфере при Яо=3+6 км наблюдается очень сильный разброс значений ОЕ при среднем О=0,31. По нашим оценкам ошибки привязки к минимальной высоте лучевой линии Н0 составляли в стратосферной области, то есть при Я ? 15 км, ДЯо=±2,4 км, а в тропосферной области, то есть при Яо 8 км, ДЯо=±1,2 км. Мы провели анализ ошибок измерений напряженности поля Е. По нашим данным ошибки определения среднего значения Е на высотах 25 и 5 км равны соответственно 15% и 40%. Ошибки определения относительных среднеквадратических значений флуктуации напряженности поля ( существенно меньше. Анализ показал, что ошибки определения ОЕ в среднем равны 4% на высотах Н0= 25...35 км и составляют около 10% при Но 6 км.
Спектры флуктуации амплитуды дециметровых радиоволн
В этом параграфе описаны результаты анализа спектров атмосферных флуктуации амплитуды дециметровых радиоволн при затменных измерениях на трассах спутники GPS- "MICROLAB". Представлена методика определения частотных спектров флуктуации амплитуды на основе зависимостей E(t), полученных после первичной обработки данных этих экспериментов. Приведен анализ спектров GE(F) И результатов определения спектрального индекса п для областей стратосферы и тропосферы. Методика определения спектров амплитудных флуктуации дециметровых радиоволн при радиопросвечивании Земли на трассах спутники GPS-"MICROLAB" аналогична примененной для сантиметровых волн, описанной в предыдущем параграфе. Мы использовали зависимости E(t), полученные после начальной обработки исходных данных. По этим экспериментальным зависимостям Е(1) определялись спектры GE(F) относительных флуктуации напряженности поля ,/(,), где Е- /-ый отсчет текущего значения, (EJ)- среднее значение напряженности поля, полученное путем кусочной аппроксимации зависимости E(t) методом наименьших квадратов. Спектры GE(F) вычислялись по программе быстрого преобразования Фурье. Полученные значения спектральных плотностей GE(F) сглаживались по прямоугольному окну, ширина которого удовлетворяет условию F/AF=2. Для выяснения закономерностей флуктуации дециметровых радиоволн мы обработали данные 45 сеансов радиопросвечивания атмосферы. По данным каждого сеанса получили графики спектров флуктуации амплитуды GE(F) для двух высотных участков атмосферы: стратосферы Но= 15 25 км и тропосферы Яо=3-г8 км. Спектры амплитудных флуктуации мы определяли за временные интервалы ЛТ=5 с, чему соответствовало изменение минимальной высоты лучевой линии ЛЯо=8-ь12 км в стратосфере и АНо=2,2+3,0 км в тропосфере. При просвечивании атмосферы радиоволны распространяются и через ионосферу, влияние которой на амплитуду сигнала в дециметровом диапазоне волн уже заметно, тогда как на сантиметровых волнах мы могли пренебречь им. Для учета воздействия ионосферы и технических факторов определяли спектральную плотность флуктуации амплитуды GE(F) при высоте лучевой линии Яо=45ч-55 км и использовали найденную GE(F) для исключения малого влияния ионосферных неоднородностей и аппаратурных шумов на флуктуации фазы и амплитуды обычной процедурой для статистически независимых случайных процессов, считая что спектральные плотности независимых случайных процессов складываются. На рис. 4.6 представлены типичные спектры флуктуации амплитуды GE(F), для трех сеансов радиопросвечивания атмосферы.
Спектры на рис. 4.6а получены для тропосферной области, а на рис. 4.66- для стратосферы. Кривая 1 соответствует сеансу №102, кривая 2- сеансу №133, кривая 3- сеансу №143 радиопросвечивания атмосферы дециметровыми радиоволнами. Для наглядности выбраны экспериментальные данные с сильно отличающимися уровнями флуктуации. Из рис. 4.66 следует, что на частотах F 2 Гц спектральная плотность GE(F) слабо зависит от частоты F, а при F 2 Гц GE(F) быстро убывает с увеличением частоты. Зависимости GE(F) ДЛЯ тропосферного участка отличаются от зависимостей для стратосферы отсутствием пологого участка при F 2 Гц. Это обусловлено тем, что из-за рефракционного искривления скорость погружения лучевой линии в тропосфере уменьшается в 4-5 раз, поэтому атмосферные неоднородности тех же масштабов приводят к флуктуации амплитуды на более низкой частоте. По рис. 4.6 видно, что различие уровней флуктуации между сеансами сильнее проявляется в тропосферной области, которая является более изменчивой, чем стратосфера. Для F 4 Гц экспериментальные спектры хорошо аппроксимируются зависимостью GE F ". По экспериментальным данным для 45 сеансов мы определили показатель степени п спектральной плотности для области стратосферы и тропосферы. Используя найденные значения п, построили вероятностную характеристику распределения. На рис. 4.7 приведены две гистограммы распределения значений индекса п, полученного по спектрам 45 сеансов радиопросвечивания атмосферы. По горизонтальной оси на рис. 4.7 указана величина п, по вертикальной оси- выраженная в процентах относительная частота наблюдения значения п в интервале Ап = 0,3. Ширина интервала An, показанная на рисунке горизонтальными отрезками, соответствует оцененной нами эмпирической ошибке определения п. Рис. 4.7а относится к тропосферной области, а рис. 4.76- к стратосферной. Из рис. 4.7а следует, что в тропосфере в 75% случаев спектральный индекс заключен в пределах и=2,2ч-3,4 при среднем значении л=2,7±0,6, а в стратосферной области (рис. 4.76) в 85% случаев спектральный индекс изменяется от п=2 до и=4 при среднем значении и=3,2±0,8. Анализ спектров флуктуации амплитуды сантиметровых и дециметровых радиоволн показал следующие общие закономерности: в тропосферной области показатель степени и=1,8н-3,3, в стратосферной области значения п сосредоточены в пределах 2,4+4,8 для сантиметровых радиоволн и 1,8+4,1 для дециметровых. Таким образом, найденные распределения п для сантиметровых и дециметровых волн в тропосфере имеют меньший разброс значений, чем в стратосфере.
О возможности мониторинга статистической неоднородности атмосферы радиозатменным методом
Целью диссертации является исследование радиофизических закономерностей флуктуации амплитуды и фазы при радиопросвечивании атмосферы Земли. Это необходимо для разработки метода мониторинга статистических неоднородностей атмосферы, то есть этапа внедрения и использования радиоданных при решении задач метеорологии. В этом параграфе сделан первый шаг- сопоставлены параметры, полученные нами на основе экспериментальных данных о флуктуациях амплитуды и фазы, и рассмотрена возможность их использования для мониторинга неоднородностей атмосферы. При разработке метода определения степени неоднородности атмосферы будем различать два подхода. Первый, когда можно использовать данные большого числа сеансов радиопросвечивания, и получать в исследовательском режиме усредненные закономерности. Второй, когда нужно осуществить определение степени неоднородности при мониторинге атмосферы по результатам измерений в конкретном районе, в данное время, используя один конкретный сеанс радиопросвечивания, т.е по принципу "здесь и сейчас", при этом из-за краткости одного сеанса измерений нет возможности получать усредненные высотные зависимости параметров, характеризующие неоднородность атмосферы. Для анализа неоднородности атмосферы в исследовательском режиме мы использовали показатель пространственного спектра неоднородностей коэффициента преломления атмосферы р, кроме того ввели характеристики степени турбулентности, найденные по дисперсии флуктуации амплитуды сантиметровых волн ФЕ и по данным флуктуации фазы Фф.
Для мониторинга по принципу "здесь и сейчас" предложен способ оценки степени интенсивности мелкомасштабной неоднородности по значениям дисперсии флуктуации и амплитуды ai и фазы j. Опишем какие экспериментальные характеристики, связанные с неоднородностями атмосферы, можно получить по данным радиопросвечивания. Мы показали, что по радиозатменным данным возможно независимое определение четырех величин: дисперсии флуктуации амплитуды о и фазы а и спектральных индексов пространственного спектра флуктуации коэффициента преломления рт и рп. Реальным в конкретном сеансе радиопросвечивания атмосферы является определение только нескольких значений рт, рп и ар, ТЕ как для стратосферы, так и для тропосферы. При этом из рассмотрения следует исключать высотные интервалы со значительными регулярными инверсиями температуры, например, в области тропопаузы. Совокупный анализ независимо определенных значений рт, р„ и ар (ТЕ ДЛЯ стратосферной и тропосферной областей позволит сделать заключение о природе атмосферных неоднородностей и их интенсивности. Показатель пространственного спектра неоднородностей коэффициента преломления атмосферы р характеризует турбулентность атмосферы в области просвечивания. Он надежно определяется по частотным спектрам флуктуации амплитуды и фазы. Независимые амплитудные и фазовые данные существенно повышают достоверность найденного р. Если определенные по фазовым и амплитудным данным значения спектрального индекса р будут заключены в пределах 3,6±0,3, то это свидетельствует о развитой турбулентности в исследуемом районе и на рассматриваемом высотном интервале. Иные значения р будут свидетельствовать о другой природе неоднородностей атмосферы.
Например, в стратосферной области значенияр, близкие к 5, характерны для насыщенных внутренних гравитационных волн [82,89]. Получим характеристику степени турбулентности атмосферы, используя экспериментальные высотные распределения дисперсии флуктуации амплитуды (JE(HQ) сантиметровых радиоволн, средние значения которых показаны ломаными кривыми на рис. 3.8, 3.9. Для этого сопоставим зависимости СТЕ(НО) С теорией распространения волн в статистически неоднородной среде и выявим признаки, которые могут быть использованы при оценке степени турбулентности атмосферы. Известно, что наибольший вклад во флуктуации амплитуды вносят атмосферные неоднородности с масштабом близким к размеру первой зоны Френеля. Радиус первой зоны Френеля в экспериментах радиопросвечивания сантиметровыми радиоволнами на трассах "Мир"-геостационар был равен 0,2 км в области стратосферы, а в тропосфере уменьшается в вертикальном направлении из-за рефракции. На зависимость (ТЕ(НО) влияет рефракционное ослабление радиоволн, которое не связано с турбулентностью. Влияние рефракционного ослабления Е на интенсивность флуктуации- учтем, следуя работе [90]. По данным этой публикации рефракционное ослабление уменьшает флуктуации амплитуды в соответствии с соотношением Здесь oi - среднеквадратичное значений флуктуации амплитуды, которое имело бы место, если вместо реальной атмосферы с сильной рефракцией присутствовала статистически неоднородная среда без рефракции, (Е) - рефракционное ослабление. Экспериментальная зависимость СГЕ(НО), показанная на рис. 3.9, подтверждает этот вывод теории: действительно для #о 8 км наблюдается уменьшение интенсивности флуктуации напряженности поля при уменьшении высоты Но.
Эта же тенденция видна и на рис. 3.8, хотя влияние слоистых неоднородностей тропосферы приводит к сильному разбросу экспериментальных значений ОЕ- При определении характеристики степени турбулентности атмосферы учтем средний высотный профиль коэффициента преломления N(h), рассматривая относительные флуктуации коэффициента преломления AN/N. Из теории распространения радиоволн в статистически неоднородной среде следует, что стЕ пропорционально среднеквадратическому отклонению AN, поэтому относительная неоднородность среды в нашей задаче может характеризоваться фактором AN/N TE/N. Таким образом, экспериментальной характеристикой степени турбулентности атмосферы, определяемой на основе флуктуации амплитуды при радиозатменном мониторинге можно принять зависимость В выражении (6.18) СЕ и (f?) зависят от минимальной высоты лучевой линии Но, a N зависит от произвольной высоты над поверхностью Земли h. Будем считать, что в (6.18) Ho&h. Для определения характеристики Фк(Ь.) используем усредненные экспериментальные зависимости CTE(HQ) сантиметровых радиоволн, показанные ломаными кривыми на рис. 3.8 и рис. 3.9, экспериментальное значение E(HQ) И известный высотный профиль N(h). На рис. 6.8 представлены результаты определения по (6.18) зависимости ФЕ(Н): кривая, обозначенная 1, соответствует средней зависимости 7Е(НО), показанной ломаной линией на рис. 3.8, найденной по данным сеансов с большим уровнем флуктуации, а зависимость 2 получена по средней зависимости (ТЕ(НО), показанной ломаной кривой на рис. 3.9, определенной по данным сеансов с малым уровнем флуктуации. Из сравнения кривых 1 и 2 на рис. 6.8 следует, что значения характеристики неоднородностей атмосферы ФЕ для первой и второй группы измерений различаются. Для первой группы измерений, когда не наблюдается явно выраженных фокусировок и уменьшений напряженности поля, обусловленных слоистыми структурами, т.к. они разрушены повышенной турбулентностью атмосферы, ФЕ(Ь), кривая 1 на рис. 6.8, имеет повышенное значение в стратосфере на высотах 20- 27 км. В этой области высот ФЕ не зависит от И, но при /? 20 км наблюдается монотонное уменьшение ФЕ при уменьшении высоты И. Для второй группы сеансов измерений, кривая 2 на рис. 6.8, свойственно быстрое уменьшение ФЕ при изменении высоты от 30 до 23 км, малые значения при /2=22-=-24 км и,
