Принцип радиозатменного мониторинга атмосферы

1. Отклик ионосферы Земли на воздействие солнечного ветра и ультрафиолетового излучения Солнца по данным измерений с помощью высокостабильных сигналов радионавигационных систем на трассах спутник-спутник. Павельев А.Г., Матюгов С.С., Павельев А.А., Яковлев О.И. 1Institute of Radio Engineering and Electronics of the Russian Academy of Sciences, (IRE RAS), Fryazino, Vvedenskogo sq. 1, 141191 Moscow region, Russia E-mail pvlv@ms.ire.rssi.ru «Физика плазмы в солнечной системе» Февраль 15 2011ИКИ РАНМосква

2. Принцип радиозатменного мониторинга атмосферы Приемник на спутнике L регистрирует сигналы на двух частотах, изменения фазы и амплитуды которых содержат информацию о характеристиках околоземного пространства вдоль трассы распространения радиоволн GТL. При допущении о локальной сферической симметрии околоземной среды эти изменения вызваны, главным образом, влиянием областей ионосферы и атмосферы вблизи точки перигея Т лучевой траектории. Далее по измеренным изменениям фаз и амплитуд и по известным эфемеридам спутников G и L можно рассчитать высотный профиль угла рефракции и затем, с помощью преобразования Абеля, найти высотную зависимость показателя преломления в атмосфере, а также электронной концентрации в ионосфере.

3. Perigee Point Научные КА радиозатменного зондирования, запущенные в 1995-2009 гг. GPS/MET (Micro-Lab-1), CHAMP, SAC-C, GRACE, METOP etc. Эти спутники (массой 70-250 кг) были оснащены приемниками GPS-сигналами, прошедшими через слои атмосферы и ионосферы.Принятые сигналы передавались на наземные станции, где обрабатывались для прецизионного вычисленияфизических параметров атмосферы и ионосферы. “Formosat-3” (NSPO, China-Taiwan): 6 микроспутников (m=69 кг). Орбиты: H=800 км, i=72 ° Запущены в апреле 2006 г. Мониторинг физических параметров: - в нижней атмосфере на высотах – 1…35 km с вертикальным разрешением 100 - 600 м; - в ионосфере на высотах – 90…400 км с вертикальным разрешением – 800 м Погрешность измер. температуры – 0,2-1 К (до 30 км), 2-8 К (выше 35 км) До 2500 зондирований в день вглобальноммасштабе OceanSAT-2 (с 2009 г.) имеет в составе БА РЗЗА «ROSA» на сигналы GPS и ГЛОНАСС CanX-2 (с 2008 г.) – наноспутник массой 3,5 кг с БА РЗЗА на сигналы GPS

4. Мониторинг условий связи в околоземном пространстве и ионосферных параметров с помощью сигналов навигационных спутников • Изучение воздействия процессов в магнитосфере и ионосфере на высокостабильные сигналы навигационных спутников • Изучение распределения спорадических плазменных слоев в глобальном масштабе и выявление механизма их образования • Изучение вертикальных профилей электронной концентрации и их связи с солнечной активностью, антропогенным воздействием и влиянием сейсмической активности • Пять типов ионосферного воздействия на GPS сигналы : • спокойная ионосфера, • изолированные квазирегулярные вспышки (возможен вклад наклонных спорадических Е-слоев), • квазипериодические изменения амплитуды и фазы (волновые структуры в электронной концентрации), • дифракционные явления • явления с шумовым вкладом ионосферных возмущений

5. Определение высоты, наклона и положения слоев при дистанционном радио зондировании на трассе спутник-спутник. (Liou and Pavelyev, GRL, 2006; Pavelyev et al., JGR, 2007;Павельев и др., Радиофизика 2008; 2009; GRL, 2009; GPS Solutions, 2010).

6. Определение высоты спорадического слоя слоя и его смещения от перигея по данным измерений на первой частоте системы GPS F1 Определение высоты спорадического слоя слоя и его смещения от перигея по данным измерений на первой частоте системы GPS F1

7. Результаты глобального мониторинга спорадических образований нижней ионосферы Земли с использованием радиотрасс спутник-спутник. Исследовалось географическое и сезонное распределение спорадических слоев в нижней ионосфере Земли в зависимости от солнечной активности в течение периода 2002-2008 годов. Исследования проводились методом анализа амплитудных и фазовых составляющих радиоголограмм, полученных в ходе радиозатменных миссий CHAMP, FORMOSAT-3 путем регистрации высокостабильных сигналов навигационной системы GPS на трассах спутник-спутник. Наблюдалось географическое и сезонное распределение спорадических слоев, полученное с высоким пространственным и временным разрешением. Разработана методика глобального мониторинга спорадических образований нижней ионосферы. Получены данные о статистике появлений спорадических ионосферных образований в экваториальных, среднеширотных и полярных областях для условий дня и ночи. Получены карты географического распределения интенсивных ЕS–структур. Установлена устойчивая связь между приходом к Земле ударной волны солнечного ветра, возрастанием интенсивности мелкомасштабных неоднородностей плазмы и появлением интенсивных спорадических образований в нижней ночной высокоширотной ионосфере. В высоких широтах в ночной ионосфере интенсивные спорадические структуры связаны с воздействием ударных волн солнечного ветра. В полярных районах индекс S4 в течение 2001-2008 гг. постепенно снижался от 10% до 7%, что указывает на постепенное ослабление интенсивности ударных волн по мере приближения к минимуму солнечной активности. Усредненный по всему земному шару индекс S4 практически не менялся. Разработанный метод позволил выяснить связь следующих явлений: приход ударной волны солнечного ветра – высыпание из радиационного пояса энергичных частиц – возбуждение неоднородностей плазмы в F области ионосферы – появление интенсивных спорадических структур в нижней ночной ионосфере.

8. Географическое распределение спорадических слоев в 2008 – 2009 гг. по данным FORMOSAT-3(Wickert et al., 2009) Вариации интенсивности радиозатменного сигнала описываются индексом S, где <> - среднее значение, соответствующее высотам h(T)большим 40 км, I(t)– интенсивность радиозатменного сигнала.

9. Зависимость интегральной электронной концентрации в околоземном пространстве от солнечной активности (количества пятен и ультрафиолетового излучения) по данным Афраймович, 2004, Wickert, 2010, Hocke 2009

10. Зависимость усредненного индекса S4 от времени в период 2001-2008 гг. по данным спутника CHAMP Кривые 1-3 соответствуют: 1 - усредненному по всему земному шару индексу S4; 2 - усредненному по умеренным и экваториальным широтам (широта <55) индексу S4; 3 - усредненному по полярным районам (широта >55) индексу S4. Кривые 1,2 соответствуют: 1 - усредненному по земному шару индексу S4, местное дневное время от 08 до 20 ч; 2 - усредненному по земному шару индексу S4, местное ночное время от 20 до 08 часов Криввые 3 и 4 –полиномиальная аппроксимация Кривые 1-3 соответствуют: 1 - усредненному по всему земному шару индексу S4; 2 - усредненному по экваториальным районам (широта <30) индексу S4; 3 - усредненному по умеренным и полярным широтам (широта >30) индексу S4.

11. Спектр вариаций рентгеновского излучения и интегральной электронной концентрации по данным Hocke, JGR, 2009

12. Временная зависимость характеристик солнечного ветра и геомагнитной активности в период с 24 по 27 сентября и с 05 по 08 ноября 2001 года.

13. Карты распределения интенсивных ионосферных событий с индексом S4,большим, чем 12%, в период октябрь 2001 (левая верхняя панель), октябрь 2002 (правая верхняя панель), октябрь 2003 (левая нижняя панель), и апрель 2004 (правая нижняя панель)

14. Сезонная зависимость глобального распределения РЗ событий CHAMP с величиной индекса S4, большим, чем 0.12) в период 14 мая - 14 июля, 2001, (левая верхняя панель), ноябрь-декабрь 2001 (правая верхняя панель), 28 октября – 26 ноября 2003 (левая нижняя панель), апрель 2004 года (правая нижняя панель)

15. Глобальное распределение РЗ событий FORMOSAT-3 в период 01, 11 и 12 июня 2007 года

16. Глобальное распределение РЗ событий FORMOSAT-3 с индексом S4, большим 12%, в период 01, 11 и 12 июня 2007 года

17. Глобальное распределение РЗ событий FORMOSAT-3 с индексом S4, большим 24%, в период 01, 11 и 12 июня 2007 года

18. Выводы I. Преимуществами радиозатменного метода являются: (1) возможность разделения вклада слоев и турбулентных неоднородностей в радиозатменный сигнал (2) возможность определения положения и наклона спорадических слоев путем совместного анализа фазовых и амплитудных вариаций затменного сигнала. II. Показано, что амплитудные вариации радиозатменного сигнала, а также число интенсивных спорадических ионосферных слоев и интегральное электронное содержание связано с солнечной активностью. Выявлена связь амплитудных вариаций радиозатменного сигнала с воздействием ударных волн, вызванных взаимодействием солнечного ветра с магнитосферой и ионосферой Земли. III. Карты географического и сезонного распределения амплитудных вариаций радиозатменного сигнала с высокими значениями индекса S4, относящиеся к периоду 2001-2007 годов, показывают зависимость от уровня солнечной активности.

19. Acknowledgments We are grateful to NSPO (Taiwan), UCAR (USA) and GFZ-Potsdam (Germany) for access to the GPS/MET, CHAMP, and FORMOSAT-3 RO data. The work has been partly supported by Russian Foundation for Basic Researches (RFBR) grant No. 10-02-01015 and program OFN-YI.

20. Thank you for your attention!