Сезонная особенность появления транзиентного Es-слоя на ионограммах вертикального зондирования
|
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ES СЛОЯХ И МЕТЕОРАХ 6
1.1. Строение атмосферы Земли 6
1.2. Строение ионосферы Земли 8
1.3. Методы исследования ионосферы. Вертикальное зондирование 11
1.4. Краткие сведения о метеорах 13
1.4.1. Суточная и сезонная вариации численности метеоров 16
1.5. Краткие сведения о Ез слое 18
1.5.1. Суточная и сезонная вариации долгоживущего Es слоя 21
1.5.2. Теория ветрового сдвига 22
1.6. Гипотеза, объясняющая сезонные зависимости долгоживущих Ез на
основе метеорных потоков 26
1.7. Выводы 28
ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ СЕЗОННОГО ПОЯВЛЕНИЯ
ТРАНЗИЕНТНОГО СЛОЯ ES ПО ДАННЫМ ИОНОЗОНДА В Г. КАЗАНИ 33
2.1. Метод интерактивного выделения транзиентных Es на ионограммах . 33
2.2. Закономерности транзиентного Es, полученные методом А-карт 37
2.2.1. Метод построения А-карт 37
2.2.2. Параметры транзиентного Es по результатам обработки А-карт .. 39
2.3. Выводы 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 48
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 50
СПИСОК ДОКЛАДОВ 51
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ES СЛОЯХ И МЕТЕОРАХ 6
1.1. Строение атмосферы Земли 6
1.2. Строение ионосферы Земли 8
1.3. Методы исследования ионосферы. Вертикальное зондирование 11
1.4. Краткие сведения о метеорах 13
1.4.1. Суточная и сезонная вариации численности метеоров 16
1.5. Краткие сведения о Ез слое 18
1.5.1. Суточная и сезонная вариации долгоживущего Es слоя 21
1.5.2. Теория ветрового сдвига 22
1.6. Гипотеза, объясняющая сезонные зависимости долгоживущих Ез на
основе метеорных потоков 26
1.7. Выводы 28
ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ СЕЗОННОГО ПОЯВЛЕНИЯ
ТРАНЗИЕНТНОГО СЛОЯ ES ПО ДАННЫМ ИОНОЗОНДА В Г. КАЗАНИ 33
2.1. Метод интерактивного выделения транзиентных Es на ионограммах . 33
2.2. Закономерности транзиентного Es, полученные методом А-карт 37
2.2.1. Метод построения А-карт 37
2.2.2. Параметры транзиентного Es по результатам обработки А-карт .. 39
2.3. Выводы 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 48
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 50
СПИСОК ДОКЛАДОВ 51
Ионосфера, в общем значении - это слой атмосферы планеты, сильно ионизированный вследствие облучения космическими лучами. У планеты Земля - это верхняя часть атмосферы, состоящая из мезосферы, мезопаузы и термосферы, главным образом ионизированная облучением Солнца.
Ионосфера Земли состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул и квазинейтральной плазмы. Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров. В области D (60 - 90 км) концентрация заряженных частиц составляет Nmax ~ 102-103 см-3. Слой D также характеризуется резким снижением степени ионизации в ночное время суток.
Так же ионосфера является важным слоем Земли который влияет на распространение радиосвязи. На ней отражается много явлений связанных с Солнцем, с явлением происходящими в земной коре и они могут существен¬но влиять на радиосвязь. В связи с этим построено много моделей ионосферы которые учитывают в основном глобальные параметры. Поэтому актуально исследовать те параметры, которые не учитываются в общих моделях и которые могут влиять на радиосвязь.
Одним из наименее исследованных ионосферных слоев является Б8(спорадический слой Е). В отличие от других слоев ионосферы Es очень тонкий, его толщина составляет всего несколько сотен метров при этом он очень плотный концентрация электронов в нем составляет до 1012 м-3.
Принято считать, что основная теорией, объясняющей появление спорадического слоя E, является теория ветрового сдвига, которая подразумевает (включает) наличие и перемещение конвергирующих узлов приливного ветра через высотную область, наиболее частого появления Es (100-140 км). Такой подход удовлетворительно объясняет относительно мало интенсивные Es слои постоянно наблюдаемые, например, с помощью радара некогерентного рассеивания [1]. Однако появление интенсивных слоев, следуя своему
названию, имеют спорадических характер, и такая изменчивость не может быть объяснена действием только приливных волн. Другим появлением несоответствия теории ветрового сдвига является появление так называемых транзиентных Es слоев [2]. Отличительной особенностью данного следа является: резкое появление с высокой критической частотой (>5МГц), постоянная высота, слабая амплитуда, полупрозрачность всего следа и короткое время жизни [3].
В [16], был предложен метод исследования транзиентных Es-слоев на основе сводных карт состояния ионосферы , такой метод имеет ограничения, а именно не дает но он не дает полной картины количественных и качественных параметров слоя и возможны ошибки.
Различные исследователи применяли различные термины для такого спонтанного Es, начиная от meteor echo, meteor induced Es, спонтанно образованные спорадические Es патчи следствию френелевского рассеивания от области повышенной плазменной плотности вдоль метеорного следа, transitory Es и заканчивая транзиентный Es. Поскольку термин транзиентный Es в отечественной литературе является неустойчивым, чтобы не было путаницы мы будем придерживаться этого термина. Так как метеорные следы по какому-то параметру не полностью удовлетворяют этому термину, будем описывать свойства транзиентного Es исходя из свойств на ионограмме, а не из физики его происхождения.
Исследование транзиентного Es выполнялись японскими учеными, ко¬гда ионозонд работал в одноминутном режиме во время крупных метеорных потоков. Отличительной особенностью представленных результатов является высокая многочисленность транзиентного Es со средним значением 2000 шт/за 102ч [2]. Часть следов они связывают с метеорами, когда foEs>8MHz. Но кроме них наблюдались низкочастотные транзиентные Es с 5MHz
Цель данной работы:
Выявить особенности сезонных появлений транзиентного слоя Es.
Задачи работы:
• Реализовать и сравнить исследования транзиентного слоя Es по данным вертикального зондирования ионосферы с помощью ионозонда «Циклон» двумя методами: 1) интерактивной обработке ионограмм; 2) интерактивной обработке сводных карт ионосферы;
• Разработать программу по обработке ионограмм для определения параметров транзиентного слоя Es в диалоговом режиме;
• Разработать программу по обработке А-карт для определения параметров транзиентного слоя Es;
• Выявить особенности сезонного появления транзиентного слоя Es, полученные по данным вертикальным зондированием ионосферы в городе Казани ионозондом «Циклон» за 2013 год;
• сравнить результаты статистики появления транзиентного Es методоми обработки ионограмм и А-карт;
• сравнить полученные параметры транзиентного слоя Es за 2013 год с метеорной активностью с целью проверки гипотезы о метеорном происхождении слоя Es.
Ионосфера Земли состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул и квазинейтральной плазмы. Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров. В области D (60 - 90 км) концентрация заряженных частиц составляет Nmax ~ 102-103 см-3. Слой D также характеризуется резким снижением степени ионизации в ночное время суток.
Так же ионосфера является важным слоем Земли который влияет на распространение радиосвязи. На ней отражается много явлений связанных с Солнцем, с явлением происходящими в земной коре и они могут существен¬но влиять на радиосвязь. В связи с этим построено много моделей ионосферы которые учитывают в основном глобальные параметры. Поэтому актуально исследовать те параметры, которые не учитываются в общих моделях и которые могут влиять на радиосвязь.
Одним из наименее исследованных ионосферных слоев является Б8(спорадический слой Е). В отличие от других слоев ионосферы Es очень тонкий, его толщина составляет всего несколько сотен метров при этом он очень плотный концентрация электронов в нем составляет до 1012 м-3.
Принято считать, что основная теорией, объясняющей появление спорадического слоя E, является теория ветрового сдвига, которая подразумевает (включает) наличие и перемещение конвергирующих узлов приливного ветра через высотную область, наиболее частого появления Es (100-140 км). Такой подход удовлетворительно объясняет относительно мало интенсивные Es слои постоянно наблюдаемые, например, с помощью радара некогерентного рассеивания [1]. Однако появление интенсивных слоев, следуя своему
названию, имеют спорадических характер, и такая изменчивость не может быть объяснена действием только приливных волн. Другим появлением несоответствия теории ветрового сдвига является появление так называемых транзиентных Es слоев [2]. Отличительной особенностью данного следа является: резкое появление с высокой критической частотой (>5МГц), постоянная высота, слабая амплитуда, полупрозрачность всего следа и короткое время жизни [3].
В [16], был предложен метод исследования транзиентных Es-слоев на основе сводных карт состояния ионосферы , такой метод имеет ограничения, а именно не дает но он не дает полной картины количественных и качественных параметров слоя и возможны ошибки.
Различные исследователи применяли различные термины для такого спонтанного Es, начиная от meteor echo, meteor induced Es, спонтанно образованные спорадические Es патчи следствию френелевского рассеивания от области повышенной плазменной плотности вдоль метеорного следа, transitory Es и заканчивая транзиентный Es. Поскольку термин транзиентный Es в отечественной литературе является неустойчивым, чтобы не было путаницы мы будем придерживаться этого термина. Так как метеорные следы по какому-то параметру не полностью удовлетворяют этому термину, будем описывать свойства транзиентного Es исходя из свойств на ионограмме, а не из физики его происхождения.
Исследование транзиентного Es выполнялись японскими учеными, ко¬гда ионозонд работал в одноминутном режиме во время крупных метеорных потоков. Отличительной особенностью представленных результатов является высокая многочисленность транзиентного Es со средним значением 2000 шт/за 102ч [2]. Часть следов они связывают с метеорами, когда foEs>8MHz. Но кроме них наблюдались низкочастотные транзиентные Es с 5MHz
Цель данной работы:
Выявить особенности сезонных появлений транзиентного слоя Es.
Задачи работы:
• Реализовать и сравнить исследования транзиентного слоя Es по данным вертикального зондирования ионосферы с помощью ионозонда «Циклон» двумя методами: 1) интерактивной обработке ионограмм; 2) интерактивной обработке сводных карт ионосферы;
• Разработать программу по обработке ионограмм для определения параметров транзиентного слоя Es в диалоговом режиме;
• Разработать программу по обработке А-карт для определения параметров транзиентного слоя Es;
• Выявить особенности сезонного появления транзиентного слоя Es, полученные по данным вертикальным зондированием ионосферы в городе Казани ионозондом «Циклон» за 2013 год;
• сравнить результаты статистики появления транзиентного Es методоми обработки ионограмм и А-карт;
• сравнить полученные параметры транзиентного слоя Es за 2013 год с метеорной активностью с целью проверки гипотезы о метеорном происхождении слоя Es.
В ходе выполнения работы были получены следующие результаты.
• Реализованы два метода исследования транзиентного слоя Es по данным вертикального зондирования ионосферы с помощью ионозонда «Циклон».
• Разработана программа по обработке ионограмм для определения параметров транзиентного слоя Es в диалоговом режиме. С помощью этого алгоритма было обработано порядка 185 тысяч ионограмм, со¬бранных за 128 дней 2013 года. Было найдено более порядка 1200 по¬явлений транзиентного Es-слоя. Программа позволяет определить та¬кие параметры как высота, частота, амплитуда, время и дату появления слоя Es. Данные за сутки обрабатываются более двух часов.
• Разработана программа по обработке А-карт для определения параметров транзиентного слоя Es, таких как высота, амплитуда, время и дата появления Es-слоя. С помощью этого алгоритма было обработано 315 дней 2013 года и выявлено порядка 400 появлений транзиентного слоя Es. Время обработки данных ионозонда за одни сутки с помощью этого алгоритма занимает около пятнадцати минут реального времени.
• По результатам исследований двух методов был выбран метод A-карт, потому что сходимость с обработкой ионограмм достаточно хорошая и с помощью него гораздо быстрее обрабатываются ионограммы, но к недостаткам метода можно отнести точность в количественных и качественных показателях. Данная разработка может найти применение в задачах, связанных с обработкой больших объемов редко изменяющихся данных с которыми работает одновременно большое количество пользователей.
• Были выявлены особенности сезонного появления транзиентного слоя Es, полученные по данным вертикальным зондированием ионосферы в городе Казани ионозондом «Циклон» за 2013 год. Максимумы частоты обнаружения транзиентного слоя Es на ионограммах вертикального зондирования наблюдаются с 1 по 3 января, с 20 мая по 28 мая и с 15 июля по 3 августа 2013 года, Квадрантиды. Эта-аквариды и Персеиды соответственно. Обнаружена зависимость появления от времени суток, транзиентный Es появляется с 4 до 11 часов утра. Получены гистограммы эмпирического распределения высоты появления транзиентного Es. Высота обнаружения меняется от 90 до 130 километров с максимумом распределения 100-120 километров.
• Было проведено сравнение полученных параметров транзиентного слоя Es за 2013 год с метеорной активностью с целью проверки гипотезы о метеорном происхождении слоя Es. Высотная и сезонная зависимость времени появления подтверждает гипотезу о метеорном происхождении транзиентного слоя Es.
• Реализованы два метода исследования транзиентного слоя Es по данным вертикального зондирования ионосферы с помощью ионозонда «Циклон».
• Разработана программа по обработке ионограмм для определения параметров транзиентного слоя Es в диалоговом режиме. С помощью этого алгоритма было обработано порядка 185 тысяч ионограмм, со¬бранных за 128 дней 2013 года. Было найдено более порядка 1200 по¬явлений транзиентного Es-слоя. Программа позволяет определить та¬кие параметры как высота, частота, амплитуда, время и дату появления слоя Es. Данные за сутки обрабатываются более двух часов.
• Разработана программа по обработке А-карт для определения параметров транзиентного слоя Es, таких как высота, амплитуда, время и дата появления Es-слоя. С помощью этого алгоритма было обработано 315 дней 2013 года и выявлено порядка 400 появлений транзиентного слоя Es. Время обработки данных ионозонда за одни сутки с помощью этого алгоритма занимает около пятнадцати минут реального времени.
• По результатам исследований двух методов был выбран метод A-карт, потому что сходимость с обработкой ионограмм достаточно хорошая и с помощью него гораздо быстрее обрабатываются ионограммы, но к недостаткам метода можно отнести точность в количественных и качественных показателях. Данная разработка может найти применение в задачах, связанных с обработкой больших объемов редко изменяющихся данных с которыми работает одновременно большое количество пользователей.
• Были выявлены особенности сезонного появления транзиентного слоя Es, полученные по данным вертикальным зондированием ионосферы в городе Казани ионозондом «Циклон» за 2013 год. Максимумы частоты обнаружения транзиентного слоя Es на ионограммах вертикального зондирования наблюдаются с 1 по 3 января, с 20 мая по 28 мая и с 15 июля по 3 августа 2013 года, Квадрантиды. Эта-аквариды и Персеиды соответственно. Обнаружена зависимость появления от времени суток, транзиентный Es появляется с 4 до 11 часов утра. Получены гистограммы эмпирического распределения высоты появления транзиентного Es. Высота обнаружения меняется от 90 до 130 километров с максимумом распределения 100-120 километров.
• Было проведено сравнение полученных параметров транзиентного слоя Es за 2013 год с метеорной активностью с целью проверки гипотезы о метеорном происхождении слоя Es. Высотная и сезонная зависимость времени появления подтверждает гипотезу о метеорном происхождении транзиентного слоя Es.