Исследование пространственно-временной структуры и динамики атмосферы томографическими методамиНИР

Studying the spatiotemporal structure and dynamics of the atmosphere by tomographic methods

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
11 1 января 2014 г.-31 января 2014 г. Исследование пространственно-временной структуры и динамики атмосферы томографическими методами
Результаты этапа: 1. Развитие методов радиотомографии ионосферы. Исследования структуры и динамики ионосферы методами спутниковой радиотомографии и дистанционного зондирования. 1.1. Выполнены исследования структуры распределения ионосферной электронной плотности в текущей фазе максимума 24-го солнечного цикла. С использованием методов высокоорбитальной и низкоорбитальной радиотомографии проведены реконструкции структуры ионосферы над территорией России и Аляски. Путем сопоставления полученных РТ данных с результатами независимых измерений и модельными распределениями, исследуются особенности структуры и динамики ионосферной плазмы в разных областях земного шара. 1.2. По результатам реконструкции структуры ионосферы методами высокоорбитальной и низкоорбитальной спутниковой радиотомографии выполнены исследования перемещающихся ионосферных возмущений. Выявлены волновые структуры ПИВ, проведены оценки их пространственно-временных масштабов. 1.3. Выполнены измерения радиосигналов высокоорбитальных и низкоорбитальных спутников во время экспериментов по разогреву среднеширотной ионосферы нагревной установкой СУРА в Нижегородской области. Проведена обработка и анализ данных с использованием спектральных и вейвлет-методов. Исследована возможность генерации акусто-гравитационных волн при воздействии мощного КВ радиоизлучения О-поляризации с частотой несколько ниже критической частоты слоя F2 и модуляцией мощности с частотой меньше порядка частоты Брента-Вяйселя нейтральной атмосферы на ионосферных высотах. 1.4. Показана возможность использования двухчастотных когерентных сигналов L1/L5 геостационарных спутников систем дифференциальной коррекции SBAS для длительного непрерывного мониторинга ТЕС в ионосфере с учетом вклада плазмосферы и пространственных градиентов распределения электронной концентрации. 1.5. Проведен комплексный геофизический полевой эксперимент по измерениям радиосигналов низкоорбитальных и высокоорбитальных (в. т.ч. геостационарных) спутников в различных широтно-долготных областях России (Москва и Московская область, Нижегородская область, юг и северо-запад России). Получены новые экспериментальные данные для исследования структуры и динамики ионосферы на нынешней фазе максимума 24-го солнечного цикла, характеризующегося аномально низкой активностью. Выполнена систематизация и проведен предварительный анализ полученных данных. 2. Численные методы теории переноса излучения. 2.1. Исследованы поля интенсивности и поляризации теплового радиоизлучения дождевых осадков в диапазоне миллиметровых волн. Вычислены радиационные характеристики дождя различной интенсивности. Проведено численное моделирование переноса теплового радиоизлучения в дождевой ячейке. Показана принципиальная роль неоднородной ячеистой структуры реальных дождевых осадков в формировании углового и пространственного распределения интенсивности и поляризации теплового радиоизлучения. 2.2. Проведен цикл исследований по глубинному радиозондированию ледяных спутников Юпитера методами радиолокации и корреляционной рефлектометрии. 3. Исследование волновых процессов в ионосфере методами радиотомографии и дистанционного зондирования. 3.1. Разработана методика оценки амплитуды колебательной скорости волновых возмущений в ионосфере по совместным данным GPS-интерферометрии и вертикального зондирования, которая позволяет получать важные для моделирования параметры возмущений в ионосфере и ОКП. 3.2. Выполнены исследования по изучению влияния мегаполиса на режим генерации акусто-гравитационных волн на примере г. Москвы.
12 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Исследование пространственно-временной структуры и динамики атмосферы томографическими методами
Результаты этапа: 1.1. Развитие методов радиотомографии ионосферы. Исследования структуры и динамики ионосферы методами спутниковой радиотомографии и дистанционного зондирования. Выполнены радиотомографические исследования особенностей распределения ионосферной плазмы в различных широтно-долготных областях мира в сравнении с данными для других солнечных циклов с использованием данных моделирования, радарных и спутниковых данных. Проведены исследования отклика среднеширотной ионосферы на искусственные воздействия на базе анализа измерений радиосигналов высокоорбитальных и низкоорбитальных спутников. Разработаны подходы к использованию сигналов L1/L5 геостационарных спутников систем дифференциальной коррекции SBAS для исследований полного электронного содержания ионосферы (TEC). 1.2. Численные методы теории переноса излучения. Выполнены исследования поляризации теплового излучения атмосферных осадков в миллиметровом диапазоне волн. Проведено численное моделирование полей теплового радиоизлучения дождевой атмосферы с учетом ее трехмерно-неоднородной ячеистой структуры. Проведен анализ слабой локализации волн в случайно-неоднородных средах. 1.3. Исследование волновых процессов в ионосфере методами радиотомографии и дистанционного зондирования. Проводились исследования ионосферных возмущений на различных широтах, вызванных процессами в атмосфере и околоземном космосе по данным наземной сети GPS/ГЛОНАСС и станций ионозондов. Разработана методика оценки вероятности сбоев инструментальных (коды и фазы) и исследовательских (восстановленный ПЭС) параметров глобальных навигационных систем в условиях различной космической погоды (ионосферные возмущения, магнитные бури, пульсации и т.д.). На примере GNSS GPS выполнены количественные оценки вероятности возникновения сбоев в высоких широтах в период максимума солнечной активности 24 цикла.
13 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Исследование пространственно-временной структуры и динамики атмосферы томографическими методами
Результаты этапа:
14 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Исследование пространственно-временной структуры и динамики атмосферы томографическими методами
Результаты этапа:
15 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Исследование пространственно-временной структуры и динамики атмосферы томографическими методами
Результаты этапа: Получены новые данные спутникового радиопросвечивания ионосферы сигналами существующих и перспективных спутниковых систем. Расширена коллекция первичных данных и построенных на их основе пространственно-временных распределений ионосферной электронной плотности. Проведен анализ наблюдающихся структур с привлечением дополнительных геофизических данных Развиты ранее предложенные авторские подходы, методики и алгоритмы оценки степени возмущенности ионосферы по данным спутникового радиопросвечивания. Рассчитаны радиотомографические и волновые индикаторы степени возмущенности ионосферы. Выявлены типы индексов, наиболее чувствительные к наличию связи между вариациями ионосферной электронной концентрации и геомагнитными возмущениями. Разработаны методы спутниковой УФ-томографии объемной скорости эмиссии OI 1356нм в ночной приэкваториальной ионосфере, создано соответствующее программное обеспечение, реализующее алгоритмы ART/SIRT. Проведено численное моделирование прямой и обратной задачи УФ-томографии для реальной геометрии экспериментов на спутниках DMSP F17. Проведены оценки разрешающей способности разработанных методов и точности реконструкций в сравнении с традиционными методами спутниковой радиотомографии ионосферы. Разработана численная модель распространения КВ радиоволн в ионосфере, основанная на решении бихарактеристической системы для уравнения эйконала с геомагнитным полем, задаваемым по модели WMM/IGRF, и распределением электронной концентрации согласно данным радиотомографии. Модель программно реализована в виде набора скриптов на языке Python. На основе данных радиотомографии проведено моделирование распространения КВ радиоволн в периоды сильнейших геомагнитных бурь и в экспериментах по активному воздействию на ионосферу на стенде Сура. Установлено возникновение в области диаграммы направленности нагревного стенда волнового канала, обеспечивающего трансионосферное распространение мощной КВ-радиоволны накачки. Реализована компьютерная модель разорванной облачности Планка для численного моделирования экспериментов по микроволновой радиометрии, в том числе с летательных и космических аппаратов. Проведены расчеты радиояркостных температур и сравнения с экспериментальными данными радиометрического мониторинга облачности в миллиметровом диапазоне длин волн (ФИРЭ, Фрязино). Проведено исследование возможностей микроволновой радиометрии ледяных спутников Юпитера с космических аппаратов, с оценкой физических параметров поверхностного слоя. Проведено численное моделирование распространения узких импульсных пучков поляризованного лазерного излучения в тонких облачных слоях. Создана методика анализа качества результатов радиозатменных экспериментов в атмосфере Земли в различных гео- гелиофизических условиях. Проведен анализ влияния тропических циклонов и внетропических циклонов и антициклонов на статистику эмпирически установленных "сбоев" или ошибок восстановления профилей метеопараметров из радиозатменных экспериментов миссии COSMIC в течение всего 2014 г Разработаны критерии автоматического программного выделения TCV в данных о флуктуациях ионосферного ПЭС на основе известных характеристик соответствующих физических процессов в ионосфере. Впервые (совместно с ИКИ РАН) проведено уникальное сравнение оптической эмиссии кислорода (630nm, камера всего неба), данных магнетометров и частоты сбоев сигналов GPS во время суббури 23.12.2014. Показано, что сбои в основном связаны с утренним высыпанием частиц во время геомагнитных суббурь в полярной ионосфере, причем максимум сбоев наблюдается во время фазы восстановления утренней суббури. Разработаны методики и проведена оценка влияния крупных атмосферных процессов на ионосферу на примере тропических тайфунов VongFong и Hagupit (2014 г.) с использованием данных трехспутниковой низкоорбитальной группировки SWARM. Оценены характерные величины, локализация и пространственно-временные характеристики ионосферного отклика на конкретные крупные тропические циклоны. С помощью метода радиоинтерферометрии с использованием навигационных сигналов GPS исследованы перемещающиеся ионосферные неоднородности, сгенерированные большой городской агломерацией. Разработана методика выделения структур от других более слабых источников.на фоне Московского мегаполиса.
16 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Исследование пространственно-временной структуры и динамики атмосферы томографическими методами
Результаты этапа: 1. Получены новые массивы первичных данных спутникового радиопросвечивания верхней атмосферы--ионосферы сигналами спутниковых радиомаяков, в том числе навигационных GPS/ГЛОННАС/Galileo/BeiDou и исследовательских ePOP/Cassiope. Получены массивы пространственно-временных распределений электронной плотности в ионосфере при разных условиях гелиогеофизической возмущенности в текущей фазе минимума солнечной активности. Проведено исследование ионосферного отклика на последовательность сильнейших солнечных вспышек X-класса сентября 2017г и его влияния на КВ радиосвязь и функционирование систем спутниковой навигации. На основе полученных данных радиопросвечивания сигналами геостационарных спутников систем Beidou и QZSS разработаны и программно реализованы методы интерферометрии (на основе метода подобных замираний) и картирования среднемасштабных (СМ) перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) на плотных сетях приемников AGRN (Австралия) и GEONET (Япония). Разработан новый индекс возмущенности приэкваториальной ионосферы GEO ROTI, основанный на данных радиопросвечивания сигналами геостационарных спутников систем Beidou и QZSS. Данный индекс корректно разделяет пространственную и временную изменчивость ионосферы за счёт неподвижности подионосферных точек геостационарных спутников. С использованием разработанных методов диагностики СМ ПИВ и ионосферной возмущенности проведен анализ сезонных вариаций распределения СМ ПИВ по скоростям и направлениям, а также сезонной изменчивости частоты наблюдения экваториальных плазменных пузырей в долготном секторе Юго-Восточной Азии--Австралии. Реализованы в виде комплекса программ методы численного моделирования лучевых траекторий КВ радиоволн, а также ионограмм ВЗ и СНЗ на основе данных радиотомографии. Исследованы особенности формирования лучевых траекторий и дополнительных серповидных следов на ионограммах в присутствии естественных и искусственных ионосферных неоднородностей, в частности АГВ/ПИВ распространяющихся от авроральной области, а также вызванных стартами ракетоносителей, мощными промышленными взрывами и КВ нагревом ионосферы. 2. Проведен цикл исследований по разработке техники дистанционного зондирования галилеевых спутников Юпитера. Проведены обширные численные расчеты радиационных полей теплового излучения поверхности галилеевых спутников в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Показана возможность оценки физических параметров поверхности по данным зондирования. Указана связь исследуемых физических свойств с геологическими моделями строения галилеевых спутников. По результатам полученных исследований установлена возможность оценки физических свойств ледяной коры галилеевых спутников Юпитера в различных диапазонах глубин. Практически по результатам численного моделирования сформулирован прогноз на результаты исследований в рамках космических экспериментов, в настоящее время планируемых российскими и зарубежными исследовательскими организациями. Проведены исследования распространения импульсов поляризованного лазерного излучения в тонких облачных слоях. Исследованы структурные особенности нестационарного поля интенсивности излучения в среде. Построена структурная модель светового поля, объясняющая наблюдаемые в экспериментах распределения интенсивности. Результаты опубликованы в отечественных и зарубежных научных периодических изданиях. 3. Продолжены исследования волновых процессов в ионосфере с использованием различных радиофизических (контактных и дистанционных) методов. По данным GPS/ГЛОНАСС получены зависимости динамики и параметров ионосферного отклика на явление TCV. Разработаны комплексные методы повышения надежности обработки и анализа на базе автоматической совместной обработки данных об ионосферных возмущениях (определяемых по данным ПЭС) и регистрируемых на земле вариациях магнитного поля. Выполнены исследования первичной статистики проявления и параметров TCV в ионосфере Земли. С использованием данных ленгмюровских зондов, установленных на спутниках системы SWARM, и разработанных оригинальныэх методик их пространственно-временной обработки выявлен ионосферный волноподобный отклик на атмосферные события тропических циклонов 2014г. Созданы методики обработки данных, проведены уникальные исследования и получены важные результаты определения волновых и волноподобных процессов в ионосфере с использованием различных радиофизических (контактных и дистанционных) методов.
17 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Исследование пространственно-временной структуры и динамики атмосферы томографическими методами
Результаты этапа: 1. Получены массивы новых первичных данных спутникового радиопросвечивания верхней атмосферы--ионосферы сигналами спутниковых радиомаяков, включая спутники GPS/ГЛОНАСС/Galileo/Beidou и специализированные геофизические ePOP/CASSIOPE. Развиваются и усовершенствованы методы получения пространственно-временных распределений электронной концентрации в ионосфере с учетом особенностей используемых типов данных. Получены пространственно-временные распределения электронной плотности в ионосфере при разных условиях гелиогеофизической возмущенности. Разработан и реализован метод картирования глобальных распределений полного электронного содержания TEC на основе GNSS данных сети IGS с использованием двухслойной модели и разложения по глобальному базису сферических гармоник. Проведено тестирование метода в сравнении с данными других ионосферных карт и с данными оценки вертикального TEC на одиночных GNSS-приемниках. На основе полученного массива РТ реконструкций глобальных пространственно-временных распределений TEC в ионосфере исследованы особенности изменчивости положения минимума главного ионосферного провала (ГИП) в Северном полушарии в зависимости от гелиогеофизических условий. Построена эмпирическая модель положения минимума провала. Разработана процедура выделения ГИП с использованием методов математической морфологии. Получено, что основными параметрами, описывающими положение минимума ГИП в Северном полушарии в рамках рассматриваемого месяца являются MLT, F10.7 и Kp. Разработанная модель способна описывать основные закономерности вариаций положения минимума провала, хорошо согласуется с одной из лучших в настоящее время эмпирических моделей положения провала SM-MIT и может быть улучшена с развитием приемных сетей GNSS в высоких широтах и совершенствованием алгоритмов реконструкции распределения электронной концентрации в плане повышения разрешающей способности. Выполнено численное моделирование радиотомографических экспериментов с использованием низкоорбитальных спутников с наклонением менее 55 градусов на примере МКС. Определена оптимальная геометрия наземной приемной сети. Рассмотрены варианты размещения приемных пунктов по линии Воронеж—Саратов—Оренбург, Кызыл—Улан-Удэ (или Иркутск)—Чита и Москва—Нижний Новгород—Казань—Уфа и далее на восток. выполнены оценки возможной разрешающей способности и ошибок РТ реконструкции поля электронной плотности для типичных ионосферных структур. Проведено численное моделирование задачи УФ-томографии скорости объемной эмиссии OI 135.6 нм в ночной ионосфере с учетом поглощения УФ излучения молекулярным кислородом для типичной геометрии экспериментов по УФ спектрометрии на спутниках DMSP и типичных режимов работы спектрометров SSUSI/SSULI. Показана эффективность итерационных алгоритмов семейства ART для восстановления распределения скорости объемной эмиссии. Выполнен анализ влияния геометрии системы лучей и учета поглощения О2 на результаты решения задачи УФ томографии. Получены новые данные радиопросвечивания авроральной ионосферы со спутника ePOP/CASSIOPE, проведены оценки параметров амплитудных мерцаний и фазовых флуктуаций сигналов 150/400/1066МГц. Показано, что использование радиомаяков на низких полярных орбитах позволяет наблюдать эффект ракурсного усиления мерцаний в гигагерцовом диапазоне при направлениях просвечивания, близких к направлению геомагнитного поля. Полученные результаты открывают возможность исследования параметров анизотропии сверхмелкомасштабных ионосферных неоднородностей в авроральной области. 2. Исследована задача оценки плотности распределения источников стохастического радиоизлучения на поверхности Земли по данным корреляционной обработки выходных сигналов синхронизированной сети радиоприемников. Показана возможность неоднозначного восстановления плотности поверхностного распределения мощности случайных источников с помощью процедуры томографической реконструкции по недостаточным данным. Проведена адаптация к поставленной задаче ранее разработанных алгоритмов малоракурсной томографической реконструкции семейства MEnt на основе принципа максимальной энтропии. 3. Выполнены запланированные исследования механизмов влияния крупных циклонов на ионосферу Земли для тропических и внетропических образований. Выявлены электромагнитные и волновые процессы, сопутствующие атмосферным явлениям (на примере тропических циклонов) по их проявлениям в ионосфере, проведена статистическая обработка выделенных откликов по данным 2014г. Созданы методики, разработаны и протестированы на модельных и реальных данных алгоритмы автоматического выделения TCV (Traveling Convection Vortices) в высокоширотной ионосфере. Выполнен запланированный объем работ по поиску, выделению и идентификации таких событий с использованием данных различных геофизических баз. Проведена статистическая обработка данных для интенсивности флуктуаций ионосферной плазмы по данным SWARM за 2014-2015г.г. Данные представлены в виде карт различных индексов сцинтилляций в зависимости от географического региона и гелиогеофизических условий. Проведена верификация модели IRI-2016 высотного распределения электронной концентрации на основе данных зондовых спутниковых измерений миссии SWARM в различных периодах солнечной активности. Начато сравнение эффективности использования различных индексов сцинтилляций. На основе комплексных данных магнитометров, оптических наблюдений и регистрация сигналов GPS во время развития высокоширотной суббури выполнены запланированные исследования влияния динамики суббурь в высоких широтах на особенности функционирования современных систем навигации. Получена связь между оптическими эмиссиями и плотностью сбоев навигационных сигналов.
18 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Исследование пространственно-временной структуры и динамики атмосферы томографическими методами
Результаты этапа: Выполнены задачи этапа НИР 2021 г. по сбору и предобработке первичных данных радиопросвечивания ионосферы сигналами спутниковых радиомаяков, включая высокоорбитальные GPS/ГЛОНАСС/Galileo/Beidou и низкоорбитальные ePOP/Cassiope. На основе экспериментальных данных и результатов численного моделирования с использованием модели NeQuick2 разработан усовершенствованный метод построения глобальных ионосферных карт полного электронного содержания TEC, успешно восстанавливающий основные морфологические особенности глобального распределения TEC. Показано, что ошибка реконструкции зависит от количества и географического распределения приемных пунктов, количества принимаемых спутников, а также от выбора системы координат задачи (оптимальной является естественная система координат задачи, в которой минимальна временная изменчивость реконструируемых параметров). Сравнение результатов работы метода на реальных данных с данными других центров обработки (CODE, UPC) показало CКО на уровне 2-3 TECU, что укладывается в оценки ошибок методов и может считаться хорошим результатом. На основе анализа новых GNSS сигналов E5 (Galileo) и B2 (Beidou), использующих кодировку AltBOC (alternative binary offshift carrier), позволяющую повысить надежность функционирования систем GNSS, исследована возможность их использования для ионосферных исследований. Проведены оценки шумов полного электронного содержания TEC, полученного с использованием различных линейных комбинаций фазовых и кодовых измерений системы Galileo. Показано, что использование AltBOC сигналов может существенно понизить уровень шумов в оценке ионосферных параметров даже при использовании одночастотных данных. На основе данных, полученных в ходе двух экспериментальных кампаний на среднеширотном нагревном стенде “Сура”, исследовано влияние искусственных ионосферных возмущений, генерируемых при различных режимах воздействия на ионосферу мощным КВ-радиоизлучением, на точность GNSS позиционирования. С точки зрения функционирования глобальных навигационных спутниковых систем, таких как GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou, подобное воздействие может являться фактором ухудшения точности позиционирования. В указанных экспериментах установлено отсутствие значимых эффектов КВ-нагрева во всех основных режимах: в режиме позиционирования высокой точности PPP и при стандартном итерационном решении навигационной задачи в одночастотном режиме, что может быть связано с локальностью области нагрева и низкой амплитудой генерируемых возмущений. Разработан и протестирован метод оценки плазмосферного электронного содержания (PEC) по данным GNSS радиопросвечивания и вертикального зондирования (ВЗ) ионосферы. Проведено исследование вариаций TEC, IEC, PEC и соотношения PEC/TEC на различных временных масштабах на основе данных GPS и вертикального зондирования верхней атмосферы в различных широтных секторах в периоды минимума и максимума солнечной активности и сопоставление этих данных с моделью IRI-Plas. Проведено численное моделирование радиотомографического эксперимента по зондированию плазмосферы с использованием низкоорбитального приема сигналов GNSS. Показана принципиальная возможность восстановления магнитоориентированных структур с поперечным размером ~100км. Разработаны и протестированы методы коррекции моделей NeQuick2/NRLMSIS00 по данным собственного УФ свечения ночной термосферы в линии OI 135.6 нм. Тестирование коррекции модели NeQuick2 на независимых данных ВЗ показали уменьшение СКО (относительно данных ВЗ) до 20% в скорректированной модели по сравнению с нескорректированной. Исследованы процессы переноса излучения в неоднородной в среднем плазме с флуктуациями электронной плотности. Рассмотрен радиационный перенос в рассеивающих средах с градиентами коэффициента преломления, таких как плазма с флуктуациями плотности. Показано, что при достаточно сильных градиентах коэффициента преломления в поле рассеянного диффузного излучения могут возникать особенности распределения интенсивности диффузных полей излучения. Приближенно решено скалярное уравнение переноса излучения (УПИ) и выполнен качественный анализ полученных решений. Получены примеры сингулярных аналитических решений УПИ в плоскослоистых и сферически симметричных средах, типично возникающих в приложениях дистанционного зондирования. Исследованы условия возникновения этих особенностей. Проведена валидация полученных решений численным расчетом методом Монте-Карло. Выполнены исследования ионосферных неоднородностей и квазиволновых возмущений, вызванных акустико-гравитационными волнами (АГВ) от разных источников в нижней атмосфере на примере тропических циклонов (TЦ). Проведен анализ всех крупных циклонов и тайфунов сезона 2014 году и выполнено сравнение их основных модельных характеристик (частот АГВ и размеров возможных областей их генерации) в спокойных геофизических условиях. Подтверждена важная роль волнового механизма передачи энергии в системе геосфер на примере волн, выделяемых на ионосферных высотах и излучаемых крупными тропическими циклонами. Выполнен этап НИР 2021 г. по верификации модели IRI-2016 высотного распределения электронной концентрации по данным зондовых спутниковых измерений миссии SWARM в различных периодах солнечной активности для различных условий возмущенности. Анализ построенных сравнительных ошибок массивов данных в различных условиях и рассчитанной дисперсии шума показал рост дисперсии от средних широт к высоким, также отраженный в росте ошибки в случаях возмущенных и невозмущенных условий. Сравнение прямых измерений электронной концентрации ионосферы спутниками миссии ESA SWARM в 2014-2015г.г.г. и данных модели IRI-2016 показало, что модель IRI достаточно хорошо описывает поведение электронной концентрации в средних широтах в невозмущенных условиях. Установлено практическое отсутствие линейной зависимости между величиной дисперсии шума измерений электронной концентрации и индексами геомагнитной активности в возмущенных условиях. Выполнен этап НИР 2021 г. по использованию данных миссии SWARM для анализа индексов сцинтилляций (мерцаний) электронной концентрации в различных широтных зонах и разных гелиогеофизических условиях. Рассмотрена связь индексов Kp, AE и Dst геомагнитной активности с ионосферным амплитудным индексом сцинтилляций S4 по данным in-situ измерений электронной концентрации спутниками SWARM. В геомагнитно-возмущенных условиях связь индекса амплитудных мерцаний электронной плотности S4 с высокоширотным геомагнитным индексом AE и со среднеширотным индексом Dst установлена в 51% и 45% реализаций, а в периоды спокойной геомагнитной обстановки - в 28% и 63% реализаций, соответственно.
19 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Исследование пространственно-временной структуры и динамики атмосферы томографическими методами
Результаты этапа: 1. Развитие методов радиотомографии ионосферы. Исследования структуры и динамики ионосферы методами спутниковой радиотомографии и дистанционного зондирования Выполнен сбор, формирование, предобработка, анализ и архивирование массивов новых первичных данных спутникового радиопросвечивания верхней атмосферы--ионосферы на основе сигналов спутниковых радиомаяков, включая навигационные спутники GPS/ГЛОНАСС/Galileo/Beidou. Разработаны новые методы детектирования отклика данных радиопросвечивания на перемещающиеся ионосферные возмущения, в особенности вызванные АГВ, распространяющимися от подстилающей поверхности и нижней атмосферы. Исследован ионосферный отклик на крупнейшее извержение вулкана Хунга 15 января 2022г. Обнаружено, что волновые вариации ГНСС сигналов возникают не только при пересечении радиотрасс волнами Лэмба и цунами, но и вследствие нелокальности сильных возмущений, обусловленной наличием геомагнитного поля. Сами волновые вариации вызваны воздействием на ионосферу атмосферных внутренних волн, генерируемых этими источниками. Теоретически и экспериментально исследованы характеристики новых навигационных сигналов глобальных навигационных спутниковых систем GNSS, включая сигналы Galileo E5 и Beidou B2, передающиеся в кодировке AltBOC. Для типичных параметров сигналов GNSS в кодировках BPSK (GPS L1) и AltBOC (Galileo E5, BeiDou B2) проведены теоретические оценки возможных ошибок определения псевдодальностей и ошибок, связанных с многолучевостью сигналов. Получено, что модуляция AltBOC обеспечивает более низкие шумы псевдодальности и гораздо более высокую устойчивость к многолучевости, что позволяет ожидать уменьшения шума в оценках полного электронного содержания (ТЕС) на основе наблюдаемых псевдодальностей. Этот вывод подтвержден экспериментально на массиве сигналов GNSS (включая новые Galileo E5 и Beidou B2), зарегистрированных на наблюдательном пункте, расположенном на физическом факультете МГУ. По данным in situ измерений электронной плотности на спутниках SWARM и по данным радиопросвечивания с низкоорбитальных и высокоорбитальных спутников исследовалась мелкомасштабная ионосферная возмущенность в высоких и средних широтах. Проведено сопоставление параметров ионосферной возмущенности, рассчитанной на основе индекса RODI (СКО скорости изменения электронной плотности на высоте спутника вдоль его траектории) по данным SWARM, и индекса ROTI (СКО скорости изменения TEC) по данным высоко- и низкоорбитальных спутников. Получено, что локализация областей неоднородностей на основе индекса RODI хорошо согласуется c результатами по индексу ROTI, рассчитанному по данным GNSS. Максимумы индексов наблюдаются преимущественно в области аврорального овала в ночное время и в области каспа в дневное время. Сопоставление результатов ROTI по данным низкоорбитальных полярных радиомаяков и по GNSS-данным выявило существенные различия в абсолютных значениях индекса (отличающихся на порядок) и в чувствительности низко- и высокоорбитальных ROTI индексов к эффекту ракурсного усиления мерцаний вблизи магнитного зенита приемной станции. Указанные различия обусловлены различием частот зондирования (150/400МГц в случае низкоорбитальных спутников и ~1.1ГГц в случае GPS) и наклонений орбит (около 90°в случае низкоорбитальных полярных радиомаяков и ~60° в случае GPS). Выполнен анализ данных архивных экспериментов по спутниковому радиопросвечиванию ионосферы во время экспериментов по активному воздействию на ионосферу мощным КВ радиоизлученим нагревного стенда СУРА. Разрабатывались и модифицировались методы диагностики мелкомасштабных ионосферных неоднородностей (МИН), наблюдающихся в экспериментах по активному воздействию на ионосферу. По наблюдениям мерцаний (дисперсии относительного логарифма амплитуды) 150МГц-сигнала низкоорбитальных спутников определялись параметры анизотропии субкилометровых искусственных мелкомасштабных ионосферных неоднородностей. Ожидаемо генерируются вытянутые вдоль магнитного поля неоднородности, анизотропия в плоскости поперек магнитного поля связана скорее всего с параметрами диаграммы направленности стенда. Исследование МИН можно провести также анализируя аналогичные измерения со спутников GNSS. Помимо этого, анализ искусственной мелкомасштабной ионосферной возмущенности по данным GNSS проводился с использованием индекса AATR (аналог ROTI) и ошибки решения задачи высокоточной навигации на сети приемников, расположенных на различных удалениях от стенда СУРА. Найдено, что индексы возмущенности, построенные на фазовых данных (AATR), а также СКО решения навигационной задачи оказываются практически нечувствительными к МИН искусственного происхождения, генерируемым в нагревных экспериментах на стенде СУРА. 2. Численные методы теории переноса излучения Проведено компьютерное моделирование радиометрического картирования разорванных облачных полей в микроволновом диапазоне длин волн. Разработано программноe обеспечениe для решения скалярного уравнения переноса микроволнового излучения в трехмерно-неоднородных полях разорванной облачности. Выполнен обширный цикл расчетов карт радиояркостных температур сплошных и разорванных облачных полей в важнейших участках спектра микроволнового излучения, в т.ч. в главных окнах прозрачности атмосферы в миллиметровом диапазоне длин волн, а также в окрестности линии поглощения водяного пара. . Исследованы зависимости радиояркостной температуры разорванной облачности от её основных физических параметров (влагосодержания и водозапаса). Разработаны подходы к оценке основных параметров облачных полей по данным многочастотного радиометрического картирования радиояркостных температур. 3. Исследование волновых процессов в атмосфере и ионосфере Земли методами радиотомографии и дистанционного зондирования С использованием разработанного метода изучены возмущения электронной плотности в ионосфере, связанные с крупными атмосферными явлениями --- тропическими циклонами 2014 г. категорий 4—5 по данным измерений электронной плотности зондами Ленгмюра на спутниках ESA SWARM. Анализ возмущений от крупных ТЦ 2014-2019 гг. в спокойных геогелиомагнитных условиях показал, что волновой механизм передачи возмущения от атмосферного источника на ионосферные высоты не является единственным. С использованием региональной сети станций сверхдлинноволнового радиопросвечивания в Дальневосточном регионе России и спутниковых данных SWARM о возмущениях электронной плотности исследован отклик нижней и верхней ионосферы на прохождение тайфуна Faxai 2019 г. Установлено, что параметры волновых возмущений, регистрируемые разными методиками на разных высотах соответствуют атмосферным внутренним гравитационным волнам. Совместное наблюдение проявлений возмущений в нижней и верхней ионосфере осуществлено, насколько известно, впервые. Проведен комплексный региональный анализ данных GPS-наблюдений на станциях сетей IGS и UNAVCO для крупнейшего землетрясения, произошедшего в начале января 2010 г. на о-ве Гаити (М=7.0). Выделены и изучены пространственные и временные характеристики ионосферных неоднородностей различных масштабов в регионе подготовки землетрясения. Сейсмические события развивались в спокойных геомагнитных условиях, что позволило рассмотреть ионосферные проявления атмосферно-литосферных связей в исследуемый период. Для достоверного геофизического анализа использованы данные обновленной цифровой модели границ литосферных плит. Рассмотрены связи между геомагнитной активностью (индексами Kp, AE и Dst) и индексами ионосферных мерцаний S4 и RODI по данным натурных спутниковых измерений. Получено, что в периоды возмущенной геомагнитной обстановки индексы RODI10s и S4, в принципе, равноправны с высокоширотным АЕ-индексом, но в периоды спокойных геомагнитных условий использование индекса S4 предпочтительнее. Проведены работы по верификации современных моделей высотного распределения электронной концентрации (на примере модели NeQuick по данным зондовых спутниковых измерений миссии SWARM в различных периодах солнечной активности для различных условий. Выполнено сопоставление результатов верификации моделей NeQuick и IRI-2016.
20 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Исследование пространственно-временной структуры и динамики атмосферы томографическими методами
Результаты этапа: 1. Развитие методов радиотомографии ионосферы. Исследования структуры и динамики ионосферы методами спутниковой радиотомографии и дистанционного зондирования Продолжен сбор и формирование массивов первичных данных радиопросвечивания верхней атмосферы и ионосферы сигналами спутниковых радиомаяков. Сформированы массивы данных для станций низкоорбитального радиопросвечивания на Аляске, массивы данных радиопросвечивания при экспериментах активного воздействия на ионосферу. Продолжено формирование массивов первичных данных различных спутниковых систем. Разрабатывались методы восстановления распределения электронной концентрации в ионосфере на основе одновременного использования разнородных данных и их комбинаций (двух типов зондирования ионосферы – вертикального и наклонного, двух схем радиопросвечивания с наземным и спутниковым приемом, комбинации УФ-спектрометрии и in-situ измерений электронной концентрации на высоте пролета спутника). Выполнен анализ возможностей и эффективности комплексирования указанных данных и подходов. Разработан метод построения глобальных и региональных карт полного электронного содержания ионосферы на основе одновременного использования данных GNSS по сети IGS и данных вертикального зондирования на мировой сети GIRO с применением двухслойной ионосферной модели с усеченным разложением TEC в каждом из слоев. Показана эффективность разработанного метода построения карт ТЕС. По данным о спутниковых сигналах, зарегистрированных на плотных сетях GNSS-приемников, проведен анализ ионосферных откликов на искусственные литосферные возмущения различной природы с магнитудой ниже порога обнаружения ионосферного отклика на землетрясения. Вычислены вариации полного электронного содержания в ионосфере (TEC) в типичном диапазоне проявления ионосферного отклика на литосферные источники возмущений (100--1000 с). На основе анализа пространственно-временных распределений полученных вариаций TEC в окрестностях эпицентра событий, а также диаграммы дальность—время определены характерные скорости выявленных ионосферных возмущений. Показано, что при анализе таких откликов необходимо принимать во внимание возможную анизотропию распространения атмосферных возмущений на ионосферных высотах, связанную с присутствием крупномасштабных ветровых структур и наклонением геомагнитного поля. При учете этих факторов возможна регистрация ионосферных откликов на импульсные литосферные источники с На основе данных низкоорбитального спутникового радиопросвечивания выполнен анализ пространственной структуры искусственных вариаций концентрации электронов на высотах верхней и внешней ионосферы Земли, возбуждаемых при модификации F2-слоя среднеширотной ионосферы мощными КВ радиоволнами нагревного стенда СУРА. Рассмотрены характеристики полости с пониженной концентрацией плазмы, образующейся вблизи высоты отражения нагревной волны О-поляризации, дактов с повышенной плотностью плазмы, формирующихся на высотах внешней ионосферы за счёт выноса плазмы из области сильного разогрева вдоль геомагнитного поля, различных волновых возмущений, индуцируемых на ионосферных высотах. Выполнен анализ свойств обнаруженных возмущений плотности плазмы особой природы с размерами от десятков до сотен км, регистрируемых в вертикальном столбе над центральной частью возмущённой области ионосферы, область регистрации которых простирается далеко за пределы области возбуждения наиболее интенсивной искусственной ионосферной турбулентности. Исследована эффективность метода низкоорбитальной радиотомографии для исследования характеристик указанных искусственных ионосферных структур. Начаты исследования морфологии индекса возмущенности ионосферы ROTi/S4, рассчитанного по архивным фазовым данным низкоорбитального радиопросвечивания на Аляске. Сформирован и подготовлен массив входных экспериментальных данных, написана программа для расчета положения области повышенных ROTi и сопоставления с положением аврорального овала. На примере данных для пункта Гакона выполнены тестовые вычисления. 2. Численные методы теории переноса излучения Проведено исследование переноса излучения в средах с градиентами коэффициента преломления. Выведены асимптотики распределений интенсивности в окрестностях сингулярных направлений. Сформулированы критические условия появления сингулярных распределений интенсивности в полях рассеянного излучения в среде. Показано, что сингулярные радиационные поля в таких средах могут порождаться в том числе несингулярными конфигурациями источников излучения. Проведена проверка полученных результатов непосредственным сравнением с результатами численных расчетов методом статистического моделирования Монте-Карло. 3. Исследование волновых процессов в атмосфере и ионосфере Земли методами радиотомографии и дистанционного зондирования С использованием региональных станций сверхдлинноволнового радиопросвечивания и измерений возмущений электронной плотности посредством спутников миссии SWARM в дальневосточном регионе России исследован отклик нижней и верхней ионосферы на прохождение нескольких мощных тайфунов в 2014–2014 гг. Для случая 4 крупнейших тайфунов обнаружено, что возмущения амплитуды и фазы СДВ-сигнала, а также электронной плотности во время активной стадии тайфунов соответствуют прохождению атмосферных внутренних гравитационных волн и их диссипации. Предложен механизм воздействия внутренних волн на ионосферу, позволяющий интерпретировать наблюдаемые вариации фазы СДВ-сигнала и вариации электронной плотности в верхней ионосфере. Определены точностные характеристики модели NeQuick высотного распределения электронной концентрации в различных периодах солнечной активности для различных широтных условий и получены статистические характеристики результатов. Определена перспективность использования систематических данных и радиоизлучении Солнца на длине волны 11.1 см вместо 10.7 см, используемых в качестве параметра модели, задающего солнечную активность. Проведено выборочное сравнение точности описания ионосферной электронной концентрации в выбранных современных моделях NeQuick и IRI в различных гео-гелиофизических условиях.
21 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Исследование пространственно-временной структуры и динамики атмосферы томографическими методами
Результаты этапа:
22 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Исследование пространственно-временной структуры и динамики атмосферы томографическими методами
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".