Доклад: Спутниковая радиотомография
Содержание
Введение
1. Возможности и ограничения применения спутниковой радиотомографии
2. Радиотомография исследования ионосферы в различных широтных областях
3. Научная программа эксперимента "Маяк"
3.1 Научные задачи
3.2 Состав бортовой аппаратуры
4. Мониторинг ионосферы в интересах коротковолновой связи
5. Первые в мире
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Исследования по лучевой радиотомографии (РТ) ионосферы и ее приложениям вызывают заметный интерес в мире. С начала девяностых годов были проведены серии успешных экспериментов по реконструкции структуры ионосферной плазмы с помощью томографических методов в различных регионах Европы, Америки, Юго -Восточной Азии , Австралии. С тех пор лучевая РТ стала одним из основных инструментов исследования распределений электронной плотности в ионосфере. В докладе представлены и обсуждаются результаты исследований структуры и динамики ионосферы методом лучевой РТ по данным экспериментов 1990–2005 гг., выполненных сотрудниками МГУ, ПГИ РАН и совместно с зарубежными коллегами. Метод лучевой РТ ионосферы основан на регистрации и анализе радиосигналов двух когерентных частот 150 и 400 МГц низкоорбитальных (НО ) навигационных российских спутников типа "Цикада" или американских "Транзит " в нескольких приемных точках, расположенных вдоль траектории восходящих или нисходящих витков орбит спутника и на расстояниях порядка сотен километров. Данные навигационные спутники летают на высотах 1000 – 1150 км, имеют близкие полярным орбиты и период обращения около 105 мин. Высокая скорость движения спутника (~7.9 км /с) и соответственно быстрое, по сравнению с характерными масштабами временных изменений исследуемых ионосферных процессов, пересечение спутником просвечиваемой области позволяют реконструировать двумерные сечения электронной концентрации в плоскости пролета спутника, характерная длительность РТ регистрации составляет 10–15 мин. Важными достоинствами метода лучевой РТ ионосферы является сравнительная простота его реализации и при наличии достаточного количества приемных точек, высокое пространственно-временное разрешение .
1. Возможности и ограничения применения спутниковой радиотомографии
К одним из достоинств метода фазоразностной РТ следует отнести возможность простой интерполяции экспериментальной доплеровской частоты при разрывах в регистрации в отличие от фазовых методов. В общем случае в задачах лучевой РТ ионосферы путь интегрирования L определяется траекторией луча и зависит от искомого распределения N. Проведенные оценки и компьютерное моделирование показали, что рефракционные эффекты определяются вариациями N и малосущественны до значений максимальной концентрации ~(1.5 ч2.5)10 12 м –3 . В случае учета рефракции решение нелинейной томографической задачи можно реализовать в виде решения последовательности линейных задач, что сводится к итерационной процедуре, где для расчета каждого после дующего приближения электронной концентрации используется траектория, полученная из приближения электронной концентрации на предыдущем шаге. Рефракция приводит к отклонению луча от прямого и ограничивает размер дискрета и разрешение задачи лучевой РТ в линейной постановке до 30–40 км по горизонтали и до 20–30 км по вертикали. Другим ограничением является эффект дифракции радиоволн, также ограничивающий снизу раз мер дискрета около 10 км (радиус Френеля в данном случае составляет около 1 км ). Таким образом, пространственное разрешение метода лучевой РТ ионосферы можно улучшить до 10–20 км, если учитывать рефракцию зондирующих лучей. Принципиальным ограничением для всех вариантов РТ является неединственность задачи. В линейных задачах неединственость проявляется в существовании фантомов – отличных от нуля знакопеременных распределений, интегралы от которых по всем лучам равны нулю. Будучи добавленными к реконструированной искомой функции, фантомы искажают ее, но при этом оставляют без изменений сами значения всех интегралов по всем проекциям.
Примеры таких "невидимых " фантомов рассмотрены, причем размер деталей структуры финитного фантома уменьшается с ростом числа проекций и может стать сопоставимым с разрешением системы. Поэтому при большом числе приемников (более 5–7) фантомы представляют собой достаточно экзотичные знакопеременные образования с мелкой структурой и специфической симметрией, которая определяется приемной системой. В природе существование подобных структур маловероятно.
2. Радиотомография исследования ионосферы в различных широтных областях
Впервые в мире экспериментальные РТ - реконструкции главного ионосферного провала были получены в марте – апреле 1990 г. сотрудниками МГУ и ПГИ РАН. Они представлены в изолиниях в единицах 10 12 м. Проведенные многочисленные эксперименты показали сложность и разнообразие форм провала, причем его ширина, наклон и глубина варьируются в широких пределах.
В докладе рассмотрены ионосферные проявления нескольких крупнейших бурь периода 1990–2004 гг. Структура ионосферы в периоды возмущений была исследована методами РТ в авроральной, субавроральной и среднеширотной ионосфере над северо-западом России , северо-востоком США , востоком Канады , Аляской и Европой. Выявлен ряд особенностей структуры распределения электронной плотности в возмущенной ионосфере, не характерных для спокойных периодов. В частности, во время сильных возмущений в реконструкциях наблюдались многоэкстремальные структуры с "пятнами " ионизации, а также резкие градиенты в виде "стенок " электронной концентрации; выявлены тонкие (поперечная протяженность порядка нескольких километров) структуры повышенной электронной плотности, вытянутые вдоль магнитных силовых линий и имеющие протяженность по высоте около сотен километров. Обнаружена сложная структура ионосферного провала со смещением полярной стенки к экватору и ее наклоном, неоднократно наблюдались расслоения провала. В докладе проанализированы реконструкции с волновыми эффектами высыпаний низкоэнергетичных частиц.
В качестве примера было представлено РТ-сечение ионосферы по трассе Москва – Баренцбург (Шпицберген ) в период геомагнитной бури 29–31 октября 2003 г ., которая относится к классу исключительно мощных . За два дня 29–30 октября было зафиксировано три трехчасовых интервала с максимально возможным Kp = 9 (это случилось впервые в истории Kp-индексов). Как видно из реконструкции, ночью наблюдается сложная многоэкстремальная структура с "пятном " повышенной электронной концентрации на уровне широты около 70є (максимальное значение порядка 1.5·10 12 м –3 , что совершенно не типично для субавроральных широт). Сложное сечение ионосферы с достаточно узкой практически вертикальной структурой в районе 60є наблюдалось 27 июля в 05:46 UT 2004 г . (Kp = 8.7) в районе Аляски.
В докладе представлены результаты РТ-исследований структуры и динамики низкоширотной ионосферы , которые были получены в ходе совместных работ университетов МГУ, Иллинойса , Тайваня и Уханя . В области приэкваториальных широт (приемная трасса Шанхай –Манила ) был выявлен ряд новых структурных особенностей экваториальной аномалии (ЭА):
-сформировавшееся ядро ЭА ориентировано вдоль направления магнитного поля Земли;
-существует значительная асимметрия между экваториальным и полярным краями ЭА;
-обнаружены характерные чередующиеся области "расширение–сужение " толщины ионосферы в широтном диапазоне 15–31 °;
-в области ядра ЭА происходит "продавливание" и "опускание" нижнего края ионосферного слоя, т.е. проникновение потока плазмы из F-области в нижние слои в районе широт ~25–28є; в области за ядром ЭА (~28–31є) образуется "перетяжка ".
Наблюдаемые структурные особенности могут быть интерпретированы на основе анализа потоков и скоростей плазмы в районе ЭА, обусловленных "фонтан-эффектом". Существующая восточно-западная компонента электрического поля и квазигоризонтальное магнитное поле в районе магнитного экватора приводят к вертикальному дрейфу плазмы с вертикальной и северной составляющими скорости. В северном направлении происходит увеличение потока плазмы, который приобретает все большую составляющую вдоль силовых линий магнитного поля. Вследствие "загибания" к Земле силовых линий магнитного поля происходит и "поворот" вниз потока плазмы вдоль силовых линий. Здесь, в области, где поток ориентирован почти вдоль линий, происходит увеличение плотности плазмы и образование ядра ЭА. Один из примеров РТ -реконструкции ЭА представлен в докладе. на котором хорошо видно ядро ЭА, ориентированное вдоль направления магнитного поля Земли (штрихами отмечены магнитные силовые линии ). Асимметрия ядра ЭА обусловлена тем, что если у север ной границы ядра поток плазмы направлен вдоль силовых линий , то у южной поток имеет поперечную магнитному полю направленную вверх компоненту , что приводит к "размазыванию " южной части ядра . Наличие направленной вверх компоненты потока с южной стороны ядра обусловливает образование хвоста , в котором плазма втекает с юга и снизу в ядро ЭА . Вертикальная компонента потока плазмы в приэкваториальной области приводит к расширению ионосферы к северу. Последующее "загибание " к Земле силовых линий магнитого поля приводит к "повороту" вниз потока плазмы, вдоль силовых линий и к сужению ионосферы. В области ядра ЭА происходит "продавливание" и "опускание " нижнего края ионосферного слоя под воздействием потока плазмы вдоль силовой линии.
Это хорошо видно на РТ -реконструкциях в области Е (h от 90 до 150 км ) на широтах 24–28 °. В области продавливания и опускания нижнего края ионосферного слоя происходит , по -видимому , торможение плазмы и последующий дрейф "в скрещенных полях " со сменой направления дрейфа. Иными словами , происходит "поворот " потока плазмы почти на 90є, т . е . движение преимущественно вдоль магнитного поля сменяется после торможения движением поперек магнитного поля . Такая структура потока и приводит к образованию области типа "перетяжки ", наблюдаемой после ядра ЭА в районе широт 28–31є. В докладе представлены примеры типичного временного поведения ЭА (рост концентрации ЭА в районе полудня , смещение ЭА к северу и убывание плотности к вечерним часам ) и необычного поведения ЭА (например, концентрация иногда оставалась почти постоянной в течение 5–7 ч, убывала с полудня или возрастала в вечерние часы – "послезакатный" эффект и т . д .).
Метод лучевой РТ позволяет не только получать двумерные сечения концентрации плазмы, но и определять потоки плазмы рассматривая последовательные во времени РТ-сечения.
Проведены РТ-исследования сильных возмущений ионосферы, вызванных антропогенными факторами, – в частности, возмущений, вызванных стартами ракет. промышленными взрывами, мощным КВ -излучением .
В ходе ряда экспериментов были проведены сопоставления РТ -результатов с данными радаров некогерентного рассеяния . Один из первых таких экспериментов был проведен осенью 1993 г . – Российско -Американский томографический эксперимент (RATE’93) по сопоставлению результатов РТ -реконструкций с данными радара некогерентного рассеяния в Миллстоун Хилл (США ).
Результаты RATE’93 показали высокое качество РТ -реконструкций и совпадение результатов томографических и радарных сечений в рамках точностей обоих методов.
3. Научная программа эксперимента "Маяк"
Для мониторинга состояния ионосферы на конкретных протяженных трассах пересекающих сейсмоактивные регионы предполагается использовать метод спутниковой радиотомографии ионосферы. Для этого на борту спутника устанавливается радиопередатчик МАЯК для излучения двух когерентных частот в УКВ и СВЧ диапазонах. С 1957 г. когерентные передатчики "МАЯК" в различной модификации широко используются в отечественных и зарубежных спутниковых экспериментах (на низкоорбитальных КА, на геостационарных спутниках и на межпланетных космических аппаратах) Метод радиопросвечивания основан на том, что при распространении радиоволн в столкновительной анизотропной частично-ионизированной неоднородной плазме, каковой является ионосфера Земли, происходит взаимодействие радиоволн со средой распространения вследствие известных эффектов - рефракции, дисперсии, поглощения, рассеяния на флуктуациях электронной концентрации и др. Поэтому принимаемые на Земле радиоволны содержат в себе информацию о параметрах подспутниковой области, в т.ч. о ее регулярной, волновой и стохастической структуре.
Сечение приэкваториальной области ионосферы (север – слева), полученное на основе радиотомографической обработки данных радиомаяковых измерений на сети приемных пунктов (6 приемников) на частотах 150/400 МГц.
В итоге, высокоточные измерения пространственно-временного распределения (регулярной, волновой и стохастической) структуры электронной концентрации над регионами природных и техногенных аномалий и катастроф по данным трансионосферного спутникового зондирования (значения амплитуд и разности фаз радиосигналов когерентных частот, зарегистрированные в одном или нескольких наземных пунктах для конкретных пролетов ИСЗ) позволят проводить:
- выявление аномальных явлений и характерных признаков изменений в ионосфере, связанных с естественными и искусственными возмущениями ионосферы (вулканическая, сейсмическая, циклоническая и грозовая активность);
- глобальный мониторинг ионосферы для исследования структуры и динамики ионосферы с целью изучения физических процессов в ионосферной плазме и уточнения существующих моделей;
- апробацию радиотомографического метода обработки данных, который дает реконструкцию объемной структуры ионосферы над заданным регионом
Сочетание методов радиотомографии и затменного GPS позволит существенно повысить разрешение регистрируемых плазменных структур в ионосфере, как по высоте, так и вдоль земной поверхности (орбиты спутника).
3.1 Научные задачи
Передатчик 2-х частотный "Маяк" предназначен для радиотомографических измерений пространственно-временного распределения регулярной, волновой и стохастической структуры электронной концентрации над сейсмоактивными регионами по данным трансионосферного спутникового зондирования.
3.2 Состав бортовой аппаратуры
Передатчик 2-х частотный "Маяк" ( шифр ОКР- "RBE150/400МГц") состоит из передатчика и двух антенн, кабеля питания и кабеля интерфейса.
Передатчик обеспечивает формирование когерентного непрерывного сигнала на двух частотах: 400±1 МГц и 150±1 МГц
Антенны обеспечивают излучение радиомаяковых сигналов в надир.
| № | Наименование параметра |
Значение параметра |
| 1 | Рабочая частота первого канала | 400±1 МГц |
| 2 | Рабочая частота второго канала | 150±1 МГц |
| 3 |
Выходная мощность первого и второго канала |
не менее 27ДбмВт |
| 4 | Напряжения питания постоянным током | от 9 до 32 В |
| 5 | Потребляемая мощность по цепи питания | не более 6 Вт |
| 6 | Масса передатчика | не более 0,8 кг |
| 7 | Габариты передатчика |
не более 185Ч140Ч60 мм |
| 8 | Вероятность безотказной работы за срок службы 12 лет, включая срок активной эксплуатации МКА не менее 7 лет | не менее 0,98 |
Управление аппаратурой "Маяк" и прием телеметрической информации выполняется через синхронный, последовательный интерфейс со следующими параметрами:
| скорость работы | 32768 бит/сек; |
| число бит команды | 8; |
| логические уровни сигналов | 0 и +5 В. |
Определены три команды управления: включение передатчика, выключение передатчика, передача данных о состоянии приборов. Передача на борт для приборов массивов рабочих программ и служебной информации не требуется.
4. Мониторинг ионосферы в интересах коротковолновой связи
Появление в последние годы специализированных КВ модемов, способных передавать двоичные файлы и данные в радиоканале со скоростью до 9,6 кбит/сек с малой (до 10-9) вероятностью ошибки на бит информации, возродили коммерческий интерес к коротковолновой связи. Такие крупнейшие производители, как Harris, Codan, Motorolla и другие, а также некоторые российские предприятия, приступили к серийному выпуску радиостанций, реализующих алгоритмы автоматического вхождения в связь (ALE – Automatic Link Establishment), перезапросов фрагментов сообщений и исправления ошибок в реальном масштабе времени, минимизации участия человека в процессе радиообмена.
Однако проблема нахождения оптимальных рабочих частот для каждого конкретного сеанса остается по-прежнему актуальной. Дело в том, что системы КВ связи (диапазон частот от 1 до 30 МГц) обеспечивают передачу информации на большие расстояния, до 6-9 тыс. км, за счет отражения радиоволн от ионосферы Земли. Нижняя граница ионосферы располагается на высоте 50-60 км, верхняя на уровне порядка 1000-1500 км переходит в плазмосферу или другие магнитосферные плазменные образования. Высота и профиль отражающих слоев испытывают значительные сезонные и суточные изменения, которые определяются углом солнца в данной точке над линией горизонта. Кроме того, на ионосферу существенно влияет Солнце, количественное значение активности которого выражается числами Вольфа и имеет период около 11 лет. В зависимости от этих параметров меняется так называемая критическая частота (КЧ) – наибольшая из всех частот, которая еще отражается от данного слоя ионосферы при вертикальном распространении радиоволны. В зависимости от текущих параметров ионосфера в КВ диапазоне может как способствовать передаче информации на дальние расстояния, вплоть до кругосветных, так и препятствовать даже на коротких радиотрассах из-за проявления эффектов многолучевости и частотной дисперсии. Довольно часто приходится сталкиваться и с полным разрушением канала связи за счет эффектов аномального поглощения.
Сложное строение среды распространения, а также непрерывное во времени изменение параметров ионосферной плазмы оказывают влияние на распространение радиоволн. Поэтому задачи исследования процессов в ионосфере связаны как с практическими задачами обеспечения устойчивой работы систем радиосвязи, так и с не менее важными научно-исследовательскими задачами мониторинга околоземного пространства. Экспериментальное и теоретическое изучение связи между изменением параметров распространяющихся в ионосфере радиоволн и процессами, происходящими в термосфере Земли, являются актуальными, а внимание к ним не ослабевает и в последние годы.
Отражение радиоволн от области атмосферы, расположенной примерно на высоте 100 км над земной поверхностью было обнаружено еще в 1925 году. Было доказано, что ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и квазинейтральной плазмы, в которой существует достаточное количество ионизированных частиц, способных влиять на распространение радиоволн. Вскоре был проведен ряд экспериментов, обнаруживший сложную слоистую структуру ионосферы. Принято считать, что ионосфера подразделяется на области называемые D, E, и F, внутри которых могут существовать слои электронов D, E1, E2, Es, F1, F2 соответственно.
Образование ионизированной части атмосферы связано с целым комплексом разнообразного типа явлений: процессы, протекающие на Солнце, вариации магнитного поля Земли, движения в верхней атмосфере, изменения плотности и состава атмосферного газа на различных высотах и географических широтах и тому подобные явления.
Главной характеристикой ионосферного слоя является критическая частота. Критической частотой fC, или частотой проникновения, называется самая высокая частота волны отраженной от ионосферного слоя, или самая низкая частота волны, которая проникает сквозь слой. Она является непосредственной мерой максимальной электронной концентрации NMAX слоя.
В эпоху азбуки Морзе и первых телеграфных аппаратов критическую частоту определяли на основании чисел Вольфа и специальных графиков-прогнозов. В зависимости от выбранного направления и дальности трассы, зная координаты точки отражения волны, можно было определить МПЧ – максимально применимую частоту данной радиолинии. Затем расчетные значения МПЧ корректировались по данным ионосферного зондирования.
Для получения информации о структуре ионосферных слоев и динамике ионосферной плазмы Земли используются различные варианты радиозондирования (вертикальное (ВЗ), наклонное (НЗ), возвратно-наклонное (ВНЗ), трансионосферное и различные виды сигналов (узкополосные (УПС), широкополосные (ШПС), сигналы с различными видами модуляции). Едва ли можно выделить какой-либо метод зондирования ионосферы, обладающий однозначным превосходством над остальными по всем параметрам и обеспечивающий всех заинтересованных потребителей во всех областях исследований. Различные методы исследования существуют совместно и успешно дополняют друг друга.
Наибольшую точность в определении МПЧ имеет метод трассового (наклонного) зондирования. Передатчик и приемник импульсов разнесены на расстояние одного или нескольких скачков. В заранее установленное время или с каким-то периодом передатчик посылает в эфир сигнал последовательно на нескольких частотах. На приемном конце оценивается слышимость и качество сигналов и делается вывод о подходящих частотах для данного времени суток и года. Накопленная статистика затем используется в процессе организации связи. В данном случае точность определения МПЧ будет определяться шагом перестройки частоты передатчика.
Еще одним способом практического определения КЧ и МПЧ являются методы вертикального и возвратно-наклонного зондирования. В обоих случаях прием осуществляется в точке передачи.
В ходе вертикального зондирования (ВЗ) радиоволны передатчика, находящегося в месте исследований, излучаются вверх и затем отражаются от ионосферы. Зная скорость их распространения, равную скорости света, и время от момента передачи до момента приема, можно определить высоту отражающего слоя. Разрешающая способность по задержке при импульсном зондировании определяется длительностью диагностирующего импульса и составляет, как правило, 2.5 - 5 км. По максимальному значению частоты приема определяется КЧ. Вертикальные ионозонды определяют состояние ионосферы непосредственно над пунктом расположения. Позволяя получать зависимость распределения электронной концентрации от высоты, они не очень хорошо подходят для исследований динамических процессов в ионосфере, а их применение является достаточно затратным из-за необходимости обеспечения работы радиопередающих систем.
В случае возвратно-наклонного зондирования (ВНЗ) используется эффект, впервые полученный русским ученым Николаем Ивановичем Кабановым. В 1948 году ему впервые в мире удалось зафиксировать отражение радиоволны от Земли в обратном направлении, так называемое "эхо". Это открытие получило название "эффект Кабанова" и в 1957 году было внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 1. По существу, ионосфера при ВНЗ выполняет функции огромного пассивного ретранслятора. Прогноз максимально применимых частот возможен на основе данных о высотном распределении профиля электронной концентрации и, прежде всего, данных о критической частоте и высоте слоя F2 ионосферы. Приняв обратную волну, которая образуется при отражении от земли на другом конце радиотрассы, по времени ее распространения и высоте отражающего слоя математическим способом определяется МПЧ конкретной трассы. С помощью ВНЗ можно обнаружить, например, появление в ионосфере спорадических слоев, метеорной ионизации, нерегулярных образований электронной плотности волнового и изолированного типов и другие явления. ВНЗ позволяет экcпepимeнтaльнo подбирать наилучшую частоту для радиосвязи на данной трассе в данное время.
На практике зачастую перед сеансом нет возможности проводить процедуру зондирования по соображениям дефицита времени или иным причинам. Кроме того, для проведения вертикального и возвратно-наклонного зондирования помимо наличия передатчика и приемной антенны с заданной диаграммой направленности требуются высокая точность определения времени между моментами передачи и приема радиоимпульсов, а также синхронизация работы передающих и приемных комплексов. Указанные причины привели к выделению частотно-диспетчерской службы КВ радиоцентров в отдельное структурное подразделение и появлению специальных станций зондирования.
В последние годы большую часть данных о волновых процессах в ионосфере удается получать с использованием глобальной сети GPS. Учитывая большое количество спутников данной системы, большое число двухчастотных наземных приемников (более 1000), а также доступность данных, можно сказать, что метод обеспечивает наилучшее пространственно-временное разрешение и наилучшую возможность получения статистически значимых наборов данных. Возможности применения метода GPS широко используются и хорошо освещены в публикациях доктора физико-математических наук Афраймовича Э. Л.
Мониторинг ионосферы с использованием навигационных спутников систем GPS и ГЛОНАСС обеспечивает возможность определения в реальном масштабе времени пространственного распределения параметров ионосферы и, тем самым, возможность оперативного прогнозирования МПЧ с целью эффективного планирования и проведения сеансов коротковолновой связи.
По результатам спутникового мониторинга, осуществляемого из одного наземного пункта, возможно с дискретностью не более 1 минуты в пределах пространственной области с радиусом примерно 1000 км оценивать необходимые для расчета МПЧ параметры ионосферы, а также определять высотные профили распределения электронной концентрации ионосферы в диапазоне высот 80…1000 км (с дискретностью 22 км) и ее полное электронное содержание.
Полученные результаты спутникового мониторинга ионосферы подтверждают адекватность предлагаемого подхода.
5. Первые в мире
Россия станет первой страной в мире, где намерены создать грандиозную систему мониторинга состояния верхних слоев атмосферы. В центре этой системы - Обнинск.
Было время, когда советские ученые были "впереди планеты всей" по изучению верхних слоев атмосферы - они тогда запускали метеорологические ракеты, зонды, использовали радиолокационные станции, акустические и оптические радары. И сейчас это время, похоже, возвращается - в России принята федеральная целевая программа (ФЦП) по созданию системы мониторинга верхней атмосферы.
Внушительная часть этой системы создается в обнинском НПО "Тайфун".
…Еще лет 40 назад был придуман простой, но остроумный способ слежения за скоростью и направлением ветра, а также турбулентностью - на высотах 80-105 км, то есть в мезосфере.
Ежеминутно в земную атмосферу из космоса вторгаются "пришельцы" - пылинки, мелкие камушки. Наверное, всякий видел по ночам, как "звезды" падают с неба - это и есть всякая космическая мелочь, оставляющая при сгорании яркий светящийся след. Их называют метеорами. Так вот, локаторами можно засечь трансформацию метеорного следа, отследить то, как он меняется под воздействием ветра, а затем вычислить скорость и направление воздушного потока и его турбулентность.
Тогда же в СССР были построены несколько метеорных радиолокационных станций (РЛС), одна из них до сих пор функционирует под Обнинском, недалеко от деревни Вашутино. Но они устарели, и сейчас в НПО "Тайфун" разрабатывается метеорная РЛС нового поколения. Этот прибор будет значительно превосходить своих предшественников по точности измерений.
Уже в 2011 году планируется создать опытный образец станции. А дальше начнется самое интересное - в разных точках страны установят семь современных РЛС и объединят их в единую сеть с единым центром приема информации.
Одновременная локация заоблачных высот из разных точек создаст целостную картину происходящего в мезосфере. Но и это еще далеко не все. Будет создана сеть из нескольких оптических локаторов - лидаров. Их задача - следить за состоянием более низкого атмосферного слоя - стратосферы (до 80 км).
Лидары в стране вообще-то уже есть, один из них работает в Обнинске на территории высотной метеомачты. Но они тоже устарели, а новые, которые сейчас также разрабатывают в НПО "Тайфун", отличаются повышенной точностью измерений температуры, давления, плотности, количества озона, аэрозолей и других параметров.
Всего же в стране создается более десятка различных сетей по наблюдению за верхней атмосферой. Все сетевые станции планируется сделать максимально автоматизированными, даже дистанционно управляемыми для того, чтобы воздействие человеческого фактора на измерения свести к минимуму.
Подобной разветвленной сети мониторинга верхних слоев нигде в мире нет. Столь масштабных наблюдений не планировала еще ни одна страна, Россия станет первой. И что замечательно - единый информационный центр, куда потечет поток данных со всех наблюдательных станций, расположится в Обнинске, на территории НПО "Тайфун", для него уже выделено место.
По планам, все сети должны начать работу в 2015 году, и график работ, несмотря на кризис, выдерживается. Финансирование ФЦП хотя и сокращается, тем не менее, сейчас денег на проектирование станций хватает. Но "прощупывания" атмосферы радарами мало, картина получится все-таки неполной. Поэтому уже через 4 года возобновятся запуски метеорологических ракет, которые в нашей стране не летали уже 12 лет. Это будет новая твердотопливная двухступенчатая ракета МР-30, способная подниматься на высоты более 300 км.
Обнинскому "Тайфуну" поручена разработка научной аппаратуры для новой ракеты - ее "мозгов". Как говорит Владимир Иванов, ракетное зондирование атмосферы очень важно для науки: "Во-первых, это контактные измерения, при которых аппаратура непосредственно контактирует с изучаемым объектом, а во-вторых, ракета позволяет получить практически одномоментный вертикальный "срез" всей толщи атмосферы".
Стартовать в околоземное космическое пространство ракета МР-30 будет с полигона в поселке Тикси на Таймыре. Его начали создавать еще в 90-е годы: построили стартовые площадки, склады, системы энергообеспечения. И все это из-за нехватки денег пришлось законсервировать. А сейчас уже началась "реанимация" полигона.
Первый старт МР-30 назначен на 2011 год. И это еще не все. Наши ученые собираются вести контроль над состоянием верхних слоев атмосферы не только наземными средствами, локаторами и ракетами, но и космическими. В 2011-2015 годах запустят несколько спутников, которые станут следить за количеством озона в атмосфере. И НПО "Тайфун" дано задание разработать и изготовить соответствующую аппаратуру. Федеральная целевая программа дала обнинскому институту столько работы, что там не помышляют ни о сокращениях, ни об уменьшении зарплаты. Наоборот, со слов Владимира Иванова, даже было принято несколько молодых специалистов. А средняя зарплата тех, кто работает по этой программе, — 25 тыс. руб.
Заключение
В настоящее время существует около десятка действующих сетей (линеек) приемников на базе НО спутниковых навигационных систем в различных регионах мира (России, Великобритании, Скандинавии, на Финляндии, Гренландии, Карибском бассейне, на Аляске), которые активно используются для исследовательских целей. Начаты работы по созданию РТ-цепочки в Индии, планируется продолжение работ в Юго -Восточной Азии с запуском специализированных спутников . К настоящему времени получено много новой геофизической информации.
Были исследованы как интересные формы хорошо известных структур (провал, перемещающиеся ионосферные возмущения, ЭА и т. д.), так и малоизвестные структуры ("пальцеобразные " структуры, наклонный провал и др.). Часть РТ-результатов невозможно получить другими методами. Например, узкий наклонный провал не виден ионозондом, "пальцеобразные " неоднородности на больших высотах не выделяются методом некогерентного рассеяния и т.д. Если измерения проводить на нескольких приемных цепочках, расположенных на расстояниях порядка нескольких сотен километров друг от друга, можно исследовать трехмерную структуру ионосферы. Основным существенным ограничением метода НО РТ является необходимость создания систем со многими линейками приемников. Принципиальное отличие НО РТ–системы от традиционных средств ионосферной диагностики состоит в том, что это распределенная система: перемещающиеся ИСЗ и сеть приемников дают возможность непрерывно зондировать среду по всем возможным направлениям и восстанавливать пространственную структуру ионосферы. В настоящее время созданы томографические системы регионального мониторинга ионосферы в ряде стран. Подобные НО РТ -системы приемников могут стать основой сети глобального мониторинга ионосферы .
Список используемой литературы
1. Андреева Е.С., Гохберг М.Б., Куницын В.Е., Терещенко Е.Д. и др. Радиотомографическая регистрация возмущений ионосферы от наземных взрывов // Космические исследования. 2001
2. Андреева Е.С., Куницын В.Е., Терещенко Е.Д. и др. Томографическая реконструкция провала ионизации околоземной плазмы // Письма в ЖЭТФ. 1990
3. Куницын В. Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С. Радиотомография ионосферы. М.: Наука, 2006
4. Ораевский В. Н., Куницын В.Е., Ружин Ю.Я. и др . Радиотомографические сечения субавроральной ионосферы на трассе Москва –Архангельск // Геомагнетизм и аэрономия. 1995