Визначення електронної концентрації іоносферної плазми методом некогерентного розсіяння радіохвиль у режимі двочастотного зондування - Автореферат

Дисертаційну роботу присвячено розширенню можливостей радіофізичного методу некогерентного розсіяння (НР) для визначення електронної концентрації іоносферної плазми шляхом розширення висотного діапазону та підвищення точності визначення просторово-часових варіацій електронної концентрації іоносферної плазми в спокійні періоди, а також під час геомагнітних та антропогенних збурень. Результати досліджень, представлені в дисертації, одержано в рамках НДР за 2000-2008 роки, що виконувалися в Інституті іоносфери НАН і МОН України, в яких автор брав участь як виконувач тем, а саме: “Дослідження теплових, динамічних і фотохімічних процесів в нижній частині області F іоносфери”, номер держреєстрації 0103U001544; “Дослідження властивостей іоносферної плазми в областях E і F іоносфери”, номер держреєстрації 0102U002996, “Дослідження середньоширотної іоносфери під час геокосмічних збурень в період низької сонячної активності”, номер держреєстрації 0105U002365; “Дослідження впливу магнітних бур і сонячних спалахів на теплові та динамічні процеси в навколоземній космічній плазмі на фазі зниження сонячної активності”, номер держреєстрації 0102U001301; “Експериментальні та теоретичні дослідження сезонних та добових варіацій космічної погоди для створення передбачуваних методик”, номер держреєстрації 0107U004527. Для досягнення поставленої мети необхідно було розвязати такі задачі: - розробити спосіб визначення електронної концентрації одночасно в діапазоні висот 100-1000 км з урахуванням особливостей висотної структури іоносфери і процесу некогерентного розсіяння радіохвиль в цьому діапазоні висот; Обєктом дослідження є процес некогерентного розсіяння радіохвиль іоносферною плазмою, параметри якої визначають характеристики НР сигналу. електронний концентрація іоносферний плазма Наукова новизна результатів дисертаційної роботі полягає у такому: - розроблено та реалізовано спосіб визначення електронної концентрації в іоносфері, який полягає в тому, що до інформації про потужність НР сигналу та температури частинок, отриману при зондуванні імпульсом великої тривалості, запропоновано додавати одержані з високим розрізненням дані про потужність сигналу розсіяння, отримані при зондуванні в діапазоні висот 100-200 км одночасно коротким імпульсом на іншій частоті;У вступі надано основну характеристику дисертації, обґрунтовано актуальність досліджень висотно-часового розподілу електронної концентрації та параметрів НР сигналу в діапазоні 100-1000 км в спокійних та збурених умовах, показано звязок з науковими темами і програмами. Обчислюються потужність та оцінка КФ НР сигналу з розрізненням з висотою ?h»CT/2. Відомо, що Ne найбільш швидко змінюється з висотою нижче максимуму F2, іоносферні шари знаходяться у діапазоні висот 100-400 км, а далі Ne повільно зменшується з висотою. З врахуванням цього, висотний хід відношення Te/Ti розраховується шляхом інтерполяції від 1 у діапазоні 90-180 км до значень, отриманих з висоти ~ 200 км, де визначено КФ НР сигналу. Проведено моделювання процесу вимірювання параметрів НР сигналу і визначено похибки, що виникають при визначенні потужності і нормованих КФ НР сигналу та Ne для двочастотного вимірювального каналу.У роботі розвязано актуальну задачу визначення електронної концентрації іоносферної плазми одночасно у діапазоні висот 100-1000 км, для чого розроблено вдосконалений спосіб визначення електронної концентрації з покращеним висотним розрізненням, методики обробки НР сигналу і апаратуру що його реалізовує; розвинено модель узагальненого вимірювального каналу, експериментально протягом 2003-2008 років отримано та проаналізовано дані про просторово-часові варіації електронної концентрації в спокійні та збурені періоди методом НР. Основні результати дисертаційної роботи полягають у наступному: 1.Розроблено та реалізовано на Харківському радарі некогерентного розсіяння спосіб визначення електронної концентрації в іоносфері з використанням двохімпульсного двочастотного зондую чого сигналу; Розроблено структуру двочастотного вимірювального каналу та надано розвиток моделі узагальненої схеми вимірювального каналу, яка враховує виміряну характеристику зміни потужності в імпульсному обємі та ефекту фарадеєвського обертання площини поляризації. Вперше у східноевропейському регіоні в період з 2003 по 2007 роки отримано дані про варіації електронної концентрації в інтервалі висот 100-1000 км одночасно та з покращеним висотним розрізненням нижче максимуму F2, у тому числі під час сонячних затемнень, надсильних і помірних магнітних бур, а також збурень, викликаних стартами потужних ракет. Вперше з використанням розробленого методу отримано експериментальні дані про висотно-часовий розподіл електронної концентрації в широкому діапазоні висот 100-1000 км в умовах геомагнітних збурень.

Основний зміст роботи

У роботі розвязано актуальну задачу визначення електронної концентрації іоносферної плазми одночасно у діапазоні висот 100-1000 км, для чого розроблено вдосконалений спосіб визначення електронної концентрації з покращеним висотним розрізненням, методики обробки НР сигналу і апаратуру що його реалізовує; розвинено модель узагальненого вимірювального каналу, експериментально протягом 2003-2008 років отримано та проаналізовано дані про просторово-часові варіації електронної концентрації в спокійні та збурені періоди методом НР.

Основні результати дисертаційної роботи полягають у наступному: 1.Розроблено та реалізовано на Харківському радарі некогерентного розсіяння спосіб визначення електронної концентрації в іоносфері з використанням двохімпульсного двочастотного зондую чого сигналу;

2. Розроблено структуру двочастотного вимірювального каналу та надано розвиток моделі узагальненої схеми вимірювального каналу, яка враховує виміряну характеристику зміни потужності в імпульсному обємі та ефекту фарадеєвського обертання площини поляризації.

2. Виконано моделювання процесу вимірювання основних параметрів іоносфери, оцінено точність їх визначення. Має місце істотне зменшення похибки при використанні даних елементу вимірювального каналу із зондуючим імпульсом малої тривалості в районі максимуму шару F2 і нижче.

3. Вперше у східноевропейському регіоні в період з 2003 по 2007 роки отримано дані про варіації електронної концентрації в інтервалі висот 100-1000 км одночасно та з покращеним висотним розрізненням нижче максимуму F2, у тому числі під час сонячних затемнень, надсильних і помірних магнітних бур, а також збурень, викликаних стартами потужних ракет.

4. Для оцінки достовірності отриманих результатів і аналізу регіональних особливостей розподілу Ne на середніх широтах Європи проведено порівняння результатів, отриманих експериментально, з розрахунками по міжнародній моделі IRI-2001. Спостерігається принципова збіжність по характеру висотного і часового розподілу з даними, отриманими на радарі в Харкові.

5. Вперше з використанням розробленого методу отримано експериментальні дані про висотно-часовий розподіл електронної концентрації в широкому діапазоні висот 100-1000 км в умовах геомагнітних збурень.

6. Вперше для середніх широт Європи отримано дані про просторово-часовий розподіл неоднорідностей Ne, що викликають явище “когерентне ехо”. Розсіяні від цих неоднорідностей сигнали приймаються бічними пелюстками зенітної антени, перпендикулярними силовим лініям магнітного поля.

7. Встановлені звязки між змінами геомагнітних індексів і параметрів сонячного вітру з варіаціями ехо сигналу. Квазікогерентний сигнал високої інтенсивності зявляється в період, коли сумісно концентрація протонів, швидкість і температура плазми сонячного вітру набувають максимальних значень (чи є різкі зміни параметрів), а індекс Dst - негативних значень (100-300 НТЛ).

8. Вперше отримано результати спостережень іоносферних збурень з високим просторовим розділенням, викликаних запуском потужної ракети. Використання двочастотного способу зондування і вдосконалених методик вимірювань дозволило локалізувати збурення іоносфери у просторі та часі.

1. Лысенко В.Н. Методика корреляционной обработки сигналов, некогерентно рассеянных ионосферной плазмой /В.Н. Лысенко, Ю.В. Черняк // Радиотехника. Всеукр. межв. нучн. техн. сб. 2006. Вып. 146. С. 178-186.

2. Лысенко В.Н. Двухчастотный измерительный канал для определения параметров ионосферы методом некогерентного рассеяния /В.Н. Лысенко, Ю.В. Черняк // Радиофизика и электроника: Сборник научных трудов / НАН Украины. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова. Харьков, 2005. Т.10, №2. C. 217- 223.

3. Лысенко В.Н. Обнаружение помехи при оценке параметров сигнала некогерентного рассеяния /В.Н. Лысенко, Т.А. Скворцов, Ю.B. Черняк // Радіофізика и електроніка: вісник ХНУ ім. Каразіна. 2004. Вип. 2. С. 234-240.

4. Лысенко В.Н. Определение параметров ионосферы при изменениях космической погоды. /В.Н. Лысенко, Ю.В. Черняк // Радиофизика и электроника: Сборник научных трудов / НАН Украины. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова. Харьков, 2006. Т.11, №3. C. 409-414.

5. Бурмака В.П. Волновые процессы в F-области ионосферы, сопутствовавшие стартам ракет с космодрома Байконур /В.П. Бурмака, В.Н. Лысенко, Л.Ф. Черногор, Ю.В. Черняк // Геомагнетизм и аэрономия. 2006. Т.46, № 6, C. 783-800.

6. Бурмака В.П. Волновые возмущения в геокосмосе, сопровождавшие старты и полеты ракет “Протон” и “Союз” /В.П. Бурмака, Л.Ф. Черногор, Ю.В. Черняк // Радиофизика и радиоастрономия. 2005. Т10, №3. С. 254-272.

7. Черняк Ю. В. Совместное использование методов некогерентного рассеяния и вертикального зондирования для определения электронной концентрации ионосферной плазмы /Ю.В. Черняк // Космічна наука і технологія. 2003. Т9, №2. С. 53-56.

8. Лысенко В.Н. Особенности методики определения параметров ионосферной плазмы во время естественных возмущений в ионосфере /В.Н. Лысенко, Ю.В. Черняк // Космическая наука и технология, 2004. Т10, №5/6, С. 110-113.

9. Ляшенко М. В. Суточные и сезонные вариации параметров ионосферной плазмы в период спада солнечной активности /М. В. Ляшенко, И. Б. Скляров, Л.Ф. Черногор, Ю.В. Черняк // Космічна наука і технологія. 2006. Т. 12, № 2/3. С. 45-58.

10. Пат. 63076 Україна, МПК G01N27/00. Спосіб визначення параметрів іоносфери / Черняк Ю. В. Таран В.І., Лисенко В.М; опубл. 15.01.2004, Бюл. № 1, 2004.

11. Черняк Ю. В. Определение электронной концентрации в ионосфере методом некогерентного рассеяния на Харьковском радаре метрового диапазона // Взаимодействие полей и излучения с веществом: VII Конференциy молодых ученых БШФФ-2004, 13-18 сентября 2004 г.: Иркутск, Изд-во ИСЗФ СО РАН, 2004. С. 105-107.

12. Лысенко В.Н. Радиофизические исследования ионосферы во время сильных геомагнитных возмущений /В.Н. Лысенко, Ю.В. Черняк // Шестая украинская конференция по космическим исследованиям, 3-10 сентября 2006 г: сборник тезисов - Евпатория, ИКИ НАНУ-НКАУ, 2006. С. 50.

13. Дзюбанов Д. А. Применение модели ионосферы IRI-2001 для прогностического и ретроспективного анализа и ее тестирование про данным радара НР Института ионосферы. /Д. А. Дзюбанов, В.Н. Лысенко, Ю.В. Черняк // Седьмая украинская конференция по космическим исследованиям, 3-8 сент. 2007 г: сборник тезисов. Евпатория: ИКИ НАНУ-НКАУ 2007. С. 89.

14. Cherniak Iu.V. Observations of weak ionosphere disturbances on the Kharkov incoherent scatter radar /Iu.V. Cherniak, V.N. Lysenko // 7th COSPAR Scientific Assembly: internat. conf., 13-20 July 2008: book of abstr. Montreal, 2008. P. 259.

15. Cherniak Iu.V., Observations results of midlatitude coherent backscatter the Kharkov Incoherent Scatter Radar / Iu.V. Cherniak, V.N. Lysenko // XXIX URSI General Assembly: internat. conf., 7-16 August 2008: book of abstr. Chicago, 2008. P. 329.

16. Cherniak Iu.V. Radiophisical observations of ionosphere disturbances generated by heavy class launch vehicle start / Iu.V. Cherniak, V.N. Lysenko, Y.I. Podyachiy // XXIX URSI General Assembly: internat. conf., 7-16 August 2008: book of abstr. Chicago, 2008. P. 332.