• Методы исследования волновых процессов и атмосферной динамики планет земной группы (Венера, Земля, Марс) с помощью радиозатменных спутниковых и зондовых измерений

  Целью исследований является решение конкретной фундаментальной проблемы – создания эффективных методов анализа радиофизических (радиозатменных) спутниковых измерений для изучения волновых процессов (внутренние волны в стратосфере, мезосфере и ионосфере) и атмосферной динамики (регулярные и турбулентные слои) планет земной группы (Венера, Земля, Марс) и для определения их роли в формировании теплового режима и климата. Результаты наблюдений показывают, что именно волновые процессы определяют атмосферную динамику на всех высотах. Важная роль внутренних гравитационных волн (ВГВ) заключается в обеспечении ими эффективного механизма переноса энергии и импульса с нижних атмосферных уровней на верхние уровни. Внутренние атмосферные волны также обусловливают многие процессы в ионосфере. Согласно современным представлениям, перемещающиеся ионосферные возмущения и спорадические E-слои в умеренных широтах являются ионосферным проявлением ВГВ в преимущественно нейтральной атмосфере. Источником генерации внутренних волн в атмосфере могут являться: тепловые контрасты вблизи поверхности, топография, сдвиговая неустойчивость ветра, конвекция и фронтальные процессы. В атмосфере Земли в отсутствие диссипации энергии, амплитуда волновых возмущений скорости ветра или температуры растет примерно экспоненциально с увеличением высоты и поэтому возмущения с малой амплитудой вблизи поверхности могут производить значительные эффекты на больших высотах, где происходит обрушение атмосферных волн и передача энергии и импульса ВГВ в невозмущенный поток. Поскольку внутренние гравитационные волны являются характерной особенностью устойчиво стратифицированной атмосферы, то аналогичные эффекты можно ожидать в атмосферах Венеры и Марса.
  Исходным материалом при исследовании динамических структур и внутренних волн в атмосферах и ионосферах планет является имеющаяся база радиозатменных данных (содержит около 2 млн. сеансов измерений), полученных в ходе работы спутниковых миссий: GPS/MET, CHAMP, GRACE, COSMIC/FORMOSAT-3, METOP (Земля); ВЕНЕРА-15 и -16, MAGELLAN, VENUS EXPRESS (Венера) и MARS GLOBAL SURVEYOR, MARS EXPRESS (Марс). Апробация и проверка разработанных методов будет проведена с помощью высокоточных радиозондовых измерений температуры и скорости ветра (база данных содержит около 0.7 млн. сеансов зондовых измерений) в атмосфере Земли.

  
  

• Метод определения характеристик внутренних атмосферных волн, обусловливающих наклон спорадических Е-слоев в ионосфере Земли

  Разработан метод определения характеристик внутренних атмосферных волн, базирующийся на использовании наклонных спорадических Е-слоев ионосферы в качестве детектора. Метод основан на том, что внутренняя волна, распространяющаяся через изначально горизонтальный спорадический Е-слой, приводит к вращению градиента плотности плазмы в направлении волнового вектора и к повороту плоскости ионизации слоя параллельно фазовому фронту волны. Разработанный метод позволяет исследовать взаимосвязи между мелкомасштабными внутренними волнами и спорадическими Е-слоями в ионосфере Земли и существенно расширяет возможности традиционного радиозатменного мониторинга атмосферы. Найдено, что исследуемые внутренние атмосферные волны имеют периоды от 35 до 46 минут и вертикальные фазовые скорости от 1.4 до 2.0 м/с, что хорошо согласуется с результатами независимых экспериментов и данными моделирования спорадических Е-структур на высоте ~100 км в полярной шапке Земли.
  Радиозатменные измерения спутника CHAMP (Challenging Minisatellite Payload) были использованы для исследования спорадических Е-слоев в ионосфере Земли. На рис. 1 представлены результаты определения положения и наклона ионосферных слоев по данным обработки радиосигналов на частоте 1575.42 МГц глобальной системы позиционирования (сеанс 28 июля 2003 года, 21 ч 08 мин LT; координаты перигея луча 71.4°N, 67.3°W). Параметры ионосферных структур определялись на основе анализа высотных вариаций фазового пути (эйконала) и интенсивности радиозатменного сигнала. Это позволило оценить пространственное смещение плазменных структур по отношению к перигею радиолуча, определить величины углов наклона слоев к локальному горизонту, а также найти высоты истинного расположения слоев.
  Распространение внутренней атмосферной волны модулирует структуру изначально горизонтального спорадического Е-слоя и приводит к вращению градиента плотности плазмы в направлении ее волнового вектора. На основе того, что внутренняя гравитационная волна (ВГВ) обусловливает угол наклона спорадического Е-слоя, поворачивая плоскость ионизации слоя параллельно ее фазовому фронту, мы разработали новый метод определения характеристик внутренних атмосферных волн, связанных с наклонными спорадическими структурами в ионосфере Земли. Этот метод позволяет исследовать взаимосвязи между мелкомасштабными внутренними волнами и спорадическими Е-слоями в ионосфере Земли и существенно расширяет возможности традиционного радиозатменного мониторинга атмосферы [1, 4, 5].

  

  Рис. 1. Cравнение рефракционных ослабленией X_a и X_p, полученных из вариаций интенсивности и эйконала радиозатменного сигнала CHAMP на GPS-частоте f₁ = 1575.42 MHz (кривые 1 и 2 на панели I, соответственно). Амплитуды A_a и A_p аналитических сигналов, связанных с вариациями рефракционных ослаблений X_a и X_p (кривые 1 и 2 на панели II, соответственно). Определение положения и наклона для первого (а) слоя путем использования амплитуд A_a и A_p (панель III). Определение положения и наклона для второго (b) слоя на основе сравнения амплитуд A_a и A_p (панель IV).

• Исследование зональной циркуляции атмосферы Венеры по данным анализа радиозатменных измерений спутников “Венера-15 и -16”

  Вертикальные профили температуры и давления, полученные из радиозатменных измерений спутников “Венера-15 и -16”, которые были проведены в период с октября 1983 года по сентябрь 1984 года, используются для анализа скорости ветра в атмосфере Венеры. Найдены высотные и широтные зависимости зональной скорости ветра в средней атмосфере для Северного и Южного полушарий планеты на высотах от 50 до 80 км в интервале широт 60°–85°. Зональные скорости определялись в предположении циклострофического баланса атмосферы. Широтные зависимости зональной скорости ветра для Южного (левая панель) и Северного (правая панель) полушарий Венеры на четырех уровнях давления: 1–602 мбар; 2–493 мбар; 3–222 мбар; 4–30 мбар приведены на рис. 2. Установлено, что струйное течение с максимальной скоростью ~100 м/с, ось которого расположена вблизи уровня 60 км на широтах 73°–75°N, реально существует в Северной приполярной атмосфере планеты. Результаты определения скорости ветра в Южном полушарии четко показывают, что струйное течение здесь расположено на высоте около 62 км в интервале широт от 70° до 72°S, а величина максимума зональной скорости достигает ~115 м/с. Обнаружено, что указанные джеты в высоких широтах обусловлены наличием отрицательных широтных градиентов температуры на высотах ниже осей струйных течений в приполярной атмосфере Венеры [3].

  

  Рис. 2. Широтные зависимости зональной скорости ветра для Южного (левая панель) и Северного (правая панель) полушарий Венеры на четырех уровнях давления: 1–602 мбар; 2–493 мбар; 3–222 мбар; 4–30 мбар.

• Восстановление характеристик внутренних волн в северной полярной атмосфере Венеры по результатам анализа радиозатменных измерений

  Наблюдения интенсивности радиозатменных сигналов обеспечивают важную информацию о мелкомасштабной структуре волновых процессов в атмосфере. Известно, что внутренние волны являются характерной особенностью устойчиво стратифицированных атмосфер планет земной группы. Измерения интенсивности радиозатменного сигнала (длина волны 32 см) спутников Венера-15 и -16, проведенные в октябре 1983 года, используются для анализа активности мелкомасштабных внутренних волн в северной полярной атмосфере Венеры. Параметры радиозатменных сеансов Венера-15 и -16, проанализированных нами для мониторинга активности внутренних волн и определения их характеристик в северной полярной атмосфере Венеры, представлены в табл. 1 [9]. Здесь указаны: номер и время проведения сеанса измерений, аппарат, широта и долгота зондируемого района, зенитный угол Солнца (Z), высота тропопаузы (h_t) и высота минимума температуры (h_min) для района измерений. Эти характеристики были найдены при обработке данных с целью восстановления атмосферных профилей плотности, давления и температуры. Сравнение результатов измерений и стандартной волновой теории показывает, что мелкомасштабные флуктуации интенсивности (вертикальная длина ~1 км) принимаемого сигнала на высотах ~61.5 км и выше в полярной атмосфере обусловлены вертикально распространяющимися внутренними гравитационными волнами. Разработанная модель радиационного демпинга флуктуаций интенсивности с высотой в атмосфере Венеры предполагает, что собственные частоты (измеряемые в системе отсчета движущейся вместе с невозмущенным потоком) для идентифицированных внутренних волн в семи анализируемых сеансах находятся в интервале 3.5–9.5·10^–4 рад/с. При этом, собственный период и горизонтальная длина волны изменяются от 1.8 до 5 часов и от 21 до 57 км, соответственно [9].

  

• Дифракционные явления в радиозатменных сеансах измерений северной полярной атмосферы Венеры с помощью спутников «Венера-15 и -16»

  В период с октября 1983 по сентябрь 1984 года с помощью спутников «Венера-15 и -16» были проведены многократные сеансы радиозатменных измерений в атмосфере Венеры. На рис. 3 представлены примеры измерений нормированной интенсивности (I) сигнала с λ = 32 см для трех анализируемых радиозатменных сеансов Венера-15 и -16. Величина I определяется как отношение значений интенсивности сигнала, измеряемых в данный момент и в свободном пространстве до входа в атмосферу планеты [9]. Нормированная интенсивность I является безразмерной величиной, и она остается примерно постоянной (~1.0) до тех пор, пока не начинается просвечивание нейтральной атмосферы (относительное время ~0 сек, высота ~100 км). Анализ высотных профилей интенсивности дециметрового (длина волны ~32 см) сигнала, полученных при радиозондировании северной полярной атмосферы Венеры вблизи тропопаузы, показал, что здесь условия для формирования дифракционной картины были такими же, как для случая, когда свет падает на край непрозрачной полуплоскости. Определено, что нижний край данной полуплоскости расположен вблизи уровня полярной тропопаузы Венеры на высотах от ~58.2 до ~58.7 км от поверхности планеты. С помощью спирали Корню найдено, что наблюдаемые особенности (амплитудные осцилляции) распространения радиоволн обусловлены дифракцией Френеля дециметрового сигнала в зоне, расположенной ниже уровня полярной тропопаузы Венеры. Практическая значимость изучения дифракционных явлений связана с определением и учетом потенциальных источников погрешностей в сеансах радиозатменных измерений в атмосферах планет.

  

  Рис. 3. Зависимости интенсивности сигнала с λ = 32 см от времени в северной полярной атмосфере Венеры для радиозатменных сеансов 24, 30 и 42 (заходы) спутников Венера-15 и -16. Относительное время t = 0 сек соответствует высоте перигея луча ~100 км над поверхностью планеты с радиусом 6051 км. Тропопаузы зондируемых районов атмосферы расположены на высотах: ~57.6 км (сеансы 24, 30) и ~59.0 км (сеанс 42).

• Метод определения профилей коэффициента поглощения дециметровых радиоволн в ионосфере Земли по радиозатменным данным

  Разработан метод восстановления вертикальных профилей коэффициента поглощения дециметровых (длина волны ~19 см) радиоволн путем решения обратной задачи радиопросвечивания о поглощении сигнала в D- и Е-областях ионосферы Земли. Геометрия задачи показана на рис. 4, где n лучей проходит через ионосферу планеты, состоящую из n сферических слоев. Рис. 4 иллюстрирует и объясняет способ решения обратной задачи о поглощении радиоволн, в котором не используется преобразование Абеля. Каждый слой ионосферы имеет постоянный коэффициент поглощения Z и постоянную толщину Δr = Δh = 2 км. По результатам анализа радиозатменных данных FORMOSAT-3/COSMIC определены высотные профили коэффициента поглощения дециметровых радиоволн в ионосфере планеты. Оценкой погрешности δZ для анализируемого профиля Z(h) служила абсолютная величина его максимальной невязки при решении обратной задачи о поглощении радиоволн. Этот метод является общим и может быть использован для различных диапазонов радиоволн и других сигналов глобальных навигационных спутниковых систем. Практическая значимость исследования эффектов поглощения дециметровых радиоволн в D- и Е-областях ионосферы Земли связана с обеспечением бесперебойной работы систем космической радиосвязи и навигации [13].

  

  Рис. 4. Разрез ионосферы Земли, состоящей из n сферических слоев.

• Решение обратной задачи поглощения ДМ-радиоволн в ионосфере Земли во время геомагнитной бури в июне 2015 года

  По результатам анализа радиозатменных измерений FORMOSAT-3/COSMIC, выполненных во время магнитной бури в июне 2015 года, впервые обнаружено поглощение дециметровых (ДМ) радиоволн (длина волны ~19 см) в нижней ионосфере высоких широт Земли. Величина интегрального поглощения составляет ~3 дБ в интервале высот 60–90 км, а в отдельных случаях достигает ~10 дБ на высотах от ~90 до ~95 км [7, 8, 10, 12]. Предложен метод восстановления вертикальных профилей коэффициента поглощения в ионосфере Земли путём решения обратной задачи о поглощении радиоволн [13]. Надёжно идентифицированы ионосферные слои поглощения, обусловленные как мощными всплесками рентгеновского излучения, так и геомагнитными условиями во время главной фазы бури. Найдено, что в отдельных сеансах радиозатменных измерений на высотах от ~90 до ~100 км величина коэффициента поглощения ДМ-радиоволн достигала значений (5.69 ±1.35)∙10^–3 дБ/км [10, 13]. В табл. 2 представлены высотные интервалы поглощения ДМ-радиоволн в ионосфере Земли, высоты h_max максимумов коэффициента поглощения и значения максимумов Z_max для анализируемых сеансов измерений.
  
  Таблица 2. Высотные интервалы поглощения ДМ-радиоволн в ионосфере Земли, высоты h_max максимумов коэффициента поглощения и значения максимумов Z_max

  

• Усовершенствование классического метода годографа скорости ветра для анализа радиозондовых измерений в атмосфере Земли

  Разработана усовершенствованная версия классического метода годографа скорости ветра, основанная на комбинированном анализе одновременных измерений скорости и температуры, которая определяется с высокой точностью (~0.2 K) в радиозондовых измерениях. Для достижения минимальных погрешностей в результатах реконструкции характеристик внутренних гравитационных волн (ВГВ) в атмосфере Земли используется поляризационное соотношение между волновыми вариациями скорости ветра и температуры. Практическое применение усовершенствованного метода особенно актуально в случаях, когда величина аксиального отношения для определяемого эллипса поляризации ВГВ является малой, и стандартной точности измерения скорости (~1 м/с) в данных радиозондов недостаточно для качественного восстановления характеристик внутренних атмосферных волн [2, 6, 11]. Новизна разработанной усовершенствованной версии заключается в том, что она дает возможность разрешить значительно больше волн по сравнению со случаем применения классического метода годографа скорости ветра.

В 2019 – 2021 годах сотрудники лаб. 117 принимали участие в выполнении работ по гранту РФФИ № 19-02-00083 А (шифр «Ветер») «Методы исследования волновых процессов и атмосферной динамики планет земной группы с помощью радиозатменных спутниковых измерений» (рук. к.ф.-м.н. Губенко В.Н.).

Информация о лаборатории доступна также на сайте Фрязинского филиала ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН