автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Анализ, оценка и прогноз состояния канала распространения коротких радиоволн в высоких широтах

На правах рукописи

Сергеева Мария Александровна

Анализ, оценка и прогноз состояния канала распространения коротких радиоволн в высоких широтах

Специальность 05 13 01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2007

003066612

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП)

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор Благовещенский Донат Владимирович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Монаков Андрей Алексеевич,

кандидат технических наук, доцент Кулешов Юрий Владимирович;

Ведущая организация

Санкт-Петербургский филиал института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн

Защита состоится «30 » . 2007 года в часов на заседании диссертационного

совета Д 212 233 02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу 190000, Санкт-Петербург, ул Большая Морская, 67.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу 190000, Санкт-Петербург, ул Большая Морская, 67

Автореферат разослан 1

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор 4—'' ~ Л А Осипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации исследована специфика воздействий высокоширотной ионосферы, главным образом ионосферных возмущений за счет суббурь и мировых магнитных бурь, на условия распространения декаметровых радиоволн в приполярных областях Анализ проводился на различных радиотрассах (авро-ральных, субаврорапьных, трансавроральных), преимущественно оборудованных аппаратурой наклонного зондирования ионосферы. Привлекались также данные магнитометров, риометров, радаров Условия распространения обоснованы с феноменологической и физической точек зрения. Выявлены общие неизвестные до сих пор закономерности и тенденции в распространении радиоволн во время возмущений, полезные для построения систем передачи, приема и обработки информации в высоких широтах

Актуальность

Физика околоземного пространства, особенно с точки зрения космической погоды, в настоящее время является областью значительного внимания ученых-исследователей и относится к числу важных, актуальных направлений в науке. Представления о космической погоде, то есть о динамических, сильно меняющихся условиях в околоземной среде, включают условия на Солнце, в межпланетном пространстве, в системе магнитосфера - ионосфера - атмосфера Земли Солнечные вспышки, пятна и т п вызывают в околоземном пространстве резкие изменения Неблагоприятные изменения космической погоды влияют на надежность работы как космических аппаратов, так и различных систем типа связи, навигации, энергетических линий и пр Важнейшей задачей является предсказание и смягчение эффектов космической погоды

Магнитосферные бури и суббури вызывают геомагнитные возмущения, следствием которых является широкий спектр неоднородностей и процессов в ионосфере Земли Классическая картина ионосферного возмущения подтверждается многочисленными наблюдениями Однако, физическая природа многих механизмов еще недостаточно понятна Ионосферное возмущение продолжает оставаться наиболее сложным явлением в верхней атмосфере Эффекты бурь/суббурь в ионосфере зависят от большого числа параметров, таких как местное время, широта, сезон, фаза солнечной активности, интенсивность бурь/суббурь и ряда других В настоящее время для полного понимания эффектов бурь и суббурь в параметрах солнечно-магнитосферно-ионосферного взаимодействия прилагается большое количество усилий с использованием самых современных методов и средств Это подтверждается содержанием таких проектов как Интербол, Space Weather и др Однако при этом недостаточно внимания уделяется эффектам, возникающим при распространения волн различных диапазонов, хотя известно, что волны УНЧ, СВ, KB диапазонов реагируют на малейшие изменения состояния среды В настоящее время уже существуют экспериментальные данные, которые позволяют ставить задачу, например, о диагностике и дальнейшем прогнозе начала возмущений по данным распространения волн Здесь проясняющим данную постановку фактором является

знание комплекса геофизических условий, предшествующих буре или суббуре. Однако, этот вопрос проработан явно недостаточно, поскольку практически во всех работах, посвященных рассматриваемой проблеме, акцент делается на момент развития активной фазы возмущения или, по крайней мере, фазы роста, и определение их начал по различным признакам (поворот Bz к югу, появление геомагнитных пульсаций Pel и Pi2, диполи зация магнитного поля и др.). Поэтому существует настоятельная потребность в анализе данных по всем возможным проявлениям солнеч но-магнитосферно-ионосферных связей и их воздействию на распространяющиеся радиоволны в периоды возникновения суббурь и бурь,

Гис.1. Высокоширотные авиалинии.

С прикладной точки зрения актуальность данной работы определяется насущными потребностями обеспечения прогноза состояния информационных каналов и создание эффективных систем передачи и приема информации в условиях высоких широтах. В частности, крайнюю степень заинтересованности в бесперебойной коротковолновой (КВ) радиосвязи испытывают самолетные линии, пересекающие области высоких широт, которые обеспечивают пассажиров наиболее краткими по времени и расстоянию маршрутами между различными континентами земного шара (рис.1).

Цель работы состоит в том, чтобы исследовать физические эффекты в каналах распространения декаметровых радиоволн в высоких широтах и оценить их влияние на процессы передачи и приема информации

Основные задачи:

1 Выявить на основе экспериментальных данных особенности вариаций параметров высокоширотной ионосферы во время возмущенного состояния космической погоды

2 Исследовать особенности поведения радиоканалов в высоких широтах под действием геомагнитных бурь и суббурь

3 Исследовать влияние ионосферных структур на состояние радиоканалов в высоких широтах

4 Исследовать физико-математическую модель канала распространения коротких радиоволн с учетом состояния ионосферы в спокойных и возмущенных условиях

Методы исследования: В работе использованы результаты экспериментальных исследований, полученные с помощью радаров, риометров, магнитометров, диагностических методов исследования ионосферы, таких как наклонное (НЗИ) и вертикальное (ВЗИ) зондирование ионосферы, а также данные сети Интернет При выполнении аналитических исследований применялись общие методы системного анализа, методы статистической обработки экспериментальных данных и методы численного моделирования

Положения, выносимые на защиту.

1 Результаты исследования воздействия магнитосферных бурь и суббурь на распространение декаметровых радиоволн в высоких широтах

2 Основные закономерности эффекта роста максимально наблюдаемой частоты перед началом активной фазы бури (суббури) и возможности использования этого эффекта для краткосрочного прогнозирования состояния каналов передачи информации

3 Эффекты влияния высокоширотных ионосферных структур на процессы передачи информации в КВ-диапазоне в спокойных и возмущенных условиях

4 Результаты численного моделирования условий распространения радиоволн в высоких широтах для описания состояний каналов передачи информации

Научная новизна

1 Сформулированы признаки в изменениях параметров канала распространения декамеровых волн в высоких широтах, которые можно контролировать по ионограммам НЗИ, для прогнозирования развития суббурь

2 Обнаружены и объяснены феноменологически общие тенденции вариаций параметров канала передачи информации во время возмущенных состояний максимальной наблюдаемой (МНЧ) и наинизшей наблюдаемой (ННЧ) частот.

3 Показано, что в канале приема и передачи информации в высоких широтах диапазон частот Д = МНЧ-ННЧ расширяется перед бурей в течение нескольких часов, резко сужается во время бури и снова расширяется в течение нескольких часов после ее окончания

4 Предложены два критерия, которые могут служить прогностическими предвестниками активной фазы бури: рост ионизации в слое 72 за несколько часов перед и резкий рост риометрического поглощения в начале развития активной фазы бури

5 Исследована возможность использования модели канала передачи информации в КВ-диапазоне для периодов магнитных бурь и суббурь в высоких широтах

Научная и практическая ценность

1 Установлено, что амплитуда пика 5й>Р2 (разность возмущенных и спокойных значений критической частоты сигнала по слою Б) за несколько часов до начала активной фазы первой суббури лежит в пределах 20 -100% от значений йэР2 Этот пик может быть использован как критерий для осуществления краткосрочного прогноза развития бури/суббури за несколько часов до ее начала и прогноза состояния канала передачи информации

2 Показано, что на трансавроральной радиотрассе полное время выхода трассы из строя (интервал срыва связи) зависит от местного времени ЬТ Во время возмущений днем трасса выходит из строя чаще, чем ночью

3. На основе анализа данных НЗИ разработаны рекомендации для передачи информации по каналу радиосвязи

- Сравнительно короткий промежуток времени, порядка 2-3 часа, перед бурей/суббурей, когда МНЧ велика и ННЧ низка можно использовать для организации надежной передачи информации

- Организовать работу канала во время возмущения следует путем правильного выбора рабочих частот из достаточно узкого диапазона Д = МНЧ-ННЧ

4 На основе анализа большого статистического материала определены особенности передачи информации на реальных КВ-линиях связи в аврораль-ной зоне Качество декаметровой радиосвязи в авроральной зоне в основном зависит от геофизических факторов воздействия, но не от направления или длины радиотрассы

5 Несмотря на развитие новых средств телекоммуникаций, современные КВ-системы играют важную роль, в том числе и в высокоширотных областях По своим основным параметрам они могут конкурировать со спутниковыми связными системами, при этом являясь значительно дешевле последних

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Региональной "VI конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 2000), Научных сессиях аспирантов и соискателей СПбГУАП (Санкт-Петербург, 2001,2002,2005,2006,2007), Шестой Нордической конференции по коротким волнам (Фаре, Швеция, 2001), Региональных научных конференциях

«Естественные проблемы Арктического региона» (Мурманск, 2001, 2002), Седьмой Санкт-Петербургской Ассамблее молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 2002), Международной конференции по проблемам геокосмоса (Санкт-Петербург, 2002), Международной байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (Иркутск, 2003, 2006), Европейской конференции по антеннам и распространению (Ницца, 2006), VI Харьковской международной конференции молодых ученых «Радиофизика и электроника» (Харьков, 2006)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ

- 4 статьи в реферируемых журналах «Геомагнетизм и аэрономия» РАН - 1, «JASTP» AGU - 1, «Int J Geomagn Aeron » - 1 и в сборнике «Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца» СО РАН - 1, а также 3 статьи в Трудах Nordic Shortwave Conference - 1, конференции «Естественные проблемы арктического региона» -1 и конференции «Физические процессы в космосе и околоземной среде» -1, всего 7 статей,

- доклады на международных конференциях - 5, на других - 7

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 97 наименований и 8 приложений Основное содержание диссертации изложено на 156 страницах и содержит 50 рисунков и 4 таблицы

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы и сформулирована цель работы, отмечена научная новизна, научная и практическая ценность результатов, их достоверность и обоснованность

В первой главе приведены результаты исследований распространения де-каметровых радиоволн на ряде радиотрасс во время магнитосферных суббурь и умеренных бурь (буря как совокупность отдельных суббурь) Здесь важно понять изменения, происходящие в ионосфере за период этих возмущений, и каким образом эти изменения влияют на характер распространяющихся сигналов В разделе 1.1 сделан обзор литературных источников, имеющих прямое или косвенное отношение к поставленной в диссертации задаче Было выяснено, что непосредственно по теме настоящей работы другими исследователями было сделано недостаточно Скорее всего это вызвано трудностями организации надлежащих экспериментов в высоких широтах и сложностью интерпретации данных Что касается последнего, то для высоких широт интерпретация данных затруднительна даже в спокойное время, а для возмущенных условий она существенно усложняется.

В разделе 1.2 на примере магнитоактивного периода 23-28 октября 2003 года, когда имели место суббури и умеренные бури, рассмотрены главные изменения в ионосфере В конце периода, 28 октября 2003 г, на Солнце про-

изошла вспышка Х17, за ней имела место вспышка Х10, но уже 29 октября Эти вспышки вызвали очень мощные геомагнитные бури (Halloween storms) Задача настоящего исследования состояла в том, чтобы сравнить вариации двух главных ионосферных параметров - критической частоты (foF2) и высоты максимума ионизации (hmF2) слоя F2 - на двух цепочках ионозондов, расположенных в Европе и Северной Америке, за период 23 - 28 октября 2003 г Этот интервал расположен непосредственно перед бурей 28 октября и включает в себя ее начало

Относительные отклонения от спокойного уровня соответственно равны 8foF2 = [(foF2-foF2Mra)/foF2MM]-100%, 5hmF2= [(hmF2-hmF2Mes|/hmF2Mra] 100%, 5 - разность возмущенных и спокойных медианных значений

Другой задачей работы является обнаружение проявлений в ионосфере, предваряющих взрывную фазу умеренной бури или суббури. Анализ основан на использовании данных системы SPEDR Было получено следующее Положительный пик 8foF2 наблюдается за несколько часов до начала магнитной бури или суббури (рис. 2). Этот пик может служить в качестве предвестника возмущения.

at® 2

Рис

Время, часы

2 Усредненные вариации значений 6йзР2 и 5ЬтР2 в относительных единицах за период суббури со средней продолжительностью & = 3 ч для ионозондов, расположенных к югу от аврорального овала

Амплитуда значений 5й)Р2 лежит в пределах от 20 до 100% от значений £оР2 Элементы сходства вариаций значений 56^2 на двух цепочках следующие а) отмеченный пик 51ЪР2 наблюдается, как правило, перед возмущением одновременно на двух цепочках, б) вариации 5&>Р2 близки по характеру на всех

среднеширотных (или соответственно высокоширотных) ионозондах цепочки Отличия в значениях SfoF2 следующие а) воздействие главной фазы и фазы восстановления мощной бури на одной цепочке отличается от воздействия на другой цепочке, б) проявление возмущений на высокоширотных станциях цепочки отлично от проявлений на станциях средних широт Вариации 5hmF2 примерно противоположны вариациям 5foF2 и амплитуды ShmF2 лежат в интервале 15 - 25% от значений hmF2

В разделе 1.3 исследованы особенности прохождения радиоволн с точки зрения физики процессов в полярной ионосфере по данным наклонного зондирования ионосферы на приполярной радиотрассе Санкт-Петербург - Белый Нос (Амдерма) в течение летних месяцев 1997 года во время суббуревой активности. По данным НЗИ находились следующие параметры максимально наблюдаемая частота при отражении сигнала от слоя Es (EsMH4), максимально наблюдаемая частота при отражении сигнала от слоя F2 (F2MH4), соответственно наинизшие наблюдаемые частоты EsHH4 по слою Es и F2HH4 по слою F2 Также находились абсолютные значения МНЧ и соответственно ННЧ Кроме указанных параметров определялось общее количество лучей в месте приема Для исследований отбирались изолированные суббури на спокойном фоне Указанные суббури приводили к существенным изменениям ионосферного радиоканала и условий распространения на трассе Результаты исследований состоят в следующем 1) Установлены четкие закономерности в распространении коротких волн на трассе диапазон рабочих частот Д = МНЧ - ННЧ существенно сужается за период суббурь, в течение суббури происходит изменение механизма распространения радиоволн; существенный рост аврорального поглощения во время суббурь имеет место за период взрывной фазы и частично фазы восстановления суббури, многолучевость резко возрастает вблизи момента начала активной фазы суббури 2) Сформулированы признаки в изменениях параметров распространения радиоволн, которые могут быть использованы для возможного прогнозирования начала развития суббурь 3) Все выявленные закономерности в распространении коротких волн в зоне полярных сияний объяснены с геофизической точки зрения

В разделе 1.4 сформулированы главные выводы по главе 1 Во второй главе исследуется влияние магнитосферных бурь на ионосферу и распространение декаметровых радиоволн Буря, как значительно более сложное и многогранное явление, чем суббуря, оказывает на распространение радиоволн двоякое воздействие Во время интенсивных магнитных бурь имеет место полное поглощение сигнала и трасса выходит из строя Бури умеренной интенсивности, хотя и воздействуют на распространение волн по-разному, не выводят трассы из строя Некоторые общие закономерности вариаций самой ионосферы и распространения в ней радиоволн во время бурь выявлены и анализируются в главе

Раздел 2.1. посвящен результатам исследований, выполненных в рамках Координированной исследовательской программы "High-rate SolarMax IGS/GPS-campaign "HIRAC/SolarMax", инициированной европейским сообществом COST271 Цель кампании - набор данных по наземному приему тран-

сионосферных сигналов от GPS и GLONASS спутников навигации, с тем чтобы выявить картину поведения ионосферы во время текущего солнечного максимума. В проекте принимали участие более десяти европейских стран, осуществлялась геофизическая поддержка различными средствами исследования ионосферы, магнитосферы и распространения радиоволн. Наиболее интересным оказался двухдневный период наблюдений 28-29 апреля 2001 года, когда имела место магнитная буря средней интенсивности, состоящая из трех суббурь. Были проанализированы, в частности, результаты исследований со стороны России и Великобритания и сделано их научное обоснование. Эти научные результаты и являются предметом обсуждения в настоящем разделе. С российской стороны проводились следующие наблюдения: наклонное зондирование ионосферы, вертикальное зондирование, и прием GPS сигналов. Со стороны Великобритании осуществлялось НЗИ и наблюдения радаром CUTLASS. Перечисленными видами наблюдений в совокупности была охвачена значительная территория северо-западной части Европы, начиная от субавроральных широт и кончая средними.

SUPERDARN PARAMETER PLOT

3 66

и

I »

& , 3 й

ад

2 а

—т ! i f -"i ■ ■ >1 ' «С

■ 1 * Ь V. „ Ч1 ft s \hJfi 1 Iff i #!1! : у.'Л. >: Я ' 1 i

иг

29 Apr 2001 2а Apr 2001

Рис. 3. Данные радара CUTLASS за период магнитной бури.

Пример данных радара CUTLASS за период магнитной бури приведен на рис. 3, который иллюстрируют физические процессы в ионосфере и вариации параметров ее неоднородностей, обусловленные в первую очередь воздействием геофизических факторов. Здесь показана интенсивность энергии (power), рассеянной обратно от ионосферных неоднородностей, образующихся во время максимума магнитной бури. Для интервалов №2 и №3 (периоды суббурь) можно видеть достаточно протяженные по широте и времени области, где присутствуют интенсивные неоднородности. Эти области находятся на одной широте с границей диффузного высыпания. Эти неоднородности сосредоточены вблизи точки отражения "грассы Мурманск - Санкт-Петербург, К окончанию магнитной бури, после 08UT, из рис. 3 можно видеть практически пропадание неоднородностей и восстановление ионосферы до невозмущенного уровня.

Рис.4 иллюстрирует динамику полного электронного содержания (ПЭС) за периоды взрывных фаз указанных суббурь. Панель (а) показывает, что во время мощной суббури №2 в ионосфере образуются крупномасштабные неоднородности и перепады концентрации. Панель (б) демонстрирует, что во время суббури №3 в ионосфере имеет место минимум концентрации как на низких широтах 50-55°, так и на высоких 60-75°. Таким образом, по результатам анализа данных CPS можно проследить вариации значений ПЭС во время магнитной бури и составляющих ее суббурь. Они совпадают с вариациями AF2MH4 по данным наклонного зондирования ионосферы как в средних, так и высоких широтах. С точки зрения физики явлений в ионосфере это совпадение закономер-

13 UT HUT 15UT

Рис. 4. Вариации ПЭС по данным GPS за периоды взрывных фаз суббурь: (a) No2 - 2S.04 и (б) No3 - 29.04. Цифры 0-56 на шкале характеризуют значения ПЭС в единицах [1016-м

В разделе 2.2 рассмотрены ионосферные эффекты во время главной фазы экстремально интенсивной магнитной бури 20 ноября 2003 г. (Dst =-472 нТ), вызванной вспышкой на Солнце класса М 18 ноября 2003 г. В период бури проводились наблюдения методом наклонного зондирования ионосферы на скользящей частоте на двух высокоширотных радиотрассах (рис.5). Состояние ионосферы контролировалось по данным линазонда в Тромсе (Швеция), который регистрировал аномально высокие для главной фазы магнитной бури на ночной стороне значения критических частот слоя F2 (foF2 = 4-7 МГц). Установлено, что на радиотрассах, проходящих в авроральной зоне, в течение нескольких часов полностью отсутствовало прохождение декаметровых радиоволн.

Часы UT

Рис 5 Вариации параметров наклонного зондирования ионосферы (F2MH4, F2HH4, EsMH4 и EsHH4) на трассе Санкт-Петербург - Ловозеро в спокойный день (а), во время магнитной бури (б), а также вариации АЕ-индекса во время магнитной бури (в)

В разделе 2.3 изучалось воздействие 14 геомагнитных бурь из списка CEDAR, GEM и ISTP бурь за 1997-99гг на условия распространения на трех высокоширотных коротковолновых радиотрассах Северо-запада России Последние оценивались на основе вариаций МНЧ и ННЧ на каждой трассе до бури, во время нее и после Для анализа привлекалась геофизическая информация по Dst, Bz, АЕ, а также риометрические данные по обсерватории Соданиоля, Финляндия Показано, что производимые указанными бурями воздействия на ионосферу и распространение для каждой бури строго индивидуальны Однако существуют и общие для всех бурь тенденции в изменении параметров распространения Так, диапазон частот Д = МНЧ - ННЧ расширяется перед бурей в течение нескольких часов, резко сужается во время бури и снова расширяется в течение нескольких часов после ее окончания. Например, это хорошо видно из рисунка 6, где показаны изменения параметров для наиболее информативной из всех трасс

Рис 6. Вариации АЕ-индекса (а), значений МНЧ и ННЧ на трассе Санкт-Петербург -о Хейса (б) и уровень поглощения по риометру А (в) в течение бури 10-11 января 1997 года Отсутствие распространения показано стрелками

Данные закономерности могут быть полезными при организации KB радиосвязи в высоких широтах На радиотрассе с точкой отражения на геомагнитной широте Ф' = 66° полное время выхода трассы из строя tdes (destroyed) за период бури зависит от времени LT Для дневных бурь среднее значение tdcs = 30%, для ночных tdes = 20% Установлено также, что рост ионизации в F2-aioe перед началом активной фазы бури в течение нескольких часов (4 часа днем и 2 часа ночью) может служить надежным предвестником развития активной фазы бури. По данным настоящего эксперимента выявлено, что в высоких широтах работает не только традиционный механизм передачи солнечной энергии в верхнюю атмосферу через хвост магнитосферы, плазменный слой и аврораль-ную ионосферу, но и совершенно иной, малоизвестный, механизм - через дневной касп и входной слой магнитосферы

В разделе 2.4 сформулированы результаты исследований и даны выводы по главе 2

В третьей главе рассматриваются вопросы моделирования условий распространения радиоволн во время ионосферных возмущений, вызванных маг-нитосферными бурями и суббурями Дается обоснование, почему возникла не обходимость моделирования такого рода процессов

В разделе 3.1 обсуждаются общие подходы в прогнозировании параметров такой изменчивой среды, как ионосфера Представлены требования к прогностическим моделям

А это прежде всего 1) возможность использования модели для оценки параметров ионосферных каналов во время возмущений (бурь, суббурь), 2) возможность использования модели для расчета условий в высоких широтах

В разделе 3.2 представлен обзор общих подходов для моделирования, особенностей различных прикладных программ, их возможностей В рассмотрение были взяты программы, разработанные для КВ диапазона частот Бхак1, 0\ургор, М1шргор (в дальнейшем развившуюся в \У6ЕЬРгор), БИАРМах, СошЬб, РЛОЬаЬ-Рго, программа и модель Уоасар (скорректированная и усовершенствованная версия 1опсар), на основе которой в настоящее время работает много прикладных программ для расчета параметров РРВ Изучены достоинства и недостатки этих программ, а также возможность их применения для моделирования возмущенной ионосферы в полярных широтах В случаях геомаг-нитноспокойных дней результаты расчета в основном отображают протекающие в среде процессы, но в случае возмущенных периодов они сильно отличаются от действительности Но даже и для спокойных дней есть несоответствия, ибо большинство программ разрабатывалось для среднеширотных станций, а как уже отмечалось в предыдущих главах механизмы в ионосфере в средних и в высоких широтах действуют разные

В разделе 3.3 приведено описание прикладной программы Р1ЮБ В отличие от рассмотренных в главе программ, здесь применяется иной подход Для того чтобы описать поведение параметров во время бури или суббури необходимо посмотреть, что же происходит в этот момент в ионосфере Преимущество используемой прикладной программы ГОвБ заключается в возможности изменять параметры среды распространения по своему усмотрению и видеть, что при этом будет происходить с максимально применимой частотой (МПЧ)

Кратко излагается математический аппарат, который лежит в основе программы Для описания реальных свойства каналов распространения радиоволн (РРВ) используется метод геометрической оптики (ГО) Этот простой и наглядный метод обеспечивает количественное описание волновых явлений

Решение ищется в виде «почти плоской волны» при помощи формального разложения поля по обратным степеням малого параметра - волнового числа к0. Оно представляется в мультипликативном виде медленно меняющаяся функция А, определяющая амплитуду волны, и быстроосциллирующий множитель е1к-п'), определяющий ее фазу

= ¿77^°

т-0 \1Кц )

В задачах зондирования поле задают на некоторой граничной поверхности 5(а,Д) Ч'(х) = ,¥"(а,/3), а решение, удовлетворяющее начальным условиям, представляют в виде г = К(т,а, р), р=Р(т,а,Р), где р=к - «обобщенный импульс», г, а, р - лучевые координаты, причем координаты а, р «нумеруют»

лучи на граничной поверхности Я, а параметр г определяет положение точки на фиксированном луче

Рис 7 Лучевые координаты т, а, р и граничная поверхность 3

Уравнение г = Я{т,а,р) определяет семейство (или конгруэнцию) лучей для заданного распределения поля на 5 Условия на 5 всегда ставятся одновременно для семейства, пучка лучей Это связано с волновым характером поля В нулевом приближении поток энергии направлен вдоль элементарных лучевых трубок, боковые стенки которых непроницаемы В большинстве физических приложений ограничиваются анализом поля в нулевом приближении

Результирующее поле вдоль экстремальных лучей V, связывающих передатчик (приемник) с исследуемым объектом (радиолокационной целью), записывается в виде

где Г(г) = "^уп - величина, называемая расходимостью, ¿а{т), ¿а, - текущее и начальное (на Я) сечения элементарной лучевой трубки, - каустические сдвиги фаз, х — мнимая часть показателя преломления, определяющая поглощение волны

Распространение сигнала наклонного зондирования определяется пространственно-временными вариациями показателя преломления

п\г,Э) = 1-4 ®Г

Здесь а>1 = 4;ге2 те - квадрат плазменной частоты электронов, ц - рабочая частота Аналитическая аппроксимация вертикального профиля электронной концентрации представляет собой сумму бипарабол

Л/и,

Вт,

Ит-гк О

О, кт-г> О

Здесь. >1, йт, Вт, - критическая частота, высота и полутолщина г-го ионосферного слоя Плазменная частота на какой-то высоте равна корню квадрат-

ному от суммы квадратов плазменных частот для различных ионосферных слоев

Основные явления, которые описывает Л9-приближение при распространении радиоволн в земной атмосфере — это регулярная рефракция в приземных, наиболее плотных слоях атмосферы и в ионосфере, а также процессы рассеяния радиоволн на флуктуациях диэлектрической проницаемости Распространение коротких радиоволн, а также средних и длинных волн на большие расстояния происходит за счет отражения от ионосферы Определим условия, при которых возможно такое отражение - в пренебрежении поглощением радиоволн и в случае плоскослоистой ионосферы необходимо, чтобы на каком-то участке траектории было выполнено условие

sin <р (г) = 1

Это может бьпъ в той области ионосферы, где ^£(z)=sm<p0 В итоге получим величину Nc(z), необходимую для отражения частоты /, падающей наклонно под углом % на слой Nc(z)=/2 cos2 80 8 Здесь /Vc(z) измеряется в [1/м3], / в [Гц] В случае наклонного падения под углом % максимальная частота, которая еще отражается от слоя при данном значении Ne(z) определится из соотношения / = ,/80 8 Nc(z)¡cos% При фиксированном угле падения % на ионосферу с увеличением / возрастает электронная плотность Nc, необходимая для отражения данной частоты На фиксированной частоте / с увеличением % возрастает величина Nc> необходимая для отражения радиоволны данной частоты, поэтому существует предельно крутая траектория, при которой волна еще может отразиться от ионосферы Этой траектории соответствует угол падения <рю Для траекторий с углами условие отражения не выполняется Заданное расстояние по Земле Д, могут перекрывать два луча с сильно отличающимися углами падения на ионосферу пологий луч с малым радиусом кривизны (нижний луч) и крутой луч с большим радиусом кривизны (верхний луч) Крутой луч является лучом Педерсена Наибольшая дальность распространения, так называемое максимальное расстояние одного скачка RM, соответствует лучам, излученным касательно к поверхности Земли

Система лучей формирует каустическую поверхность - сборку, начинающуюся в ионосфере с острия Поверлайна, которое переходит в 2 складки Первая из них пересекает поверхность Земли и образует область каустической тени - «мертвую зону», в которой отсутствует отраженный от ионосферы сигнал Вторая область каустической тени находится выше области отражения сигнала от ионосферы Схематически лучевые траектории для различных углов падения % радиоволны на ионосферу, расположение каустик, мертвой зоны представлены на рис 8

Рис 8 Система лучевых траекторий в зависимости от угла падения 1-3 нижние лучи, 4,5 - верхние лучи, 6 - луч, вышедший за пределы ионосферы, для нижних лучей уменьшение угла падения приводит к уменьшению даль-носга, а для верхних лучей - к ее увеличению

Ы— ГГх\

*— / \ \

Концентрация Дальность

элёктронов

Рис 9 Схема бипарабол, используемых для моделирования профиля ионосферы

На рис 9, цифрами отмечены слои (слева) и рефракция на некой фиксированной частоте - справа 1-ый слой заменяет область Б, а второй - долину. В ряде случаев расстояние по высоте между максимумом слоя Е и основанием области Р очень велико (особенно в ночных условиях), поэтому и введен такой искусственный прием заполнения долины. Третий слой заменяет область Е В условиях реальной ионосферы изменения электронной концентрации, высоты,

критических частот и других параметров среды происходят в разной степени во всех слоях Нас интересует не количественный результат, а качественная оценка изменения параметров слоя ¥2, в дальнейшем будем говорить об изменении именно его параметров

С помощью программы ШвО было смоделировано поведение МНЧ во время бури На основании расчетов дана оценка - какие факторы и в какой степени влияют на перестройку ионосферы Показано, что существует возможность использования программы для высоких широт По проведенным расчетам сделаны следующие выводы

1) Наибольший вклад в вариации МПЧ дает изменение критической частоты области Б Далее по значимости идет изменение высоты Полутолщина влияет сравнительно мало

2) Установлены следующие зависимости при увеличении критической частоты слоя, МПЧ растет, и наоборот при уменьшении Обратная зависимость наблюдается между высотой максимума ионизации слоя и МПЧ, а так же между полутолщиной слоя и МПЧ

В разделе 3.4. сформулированы выводы по главе 3 В главе 4 исследуются особенности КВ радиосвязи в высоких широтах В разделе 4.1 рассматриваются результаты специальных исследований на двух авроральных КВ радиотрассах первой, длиной Д = 1420 км, ориентированной вдоль авроральной зоны, и второй, длиной Д = 510 км, и проходящей поперек этой зоны Данные трассы являются действующими КВ радиолиниями связи, на которых определялась надежность (вероятность) связи Рассматривались наихудшие условия работы линий - зимние ночные часы годов минимума солнечной активности Главная цель состояла в том, чтобы выявить высокоширотные ионосферные эффекты в распространении коротких радиоволн для спокойных и магнитовозмущенных условий Эффекты вызваны влиянием главного ионосферного провала, его северной границы, спорадическими образованиями в Е и Б областях, авроральным поглощением. Было показано, что на надежность связи оказывают решающее влияние геофизические факторы воздействия, а не длина и ориентация радиотрасс Среди этих факторов главный ионосферный провал (ГИП), северная граница провала (СГП), спорадические образования в Е и Б областях ионосферы, авроральное поглощение, уровень геомагнитной активности

Сделаны практические рекомендации по выбору оптимальных рабочих частот на трассах Выполненные оценки надежности КВ радиосвязи могут являться основой для планирования работы КВ систем связи с учетом морфологических особенностей авроральной зоны

В разделе 4.2 коротко освещаются главные последние результаты и новые достижения в области КВ распространения и связи за период 1955-2005 годы (рис 10)

Делается попытка обобщить имеющиеся материалы по влиянию магнитных и ионосферных возмущений на надежность КВ радиосвязи в высоких широтах Обсуждаются, в частности, специфические особенности работы трансполярных радиолиний связи в возмущенных условиях, роль поглощения типов

АА и РСА при нарушениях радиосвязи, зависимость надежности радиосвязи от взаимного расположения радиолиний и зон аврорального поглощения, методы повышения надежности радиосвязи и другие вопросы

годы

Рис 10 Тенденция в скорости передачи данных в КВ диапазоне по годам

В разделе 4.3 сформулированы выводы по главе.

В разделе Заключение приведены основные результаты, полученные в диссертации

В Приложениях даны описания экспериментов на радиотрассах, схемы расположения радиотрасс, краткое описание магнитных бурь, а также обзор подходов моделирования условий распространения радиоволн

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате рассмотренных в работе исследований можно сформулировать следующие выводы

1 При рассмотрении магнитной бури как совокупности суббурь, показано, что каждая суббуря вносит следующий эффект в ионосфере (так называемый «главный эффект») в значениях параметра канала передачи информации 8£оР2 (разность возмущенных и спокойных значений критической частоты сигнала по слою Е2) перед началом суббури существует положительный пик, затем отрицательный минимум Образуется сумма воздействий за период возмущения

Амплитуда пика 5:6эР2 за несколько часов до начала активной фазы первой суббури лежит в пределах 20 -100% от значений №2 Этот пик может служить критерием для осуществления краткосрочного прогноза развития бури/суббури за несколько часов до ее начала и прогноза состояния каналов передачи информации.

Вариации параметра 5ЬтР2 (разность возмущенных и спокойных значений высоты максимума ионизации слоя Р'2) находятся в противофазе с вариациями 5й>Р2 Амплитуда 5ЬшР2 лежит в пределах 15-25% от значений ЬтР2

Поскольку, как обнаружено, область специфических вариаций 5£оР2 и 6ЬтР2 достаточно велика, около 90° вдоль широты, то указанные вариации должны существенным образом влиять на условия распространения радиоволн в этой области во время возмущений Изменятся траектории радиоволн и механизмы распространения по сравнению со спокойными условиями Это важно для прикладных задач построения систем приема передачи информации по каналам радиосвязи.

2 Установлены закономерности распространения коротких волн в авро-ральной зоне Происходит сужение диапазона рабочих частот Д = МНЧ - ННЧ за период суббурь (порядка 30% от невозмущенного уровня) Чем меньше значение МНЧ или более узок диапазон рабочих частот, тем выше вероятность сбоев в системах передачи и обработки информации

Для прогнозирования развития суббурь сформулированы признаки в изменениях параметров коротковолнового канала передачи информации, которые можно контролировать по ионограммам НЗИ резкий спад уровня многолуче-вости за несколько часов до начала развития суббури, изменение механизма распространения на подготовительной фазе суббури, рост значений Р2МНЧ (максимально наблюдаемой частоты по слою ¥2) за 6-8 часов до начала развития суббури с последующим спадом, уменьшение значений ННЧ (наинизшей наблюдаемой частоты на трассе) за 2-3 часа до начала развития суббури

3 Поведение характеристик НЗИ на субавроральной трассе во время возмущения определяется главным образом геофизическими факторами вариациями ионосферы, приводящими к изменению механизмов распространения сигналов на трассе, и уровнем поглощения в нижней ионосфере Характер вариаций параметров канала передачи информации на трассах высоких и средних широт имеет как сходные черты (например, при отражении сигналов на трассах от Й-слоя), так и отличия (для сигналов, отраженных на уровне Е-слоя)

5 Во время бурь обнаружен общий характер следующих явлений

- Диапазон частот Д = МНЧ-ННЧ расширяется перед бурей в течение нескольких часов, резко сужается во время бури и снова расширяется в течение нескольких часов после ее окончания

- Вариации МНЧ при отражении сигналов от ¥2 слоя представляют наложение главных эффектов отдельных суббурь, из которых состоит буря

- Два основных явления - рост ионизации в слое Б2 за время несколько часов перед началом и резкий рост риометрического поглощения в начале развития активной фазы бури могут служить прогностическими предвестниками активной фазы бури

На трансавроралыюй радиотрассе полное время выхода трассы из строя (интервал срыва связи) зависит от местного времени LT Во время возмущений днем трасса выходит из строя чаще, чем ночью

6 На основе анализа большого статистического материала определены особенности прохождения радиосигналов на реальных КВ-линиях связи в авро-ральной зоне В спокойные условия, надежность связи низка из-за влияния главного ионосферного провала Для слабой и умеренной геомагнитной активности надежность высока Для умеренной геомагнитной активности спорадическая ионизация в Е области, особенно слои Esr, в вечерние и ночные часы зимы дает возможность увеличить надежность передачи данных за счет выбора более высоких частот на трассах порядка f = 12-20 МГц Для сильной активности (бури, суббури) надежность становится низкой из-за аврорального поглощения

Качество передачи информации по декаметровым радиоканалам в авро-ральной зоне в основном зависит от геофизических факторов воздействия, но не от направления или длины радиотрассы

7 Результаты моделирования канала распространения радиоволн во время магнитных бурь и суббурь показали, что наибольший вклад в вариации МПЧ (максимально применимой частоты) дает изменение критической частоты области F. Далее по значимости идет изменение высоты Полутолщина влияет сравнительно мало МПЧ растет при увеличении критической частоты слоя ионосферы Между высотой максимума ионизации слоя, а также между полутолщиной слоя и МПЧ наблюдается обратная зависимость

8 Несмотря на развитие новых средств телекоммуникаций, современные КВ-системы играют важную роль, в том числе и в высокоширотных областях По своим основным параметрам они могут конкурировать со спутниковыми связными системами, при этом являясь значительно дешевле последних

Результаты анализа рассмотренных экспериментов могут быть полезны в вопросах космической погоды, организации работы систем передачи, приема и обработки информации в высоких широтах, а также прогнозирования состояния ионосферных радиоканалов во время магнитосферных возмущений

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Благовещенский Д В , Сергеева М А, Синянский П А Эффекты суббури на высокоширотных KB радиотрассах наклонного зондирования ионосферы // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, вып 112, СО РАН, 2001, с 182-192

2 Благовещенский Д В , Сергеева М А, Синянский П А Параметры наклонного KB зондирования ионосферы за периоды магнитосферных суббурь // Труды II per науч студ конф «Естественнонаучные проблемы арктического региона», КНЦ РАН, Мурманск, 2001, с 30- 33

3 Благовещенский Д.В , Сергеева М А, Синянский П A Substorm effects on high-latitude HF paths of the oblique ionospheric sounding // Conference Proceedings of the Nordic Shortwave Conference, Sweden, 2001, p 141-1411

4 Blagoveshchensky D.V, Vystavnoi V M, Sergeeva M A HF radio propagation through the auroral oval during substorms // J Atmos Solar-Terr Phys V 67,2005, pp 1618-1625.

5 Blagoveshchensky D V ,NozdrachevS V SergeyevaM A SinyanskyP A Magnetic storm effects on a HF transauroral radio path // Int J Geomagn Aeron V 5, GI3006, doi 10 1029/2005GI00010,2005

6. Благовещенский Д.В., Сергеева M.A., Выставной B.M. Эффекты суббурь в распространении KB в авроральном овале // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 46, № 2,2006, с. 175 - 181.

7 Благовещенский Д В , Сергеева М А Влияние космической погоды на распространение радиоволн // Труды IX конф молодых ученых «Физические процессы в космосе и околоземной среде», ИСЗФ СО РАН, Иркутск, 2006, с.171-172

8 Благовещенский Д В , Сергеева М А , Синянский П А, Проявление маг-нитосферных суббурь в параметрах наклонного зондирования ионосферы на трех высокоширотных радиотрассах // VI per конф по распространению радиоволн, Спб ГУ, Санкт-Петербург, 2000, с 18

9 Благовещенский Д В , Сергеева М А, Синянский П А , Эффекты суббури на высокоширотных KB радиотрассах наклонного зондирования ионосферы // Тезисы докладов II per науч студ конф «Естественнонаучные проблемы арктического региона», КНЦ РАН, Мурманск, 2001, с 14-15

Ю.Благовещенский Д.В, Сергеева М А , Воздействие космической погоды на распространение KB в высоких широтах // Тезисы докладов III per науч студ конф «Естественнонаучные проблемы арктического региона», КНЦ РАН, Мурманск, 2002, с 10

11 Blagoveshchensky D V, Sergeyeva М A Impact of the CEDAR, GEM and ISTP geomagnetic storms on radio propagation // Int Conference Problems of Geocosmos, Book of abstracts, St Petersburg, 2002, pp 83-84

12 Сергеева M.A, Эффекты космической погоды в распространении ионосферных радиоволн // Аннотации работ Седьмой С-Петерб Ассамблеи молодых ученых и специалистов, СпбГУ, 2002, с 75-76

13 Сергеева М А, Влияние погоды в космосе на распространение радиоволн // Сборник докладов пятой научной сессии аспирантов и соискателей ГУАП, СПб, 2002, с 145-147

14 Благовещенский Д В , Сергеева М А. Распространение коротких волн в авроральном овале во время суббури // Тезисы докладов VI международной сессии молодых ученых "Волновые процессы в проблеме космической погоды", ИСЗФ СО РАН, Иркутск, 2003, с 51

15 Сергеева М А. Проявления суббурь и особенности прохождения коротких радиоволн в авроральном овале // Сборник докладов восьмой научной сессии аспирантов и соискателей ГУАП, Ч I Технические науки, Спб, 2005, с. 230-232

16 Сергеева М.А, Влияние авроральной ионосферы на коротковолновую радиосвязь // Сборник докладов научной сессии ГУАП, Ч I Технические науки, Спб, 2006, с 180-182

17 Blagoveshchensky D V, Bonsova T.D, MacDougall J, Sergeyeva M A Experimental study and modeling of HF radio wave propagation m the course of substorm // Abstracts of the European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Nice, France, 2006, pp 143-144

18.Благовещенский ДВ, Сергеева М.А. Влияние космической погоды на распространение радиоволн // Тезисы докладов IX международной конф молодых ученых «Физические процессы в космосе и околоземной среде», ИСЗФ СО РАН, Иркутск, 2006, с 43.

19 Сергеева М А., Благовещенский Д.В., Воздействие геомагнитых бурь на распространение радиоволн // Сброник тезисов VI Харьковской международной конф молодых ученых «Радиофизика и Электроника», ИРЭ, НАН Украины, Харьков, 2006, с 66

Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Тираж 100 эвз Заказ №398

Редакционно-издательский центр ГУАП 190000, Санкт-Петербург, Б Морская, ул , 67

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Воздействие магнитосферных суббурь на ионосферу и распространение декаметровых радиоволн

1.1. Обзор работ по ионосфере и распространению КВ во время ионосферных возмущений.

1.2. Эффекты в ионосфере во время суббурь и умеренных бурь в октябре

2003 года по данным вертикального зондирования ионосферы.

1.3. Влияние суббурь на распространение декаметровых волн в авроральном овале.

1.4. Основные результаты главы 1.

ГЛАВА 2. Влияние магнитосферных бурь на ионосферу и распространение КВ.

2.1. Совместные исследования по ионосфере и распространению радиоволн.

2.2. Эффекты магнитной бури 20 ноября 2003 года в распространении КВ.

2.3. Анализ условий распространения КВ на трассах во время СЕОАЯ, вЕМ и ШР бурь.

2.4. Основные результаты главы 2.

ГЛАВА 3. Некоторые результаты численного моделирования условий распространения радиоволн.

3.1. Введение.

3.2. Обзор подходов для моделирования.

3.3. Вычисления с помощью программы НЮЮ.

3.4. Основные результаты главы 3.

ГЛАВА 4. Особенности КВ радиосвязи в высоких широтах.

4.1. Воздействие авроральной ионосферы на КВ связь в спокойных и возмущенных условиях.

4.2. Особенности полярных и трансполярных КВ радиотрасс.

4.3. Основные результаты главы 4.

В диссертации исследована специфика воздействий высокоширотной ионосферы, главным образом ионосферных возмущений за счет суббурь и мировых магнитных бурь, на условия распространения декаметровых радиоволн в приполярных областях. Анализ проводился на различных радиотрассах (авроральных, субавроральных, трансавроральных), преимущественно оборудованных аппаратурой наклонного зондирования ионосферы. Привлекались также данные магнитометров, риометров, радаров. Условия распространения обоснованы с феноменологической и физической точек зрения. Выявлены общие неизвестные до сих пор закономерности и тенденции в распространении радиоволн во время возмущений, полезные для построения систем передачи, приема и обработки информации в высоких широтах.

Актуальность.

Физика околоземного пространства, особенно с точки зрения космической погоды, в настоящее время является областью значительного внимания ученых-исследователей и относится к числу важных, актуальных направлений в науке. Представления о космической погоде, то есть о динамических, сильно меняющихся условиях в околоземной среде, включают условия на Солнце, в межпланетном пространстве, в системе магнитосфера - ионосфера - атмосфера Земли. Солнечные вспышки, пятна и т.п. вызывают в околоземном пространстве резкие изменения. Неблагоприятные изменения космической погоды влияют на надежность работы как космических аппаратов, так и различных систем типа связи, навигации, энергетических линий и пр. Важнейшей задачей является предсказание и смягчение эффектов космической погоды.

Магнитосферные бури и суббури вызывают геомагнитные возмущения, следствием которых является широкий спектр неоднородностей и процессов в ионосфере Земли. Классическая картина ионосферного возмущения подтверждается многочисленными наблюдениями [50, 58, 63, 84, 87, 95].

Однако, физическая природа многих механизмов еще недостаточно понятна. Ионосферное возмущение продолжает оставаться наиболее сложным явлением в верхней атмосфере [58, 63, 72]. Эффекты бурь/суббурь в ионосфере зависят от большого числа параметров, таких как местное время, широта, сезон, фаза солнечной активности, интенсивность бурь/суббурь и ряда других. В настоящее время для полного понимания эффектов бурь и суббурь в параметрах солнечно-магнитосферно-ионосферного взаимодействия прилагается большое количество усилий с использованием самых современных методов и средств. Это подтверждается содержанием таких проектов как Интербол [18], Space Weather [40, 58] и др. Однако при этом недостаточно внимания уделяется эффектам, возникающим при распространении волн различных диапазонов, хотя известно, что волны УНЧ, СВ, KB диапазонов реагируют на малейшие изменения состояния среды. В настоящее время уже существуют экспериментальные данные [9, 44, 46, 47], которые позволяют ставить задачу, например, о диагностике и дальнейшем прогнозе начала возмущений по данным распространения волн. Здесь проясняющим данную постановку фактором является знание комплекса геофизических условий, предшествующих буре или суббуре. Однако, этот вопрос проработан явно недостаточно, поскольку практически во всех работах, посвященных рассматриваемой проблеме, акцент делается на момент развития активной фазы или, по крайней мере, фазы роста, и определение их начал по различным признакам (поворот Bz к югу, появление геомагнитных пульсаций Pel и Pi2, диполизация магнитного поля и др.). Поэтому существует настоятельная потребность в анализе данных по всем возможным проявлениям солнечно-магнитосферно-ионосферных связей и их воздействию на распространяющиеся радиоволны в периоды возникновения суббурь и бурь.

С прикладной точки зрения актуальность данной работы определяется насущными потребностями обеспечения прогноза состояния информационных каналов и создание эффективных систем передачи и приема информации в условиях высоких широт. В частности, крайнюю степень заинтересованности в бесперебойной коротковолновой (KB) радиосвязи испытывают самолетные линии, пересекающие области высоких широт, которые обеспечивают пассажиров наиболее краткими по времени и расстоянию маршрутами между различными континентами земного шара (Приложение 1.1).

Цель работы состоит в том, чтобы исследовать физические эффекты в каналах распространения декаметровых радиоволн в высоких широтах и оценить их влияние на процессы передачи и приема информации.

Основные задачи:

1. Выявить на основе экспериментальных данных особенности вариаций параметров высокоширотной ионосферы во время возмущенного состояния космической погоды.

2. Исследовать особенности поведения радиоканалов в высоких широтах под действием геомагнитных бурь и суббурь.

3. Исследовать влияние ионосферных структур на состояние радиоканалов в высоких широтах.

4. Исследовать физико-математическую модель канала распространения коротких радиоволн с учетом состояния ионосферы в спокойных и возмущенных условиях.

Методы исследования: В работе использованы результаты экспериментальных исследований, полученные с помощью радаров, риометров, магнитометров, диагностических методов исследования ионосферы, таких как наклонное (НЗИ) и вертикальное (ВЗИ) зондирование ионосферы, а также данные сети Интернет. При выполнении аналитических исследований применялись общие методы системного анализа, методы статистической обработки экспериментальных данных и методы численного моделирования.

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследования воздействия магнитосферных бурь и суббурь на распространение декаметровых радиоволн в высоких широтах.

2. Основные закономерности эффекта роста максимально наблюдаемой частоты перед началом активной фазы бури (суббури) и возможности использования этого эффекта для краткосрочного прогнозирования состояния каналов передачи информации.

3. Эффекты влияния высокоширотных ионосферных структур на процессы передачи информации в КВ-диапазоне в спокойных и возмущенных условиях.

4. Результаты численного моделирования условий распространения радиоволн в высоких широтах для описания состояний каналов передачи информации.

Научная новизна

1. Сформулированы признаки в изменениях параметров канала распространения декаметровых волн в высоких широтах, которые можно контролировать по ионограммам НЗИ, для прогнозирования развития суббурь.

2. Обнаружены и объяснены феноменологически общие тенденции вариаций параметров канала передачи информации во время возмущенных состояний: максимальной наблюдаемой (МНЧ) и наинизшей наблюдаемой (ННЧ) частот.

3. Показано, что в канале приема и передачи информации в высоких широтах диапазон частот А = МНЧ-ННЧ расширяется перед бурей в течение нескольких часов, резко сужается во время бури и снова расширяется в течение нескольких часов после ее окончания.

4. Предложены два критерия, которые могут служить прогностическими предвестниками активной фазы бури: рост ионизации в слое ¥2 за несколько часов перед и резкий рост риометрического поглощения в начале развития активной фазы бури.

5. Исследована возможность использования модели канала передачи информации в КВ-диапазоне для периодов магнитных бурь и суббурь в высоких широтах.

Научная и практическая ценность

1. Установлено, что амплитуда пика 5ГоБ2 (разность возмущенных и спокойных значений критической частоты сигнала по слою Р) за несколько часов до начала активной фазы первой суббури лежит в пределах 20 -100% от значений АэР2. Этот пик может быть использован как критерий для осуществления краткосрочного прогноза развития бури/суббури за несколько часов до ее начала и прогноза состояния канала передачи информации.

2. Показано, что на трансавроральной радиотрассе полное время выхода трассы из строя (интервал срыва связи) зависит от местного времени ЬТ. Во время возмущений днем трасса выходит из строя чаще, чем ночью.

3. На основе анализа данных НЗИ разработаны рекомендации для передачи информации по каналу радиосвязи:

- Сравнительно короткий промежуток времени, порядка 2-3 часа, перед бурей/суббурей, когда МНЧ велика и ННЧ низка можно использовать для организации надежной передачи информации.

- Организовать работу канала во время возмущения следует путем правильного выбора рабочих частот из достаточно узкого диапазона Д = МНЧ-ННЧ.

4. На основе анализа большого статистического материала определены особенности передачи информации на реальных КВ-линиях связи в авроральной зоне. Качество декаметровой радиосвязи в авроральной зоне в основном зависит от геофизических факторов воздействия, но не от направления или длины радиотрассы.

5. Несмотря на развитие новых средств телекоммуникаций, современные КВ-системы играют важную роль, в том числе и в высокоширотных областях. По своим основным параметрам они могут конкурировать со спутниковыми связными системами, при этом являясь значительно дешевле последних.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов определяется выполнением следующего. Во-первых, выводы всех эмпирических исследований и формулировки установленных закономерностей осуществляются по совокупности репрезентативных данных. Во-вторых, объединение радиофизических и геофизических методов исследования преследовало цель получения максимума информации при изучении того или иного параметра или явления и для достоверной его идентификации. В-третьих, построение модели процесса распространения коротких радиоволн в ионосфере осуществлялось с помощью апробированных источников данных и реальных характеристик ионосферной плазмы. В-четвертых, все выполненные модельные расчеты сопровождались экспериментальной проверкой по своим материалам, а также результатам других авторов, и основаны на устранении возможных противоречий современным физическим представлениям.

Взаимоотношения с соавторами. Главные результаты диссертации, опубликованные в 19 работах, являются оригинальными и получены автором лично. Совместно с научным руководителем была определена общая программа исследований и ее отдельные этапы. Автор принимала активное участие в решении проблемы численного моделирования распространения радиоволн КВ диапазона в ионосфере. Проанализированы имеющиеся в Интернет различные программы для расчета условий распространения декаметровых волн, например Уоасар, РгоЬаЬ-Рго и другие. Автором лично выполнены расчеты по известной методике Д.С. Лукина для КВ диапазона, однако с внесенными ею изменениями в эту методику. Обработка экспериментальных данных, их анализ и обобщение, сопоставление с результатами расчетов производились автором лично.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Региональной VI конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 2000), Научных сессиях аспирантов и соискателей СПбГУАП (Санкт-Петербург, 2001, 2002, 2005, 2006, 2007), Шестой Нордической конференции по коротким волнам (Фаре, Швеция, 2001), Региональных научных конференциях «Естественные проблемы Арктического региона» (Мурманск, 2001, 2002), Седьмой Санкт-Петербургской Ассамблее молодых 8 ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 2002), Международной конференции по проблемам геокосмоса (Санкт-Петербург, 2002), Международной байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (Иркутск, 2003, 2006), Европейской конференции по антеннам и распространению (Ницца, 2006), VI Харьковской международной конференции молодых ученых «Радиофизика и электроника» (Харьков, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ:

- 4 статьи в реферируемых журналах: «Геомагнетизм и аэрономия» РАН - 1, «JASTP» AGU - 1, «Int. J. Geomagn. Аегоп.» - 1 и в сборнике: «Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца» СО РАН - 1; а также 3 статьи в Трудах: Nordic Shortwave Conference - 1, конференции «Естественные проблемы арктического региона» - 1 и конференции «Физические процессы в космосе и околоземной среде» - 1, всего 7 статей;

- доклады на международных конференциях - 5, на других - 7.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 97 наименований и 8 приложений. Основное содержание диссертации изложено на 156 страницах и содержит 50 рисунков и 4 таблицы.

3.4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛАВЫ 3

На сегодняшний день существует немало программ, позволяющих в той или иной степени оценить условия РРВ. Они совершенствуются в интерфейсе и работают в различных операционных системах: DOS, СР/М, Windows, MacOS, MacOS/X, Linux, FreeBSD. В данной главе приводится описание лишь некоторых из них. Однако проблема учета особенностей, присущих именно полярным широтам, а также изменений структур ионосферы во время геомагнитных бурь и суббурь до сих пор до конца не решена. Большинство программ берет в расчет только один параметр, учитывающий влияние геофизических факторов (например SSN), менее 20% используют значения Ар или Кр-индексов. Некоторые программы игнорируют режим распространения (односкачковый или иной), положение передатчика, угол возвышения или другие важные характеристики канала передачи. Конечно, все зависит от поставленных целей, и в том или ином случае можно пренебречь некоторыми факторами. В основном программы используются для определения мощности сигнала и надежности трассы, т.е. вероятности срыва связи. И хотя в числе прочих существует возможность определения МПЧ, либо ОРЧ (оптимальной рабочей частоты), эти расчеты являются очень приближенными, что свидетельствует из сравнения расчетов для выбранных дней с экспериментальными данными. В случаях геомагнитноспокойных дней результаты расчета в основном отображают протекающие в среде процессы, но в случае возмущенных периодов сильно отличаются от действительности. Но даже и для спокойных дней есть несоответствия, ибо большинство программ разрабатывалось для среднеширотных станций, а, как уже отмечалось в предыдущих главах, механизмы в ионосфере в средних и в высоких широтах действуют разные.

Преимущество используемой прикладной программы ПЮО заключается в возможности изменять параметры среды распространения по своему усмотрению и видеть, что при этом будет происходить с МПЧ. По результатам проведенных расчетов можно сделать следующие выводы:

1) Наибольший вклад в вариации МПЧ дает изменение критической частоты области Б. Далее по значимости идет изменение высоты. Полутолщина влияет сравнительно мало.

2) Установлены следующие зависимости: при увеличении критической частоты слоя, МПЧ растет, и наоборот - при уменьшении. Обратная зависимость наблюдается между высотой максимума ионизации слоя и МПЧ, а так же между полутолщиной слоя и МПЧ.

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ КВ РАДИОСВЯЗИ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ

4. 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ АВРОРАЛЬНОЙ ИОНОСФЕРЫ НА КВ СВЯЗЬ В СПОКОЙНЫХ И ВОЗМУЩЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Качество КВ радиосвязи на высоких широтах (ВШ) зависит от состояния ионосферы и условий распространения радиоволн. Здесь часто имеют место поглощение (авроральное и полярной шапки) мощности КВ сигнала, аномальная ионизация области ¥2 ионосферы (Р28) в ночные часы зимой и при равноденствии, значительные отрицательные возмущения в слое Р2 днем в течение всего года, образование спорадических слоев Еэ различного типа, повышенное рассеяние сигналов, отраженных от ионосферы, и искажения сигналов, вызванные резкими и сильными затуханиями [46, 67, 85, 86].

В зимнее время, когда ВШ ионосфера слабо освещена Солнцем, главный провал ионизации (ГПИ) и спорадические образования в большей степени влияют на прохождение радиоволн в авроральной зоне (Ф[, = 60 - 70°). Величина этого воздействия зависит от уровня ионосферного возмущения, обусловленного конкретной геомагнитной активностью. При спокойных магнитных условиях (планетарный индекс Кр = 0 - 1) в вечерние и ночные часы, когда авроральная ионизация и ионизация, вызванная солнечным ультрафиолетовым излучением, малы, ГПИ может вытянуться над всей авроральной зоной. В то же время создаются наиболее сложные условия для прохождения сигнала по КВ линиям связи, расположенным в этой зоне. Полярная стенка провала (ПСП) совпадает с экваториальной стенкой зоны авроральной ионизации, а с севера электронная концентрация резко возрастает в Р- и Е-областях ионосферы. Здесь часто возникают спорадические Еэ-слои различных типов и аномальная ионизация Р-слоя. Следовательно, условия распространения радиоволн будут определяться как самим ГПИ, так и его полярной стенкой.

Задачи настоящего исследования: (1) определение степени влияния ГПИ, спорадических ЕБ-слоев, Р2Б области и аврорального поглощения на качество передаваемой информации через реальные КВ каналы (линии), расположенные внутри авроральной зоны (Фь = 64 - 66°); (2) выявление критериев корректного выбора ОРЧ на этих линиях для повышения качества связи при труднейших условиях трансляции сигнала. Перечисленные задачи в основном рассматриваются на материалах длительных сложных экспериментов. Описание эксперимента дано в Приложении 4.

4.1.2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ

Эффекты ГПИ. На рис. 4.1 показаны средние положения ПСП в координатах «инвариантная широта - местное время» для двух уровней геомагнитной активности. Кривые 1 и 2 - результаты статистического анализа сигналов, проходящих по радиотрассам, также как и по данным ионозонда для зимних месяцев с минимумом солнечной активности [10]. Кривая 1 соответствует спокойным условиям (ЕК < 15), а кривая 2 - возмущенным условиям (ЕК > 25). Из данного рисунка можно заметить что, ПСП дважды за сутки проходит над точками отражения трасс, расположенных на широте Фь ~ 65°. При спокойных условиях это моменты времени 22:30ЬТ и 07:00ЬТ, для возмущенных - 18:00ЬТ и 07:30ЬТ. Упомянутые моменты представлены на рис. 4.2 и рис. 4.3 черными прямоугольниками. Рис. 4.2 иллюстрирует результаты наблюдений для спокойных условий К < 3, рис. 4.3 - для возмущенных К > 3. Ссылаясь на рис. 4.2а и рис. 4.3а имеем следующее: усредненные по различным дням зимнего периода значения Р2МПЧ и ЕбМПЧ, вычисленные по данным ионозонда и средняя рабочая частота 'Т' из полосы частот трассы, расположенной вдоль аврорального овала, Д = 1420 км. Рис. 4.26 и рис. 4.36 иллюстрируют то же самое, но для трассы, пересекающей авроральный овал, Д = 510 км. Изучение кривых на рис. 4.2а,б и рис. 4.3а,б приводит к следующим заключениям. Зимой, когда ВШ радиотрассы находятся под влиянием ГПИ в течение периодов 17:ООЬТ - 22:00ЬТ и 07:ООЬТ - 09:00ЬТ для К < 3 и соответственно 16:00ЬТ - 18:00ЬТ и 08:00ЬТ - 10:00ЬТ для К >3, прохождение сигналов по трассе заметно ухудшается. Максимально применимые частоты не превышают значений 2-3 МГц. Мощность сигнала в точке приема, в основном благодаря эффектам рассеяния, очень мала. Таким образом передача данных по коротковолновым каналам связи не надежна при таких условиях. С усилением геомагнитной активности моменты прохождения ПСП над двумя авроральными трассами смещаются к ранним вечерним часам и поздним утренним. Таким образом, спорадические ионизации в Е и F-областях, связанные с ПСП, в течение спокойного периода существуют ночью с 22:00LT до 07:00LT, а в течение возмущенного периода - с 17:00LT до 09:00LT. Следует отметить, что рис. 4.2а, 4.26 и рис. 4.3а, 4.36 имеют качественно одинаковый характер. Под этим подразумевается, что воздействие геофизических факторов на радиосигналы, пересекающие авроральный овал более существенно, чем влияние ориентации трассы и ее длины. На рис. 4.2в и рис. 4.3в представлены суточные колебания средней вероятности прохождения сигналов на двух рассматриваемых трассах одновременно при спокойных и возмущенных условиях соответственно. Построение графов было выполнено по данным круглосуточной работы линий связи в течение 5 лет в зимние периоды. По условию вероятность прохождения сигнала в рассматриваемый момент равна P(t) = 1, когда на входе приемника отношение сигнал/шум не меньше, чем единица на двух радиолиниях одновременно; P(t) = 0,5, когда отношение сигнал/шум больше или равно единице только на одной из двух трасс; P(t) = 0, когда отношение сигнал/шум меньше единицы для двух трасс одновременно. Данные рис. 4.2в подтверждают, что воздействие провала на радиосвязь более значимо зимой в течение спокойных геомагнитных периодов с 17:00LT до 22:00LT и с 07:00LT до 09:00LT. При прохождении ПСП над точками отражения радиотрасс и вечером и утром увеличивается вероятность прохождения сигналов за счет увеличения ПСП ионизации. ПСП меняет структуру отраженных волн, вызывая резкий рост среднего уровня сигнала в точке приема до нескольких раз [42]. При возмущенных условиях (рис. 4.3в) ГПИ и ПСП воздействуют на радиосвязь в меньшей степени, т.к. здесь существуют превалирующие эффекты поглощения и спорадических образований. Отметим, что зимний период в полярной зоне включает ноябрь, декабрь, январь и февраль.

- Поглощение радиоволн. Представленное здесь авроральное поглощение (АА),

12 И

Рис. 4.1. Выявленные экспериментально положения ПСП для зимних месяцев минимальной солнечной активности: 1- спокойные; 2 - возмущенные условия.

12 В

4 Ч

0-0-0 </■ ■• у 1

Ч-0-/

ЕБМПЧ Р2МПЧ„ а) Ч /

О I

О <0

Т 4 2 -0,90-1

0,85

XI Iо о 0,80и гс о. 0,3 ф

СО 02 0.1

И-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г

4 8 12 16 20 24 о-о-о»

V J б) т-г о

-1 I I I ,I ,I I I I I I—

4 8 1 2 1 6 20 24 \ ^ В)

V.-" | ПСП I ПСП

-1-1-1-г— 8

1 1 I 1 I 1 I

12 16 20 24 \ Л V / ' /

О 4 В 12 16 20 24

Время, 1Т

Рис. 4.2. Усредненные при спокойных условиях дневные вариации следующих параметров: а) Б2МПЧ и ЕбМПЧ - максимально применимые частоты по слою ¥2 и Еб соответственно, Г - рабочая частота на радиотрассе длиной Д =1420 км, расположенной вдоль аврорального овала; б) то же самое для радио трассы длиной Д = 510 км, расположенной вдоль овала; в) вероятность (надежность) КВ связи на трассах, (ПСП - полярная стенка провала); г) вероятность аврорального поглощения.

24 -16 Г

I—

2 8 (О к о

§ 114 Ц"

ЕэМПЧ ■ а)

О-О-ю,

Ь-О-О'"

V/

1—'—I—1—I—1—1—1— 8 12 16 20 24

Ч О' V

Я2МПЧ ^о-о б)

1 1-1-1-1-1-1-1-1-г

8 12 16 20 24

0.Н 0,6

9 0,5-о 0 1 0,9 н а 0) аз о,б о.з Н ^ т-1-1-г о 4

1ПСП

I I | I | I | I | г 8 12 16 20 24

-|-.-1-.-1-.-1-.-18 12 16 20 24

0 4

Время, И

Рис. 4.3. То же что и на рис. 4.2, но для возмущенных условий.

0.6 о О

0,4 о; о о. ш СО

0.2

0,0

Р(АА)

Р(Е5Г)

Р(Е50 п-'-1-'-1-1

4 6 В

К-индекс

Рис. 4.4. Вероятность появления аврорального поглощения Р(АА), спорадических слоев "г" типа Р(Езг) и слоев "Г и "ц" типов Р(Ез£) в зависимости от К-индекса. вызвано инжекцией электронов ( Е ~ 10 - 40 эВ) из плазменного слоя. Рис. 4.2г и рис. 4.3г демонстрируют вероятности появления АА по данным риометра (f = 32 МГц) для зимних месяцев в годы минимальной солнечной активности при спокойных и возмущенных условиях. Вероятность появления АА определялась, как отношение числа событий АА со значениями, превышающими 0,5 дБ, к общему числу наблюдений. Сравнение кривых "в" и "г" на рис. 4.2 и рис. 4.3 показывает, что авроральное поглощение существенно воздействует на качество передачи информации. Рост поглощения ведет к снижению надежности КВ связи. Наиболее явным этот эффект является в течение возмущенных периодов: кривые "в" и "г" на рис. 4.3 являются фактически анти-коррелативными.

Роль F2S образований. Аномальная или спорадическая ионизация в F-области ионосферы (F2S) наблюдается зимой в вечерние часы как "толстый" слой с геометрическими параметрами похожими на регулярный Р2-слой, но с критическими частотами, превышающими те, что при нормальном Р2-слое [7]. Экваториальная стенка этой ионизации ночью совпадает с ПСП и зависит от геомагнитной активности. Согласно нашему эксперименту на инвариантной широте Фь = 65°, на которой расположены точки отражения трасс, спорадическая ионизация F2S появляется только в течение возмущенных периодов, в то время как в течение спокойных периодов она расположена севернее. Это можно увидеть, сравнивая рис. 4.2а и рис. 4.3а с рис. 4.26 и рис. 4.36 соответственно. А именно, в ночное время с 19:00LT до 06:00LT значения F2MIT4 (панель "б") на трассах превышают значения Р2МПЧ (панель "а") на 12 МГц. Следовательно, временной интервал At, при средней рабочей частоте f < F2MIT4, будет At = 0 для рис. 4.2а и At = 4 часа для рис. 4.26, так же как At = 8 часов для рис. 4.3а и At = 12 часов для рис. 4.36. Таким образом, спорадическая ионизация F2S при возмущенных условиях должна вносить свой вклад в рост надежности КВ связи, однако, в то же самое время важную роль играет поглощение радиоволн, которое скрадывает вклад F2S ионизации.

Эффекты спорадических Es-слоев. Рис. 4.2а,б и рис. 4.3а,б иллюстрируют вариации ЕбМПЧ (пунктиром), которые являются максимальными частотами, отраженными от спорадических слоев Еб для трасс, расположенных вдоль и поперек авроральной зоны. Можно увидеть, что рост геомагнитной активности вызывает увеличение общего времени появления спорадических Ез и возрастание значений ЕбМПЧ. Поэтому на авроральных линиях важно использовать спорадические Ез-слои для отражения радиоволн с целью повышения надежности КВ связи. Однако не все Еб-слои могут быть успешно использованы для целей радиосвязи. Согласно рис. 4.4 на широте « 65° во время ночных часов зимой, рост геомагнитной активности, оценивающейся К-индексом от 0 до 4, вызывает повышение вероятности появления спорадических слоев Езг с групповой задержкой (г-тип). Также увеличиваются (хотя и медленно) вероятность возникновения плоских ЕБ^слоев (Г и ц типы) и вероятность поглощения. При К > 4-5 обе вероятности Р(Езг) и Р(ЕбО уменьшаются, тогда как вероятность поглощения Р(АА) быстро нарастает (рис. 4.4). Последовательное использование спорадических слоев в авроральной зоне для КВ связи возможно только для низкой или умеренной геомагнитной активности. Во время этих периодов вероятность возникновения слоев Езг наибольшая по сравнению с Еб других типов и достигает в ночные часы зимой значений Р(Ебг) > 0,6. Следовательно, спорадический слой Ебг будет играть ключевую роль для КВ радиосвязи.

4.1.3. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ РАБОЧИХ ЧАСТОТ

Определенные трудности при распространении радиоволн в высоких широтах, разнообразие требований, изменение спектра радиочастот исключают возможность выбора одного единственного критерия для определения оптимальных рабочих частот декаметрового диапазона. Специфические трудности в выборе частоты возникают на авроральных радиотрассах, где в основном неоднородные явления определяют режим ионосферы, и где так же часто наблюдается повышенное поглощение радиоволн. Принимая во внимание вышесказанное (рис. 4.2 и рис. 4.3), некоторые причины, касающиеся выбора рабочих частот радиотрасс, можно рассматривать относительно морфологических особенностей аврорального овала.

- Когда авроральные радиотрассы расположены внутри области ГПИ: 17:00ЬТ-22:00ЬТ, 07:00ЬТ - 09:00ЬТ для К < 3; 16:00ЬТ- 18:00ЬТ, 08:00ЬТ-10:00ЬТ для К > 3 складываются наихудшие условия для осуществления КВ радиосвязи. Во время этих периодов рабочие частоты необходимо понижать, текущие значения частот Р2МПЧ должны быть в пределах 2-3 МГц.

- Когда точки отражения радиотрасс попадают в область ПСП с повышенным уровнем ионизации: 22:30ЬТ, 07:00ЬТ для К< 3; 18:00ЬТ, 07:30ЬТ для К > 3, рабочие частоты следует повысить от 2-3 МГц до 6-9 МГц.

Надежность КВ связи растет по мере того, как сигналы в приемном центре становятся стабильными и обладают большей мощностью.

- Когда радиотрассы расположены севернее ПСП, спорадическая ионизация Е- и Б-слоев влияет на проходящие сигналы с 22:00ЬТ до 07:00ЬТ для К < 3 и с 17:00ЬТ до 09:00ЬТ для К > 3. Для повышения надежности КВ связи на авроральных трассах длиной до 2000 км в вечерние и ночные часы зимнего периода можно использовать свойство спорадических слоев Еб отражать радиоволны. Во время умеренной геомагнитной активности (К = 2-4) существует рост значений ЕбМПЧ и повышение вероятности возникновения Еэ-слоев: Р(Еб) = 0,7 - 0,9, где Р(Еб) = Р(Ебг) + Р(Еб{) на рис. 4.4. При таких условиях диапазон рабочих частот необходимо сместить в КВ полосу: Г = 12-20 МГц для трассы вдоль аврорального овала и Г = 7-12 МГц для трассы вдоль овала. Выбор более высоких рабочих частот выгоден также и с точки зрения поглощения: чем выше частота, тем меньше поглощение радиоволн.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Как итог рассмотренных в работе исследований сформулируем полученные результаты.

1. При рассмотрении магнитной бури как совокупности суббурь, показано, что каждая суббуря вносит следующий эффект в ионосфере (так называемый «главный эффект»): в значениях параметра канала передачи информации 51ЪР2 (разность возмущенных и спокойных значений критической частоты сигнала по слою Р2) перед началом суббури существует положительный пик, затем отрицательный минимум. Образуется сумма воздействий за период возмущения.

Амплитуда пика 8АэР2 за несколько часов до начала активной фазы первой суббури лежит в пределах 20 -100% от значений АэР2. Этот пик может служить критерием для осуществления краткосрочного прогноза развития бури/суббури за несколько часов до ее начала и прогноза состояния каналов передачи информации.

Вариации параметра 51ипР2 (разность возмущенных и спокойных значений высоты максимума ионизации слоя Р2) находятся в противофазе с вариациями 8&>Р2. Амплитуда 51ипР2 лежит в пределах 15-25% от значений ЬтР2.

Поскольку, как обнаружено, область специфических вариаций 51ЪР2 и 51ш1р2 достаточно велика, около 90° вдоль широты, то указанные вариации должны существенным образом влиять на условия распространения радиоволн в этой области во время возмущений. Изменятся траектории радиоволн и механизмы распространения по сравнению со спокойными условиями. Это важно для прикладных задач построения систем приема, передачи информации по каналам радиосвязи.

2. Установлены закономерности распространения коротких волн в авроральной зоне. Происходит сужение диапазона рабочих частот А = МНЧ - ННЧ за период суббурь (порядка 30% от невозмущенного уровня). Чем меньше значение МНЧ или более узок диапазон рабочих частот, тем выше вероятность сбоев в системах передачи и обработки информации.

Для прогнозирования развития суббурь сформулированы признаки в изменениях параметров коротковолнового канала передачи информации, которые можно контролировать по ионограммам НЗИ: резкий спад уровня многолучевости за несколько часов до начала развития суббури, изменение механизма распространения на подготовительной фазе суббури, рост значений Р2МНЧ (максимально наблюдаемой частоты по слою VI) за 6-8 часов до начала развития суббури с последующим спадом, уменьшение значений ННЧ (наинизшей наблюдаемой частоты на трассе) за 2-3 часа до начала развития суббури.

3. Поведение характеристик НЗИ на субавроральной трассе во время возмущения определяется главным образом геофизическими факторами: вариациями ионосферы, приводящими к изменению механизмов распространения сигналов на трассе, и уровнем поглощения в нижней ионосфере. Характер вариаций параметров канала передачи информации на трассах высоких и средних широт имеет как сходные черты (например, при отражении сигналов на трассах от Р2-слоя), так и отличия (для сигналов, отраженных на уровне Е-слоя).

4. Во время бурь обнаружен общий характер следующих явлений.

- Диапазон частот Д = МНЧ-ННЧ расширяется перед бурей в течение нескольких часов, резко сужается во время бури и снова расширяется в течение нескольких часов после ее окончания.

- Вариации МНЧ при отражении сигналов от Р2 слоя представляют наложение главных эффектов отдельных суббурь, из которых состоит буря.

- Два основных явления - рост ионизации в слое Р2 за время несколько часов перед началом и резкий рост риометрического поглощения в начале развития активной фазы бури могут служить прогностическими предвестниками активной фазы бури.

- На трансавроральной радиотрассе полное время выхода трассы из строя (интервал срыва связи) зависит от местного времени ЬТ. Во время возмущений днем трасса выходит из строя чаще, чем ночью.

5. На основе анализа большого статистического материала определены особенности прохождения радиосигналов на реальных КВ-линиях связи в авроральной зоне. В спокойные условия, надежность связи низка из-за влияния главного ионосферного провала. Для слабой и умеренной геомагнитной активности надежность высока. Для умеренной геомагнитной активности спорадическая ионизация в Е области, особенно слои Ебг, в вечерние и ночные часы зимы дает возможность увеличить надежность передачи данных за счет выбора более высоких частот на трассах порядка f = 12-20 МГц. Для сильной активности (бури, суббури) надежность становится низкой из-за аврорального поглощения.

Качество передачи информации по декаметровым радиоканалам в авроральной зоне в основном зависит от геофизических факторов воздействия, но не от направления или длины радиотрассы.

6. Результаты моделирования канала распространения радиоволн во время магнитных бурь и суббурь показали, что наибольший вклад в вариации МПЧ (максимально применимой частоты) дает изменение критической частоты области Р. Далее по значимости идет изменение высоты. Полутолщина влияет сравнительно мало. МПЧ растет при увеличении критической частоты слоя ионосферы. Между высотой максимума ионизации слоя, а также между полутолщиной слоя и МПЧ наблюдается обратная зависимость.

7. Несмотря на развитие новых средств телекоммуникаций, современные КВ-системы играют важную роль, в том числе и в высокоширотных областях. По своим основным параметрам они могут конкурировать со спутниковыми связными системами, при этом являясь значительно дешевле последних.

Результаты анализа рассмотренных экспериментов могут быть полезны в вопросах космической погоды, организации работы систем передачи, приема и обработки информации в высоких широтах, а также прогнозирования состояния ионосферных радиоканалов во время магнитосферных возмущений.

1. Афраймович ЭЛ., Интерференционные методы зондирования ионосферы. -М.: Наука, 1982, 197 с.

2. Беспрозванная A.C., Жеребцов Г.А., Пирог О.М., Щука Т. И. Динамика электронной плотности в авроральной зоне во время магнитосферной суббури 22 декабря, 1982года // Геомагнетизм и аэрономия, т. 28, №1, 1988, с. 66-70.

3. Беспрозванная A.C., Пирог О.М., Щука Т.И. Динамика нижней ионосферы во время магнитосферных суббурь // Геофиз. исслед. в высоких широтах. Под ред. Беспрозванной A.C. и Щуки Т.И. Ленинград: Гидрометеоиздат, Т. 425, 1991, с. 46-51.

4. Благовещенская Н.Ф. Геофизические эффекты активных воздействий в околоземном космическом пространстве, С.Петербург: Гидрометеоиздат, 2001, 287 с.

5. Благовещенский Д.В. Распространение декаметровых радиоволн в высоких широтах. М: Наука, 1981,180 с.

6. Благовещенский Д.В., Благовещенская Н.Ф. Волновые возмущения в высокоширотной ионосфере во время суббури // Геомагнетизм и аэрономия, Т.34, №3, 1994, с.87-98.

7. Благовещенский Д.В., Борисова Т. Д., Егорова Л.В. Пред- и послебуревые ситуации в ионосфере и распространение декаметровых радиоволн // Геомагнетизм и аэрономия, Т. 36, №4,1996, с. 125-134.

8. Благовещенский Д.В., Жеребцов Г.А. Высокоширотные геофизические явления и прогнозирование коротковолновых радиоканалов. М.: Наука, 1987, 272 с.

9. Благовещенский Д. В., Сергеева М. А., Выставной В. М. Эффекты суббурь в распространении КВ в авроральном овале // Геомагнетизм и аэрономия, т. 46, №2, 2006, с. 175-181.

10. Благовещенский Д.В., Сергеева М.А., Синянский П.А. Эффекты суббури на высокоширотных КВ радиотрассах наклонного зондирования ионосферы // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, Вып. 112, изд. СО РАН, 2001, с 182-192.

11. Галеев A.A., Гальперин Ю.И., Зеленый J1.M. Проект "Интербол" по исследованиям в области солнечно-земной физики. Космические исследования, Т.34, Вып. 4, 1996, с. 339-362.

12. Григоренко Е.И., Лазаренко C.B., Таран В.И., Черногор Л.Ф. Волновые возмущения в ионосфере, сопровождавшие вспышку на Солнце и сильнейшую бурю 25 сентября 1998г. // Геомагнетизм и аэрономия, Т.43, №6, 2003, с.770-787.

13. Григорьев Г.И. Акустико-гравитационные волны в атмосфере Земли (обзор) // Известия. Вузов, Радиофизика, Т.42, №1, 1999, с.3-10.

14. Гульельми A.B., Золотухина H.A., Кангас Й., Культима Й., Потапов A.C. Нарастание волновой активности Рс1 перед внезапными магнитными импульсами // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука. Вып. 112, 2001, с. 115-123.

15. Данилов А. Д., Морозова Л. Д. Термосферно-ионосферное взаимодействие во время ионосферных бурь (обзор) // Геомагнетизм и аэрономия, Т. 31, №2. 1991, с. 209-222.

16. Данилов А.Д., Морозова Л.Д., Мирмович Е.Г. О возможной природе положительной фазы ионосферных бурь // Геомагнетизм и аэрономия, Т. 25, №5,1985, с. 768-772.

17. Золотухина H.A. О геофизических предвестниках SSC // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, Вып. 66, 1993, с. 51-54.

18. Козырева О.В., Клейменова Н.Г., Шотт Ж. Геомагнитные пульсации начальной фазы магнитной бури // Геомагнетизм и аэрономия,Т.44, №1, 2004, с.37-46.

19. Лукин Д.С., Спиридонов Ю.Г. Применение метода характеристик для решения на ЭВМ задач распространения электромагнитных волн в неоднородных анизотропных средах // В сб. Лучевое приближение и вопросы распространения радиоволн. М., Наука, 1971, с. 265-279.

20. Митра А. Воздействие солнечных вспышек на ионосферу Земли. М.: Мир, 1977,370 с.

21. Нагорский П.М., Цыбиков Б.Б., Казакова H.A. Синтез отклика сигнала КВ-зондирования при воздействии на ионосферный канал связи акустических ударных волн // Электронный журнал "Исследовано в России", 19, 2002, с. 202211.

22. Намазов С.А., Новиков В.Д., Хмельницкий И.А. Доплеровское смещение частоты при ионосферном распространении декаметровых радиоволн // Известия вузов, Радиофизика, Т. 18, 1975, с. 473-501.

23. Пудовкин М. И., О. М. Распопов, Н. Г. Клейменова Возмущения электромагнитного поля земли. Ч. 2. Короткопериодические колебания геомагнитного поля. Изд-во ЛГУ, Ленинград, 1976, 270 с.

24. Разуваев О.И. Спорадическая ионизация в высокоширотных геофизических исследованиях // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, Вып. 93, 1991, с. 3-16.

25. Распопов О.М. О возможном механизме возбуждения пульсаций геомагнитного поля типа Pi2 // Геомагнетизм и аэрономия, Т.8, 1968, с. 326329.

26. Сергеева М.А., Влияние авроральной ионосферы на коротковолновую радиосвязь // Научная сессия ГУАП (Сборник докладов), Ч. I. Технические науки, ГУАП, Спб, 2006, с.180-182.

27. Сергеева М.А., Влияние погоды в космосе на распространение радиоволн // Пятая научная сессия аспирантов и соискателей ГУАП (Сборник докладов), Ч. I. Технические науки, СПб, 2002, с. 145-147.

28. Сергеева М.А. Проявления суббурь и особенности прохождения коротких радиоволн в авроральном овале // Восьмая научная сессия аспирантов и соискателей ГУАП (Сборник докладов), Ч. I. Технические науки, ГУАП, Спб, 2005, с. 230-232.

29. Сергеева М.А. Эффекты космической погоды в распространении ионосферных радиоволн // Аннотации работ по грантам Санкт-Петербургского конкурса 2002г. для студентов, аспирантов и молодых специалистов, Седьмая

30. Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов, Изд-во С,-Петерб. ун-та, 2002, с.75-76.

31. Aarons J., Rodger A. S. The effects of electric field and ring current energy increases on F layer irregularities at auroral and subauroral latitudes // Radio Science, V.26. 1991, pp. 1115-1129.

32. Baker D.N. Solar wind magnetosphere drivers of space weather. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, V.58, No 11, 1996, pp. 1509-1526.

33. Blagoveshchensky, D.V., Borisova T.D. Main ionization trough parameters for ionosphere modeling by HF radio network observations // Advances in Space Research, 16, Nol, 1995, pp. (1)65 (1)68.

34. Blagoveshchensky D.V., Borisova T. D. Model-empirical study of the HF propagation during magnetospheric substorm. Newport Beach, California. IEEE Antennas and Propagation Society Internat. Symposium, 1995, Digest. 1, pp. 21502153.

35. Blagoveshchensky D. V., Borisova T. D. Substorm effects of ionosphere and HF propagation. Radio Science, V. 35, No5,2000, pp. 1165-1171.

36. Blagoveshchensky, D.V., Egorova L.V., Lukashkin V.M. High-latitude ionospheric phenomena diagnostics by HF radio wave propagation observations. Radio Science, 27, No2, 1992, pp. 267-274.

37. Blagoveshchensky D.V., Maltseva O.A., Rodger A.S. Ionosphere dynamics over Europe and western Asia during magnetospheric substorms 1998-99 // Annales Geophysicae, V. 21, 2003, pp. 1141-1151.

38. Blagoveshchensky D.V., Maltseva O.A., Rodger A.S. Spatial and temporal variations of the ionospheric parameters during substorm time // 5th International Conference on Substorms (Book of abstracts), St.-Petersburg, 2000, pp. 225- 231.

39. Blagoveshchensky D.V., Nozdrachev S. V., Sergeeva M. A., Sinyansky P. A. Magnetic storm effects on a HF transauroral radio path // International Journal of Geomagnetism and Aeronomy, V. 5, 2005, pp. ???

40. Blagoveshchensky D.V., Pirog O.M., Polekh N.M., Chistyakova L.V. Mid-latitude effects of the May 15, 1997 magnetic storm // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, V. 65. 2003, pp. 203 210.

41. Blagoveshchensky D.V., Sergeeva M.A. Impact of the CEDAR, GEM and ISTP geomagnetic storms on radio propagation // International Conference "Problems of Geocosmos" (Book of abstracts), St.Petersburg, 2002, pp. 83-84.

42. Blagoveshchensky D.V., Sergeeva M.A., Sinyansky P. A. Substorm effects on high-latitude HF paths of the oblique ionospheric sounding // Nordic Shortwave Conference (Conference Proceedings), Sweden, 2001, pp. 1.4.1-1.4.11.

43. Blagoveshchensky D.V., Vystavnoi V. M., Sergeeva M. A. HF radio propagation through the auroral oval during substorms // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, V. 67, 2005, pp. 1618 1625.

44. Borisova T.D., Blagoveshchenskaya N. F., Moskvin I.V., Rietveld M.T., Kosch

45. M.J., Thide B. Doppler shift simulation of scattered HF signals during the Tromso HF pumping experiment on 16 February, 1996 // Annales Geophysicae, V. 20, 2002, pp. 1479-1486.

46. Borovsky J.E., Wemzek R.J., Belian R.D. The occurrence rate of magnetospheric substorms // Journal of Geophysical Research, V. 98, 1993, pp. 3807-3813.

47. Brandshaw E.G., Lester M. SABRE observations of Pi2 pulsations: case studies // Annales Geophysicae, V. 15,1997, pp.40-53.

48. Buonsanto M.J. Ionospheric storms a review // Space Science Reviews, V.88, 1999, pp. 563-601.

49. Chao-Song Huang, J. C. Foster, Prompt effects of solar wind variations on the inner magnetosphere and midlatitude ionosphere, Space Weather Week, April 16-19, Boulder, Colorado, Abstracts, 2002, pp.17.

50. Danilov A.D., Lastovicka J. Effects of geomagnetic storms on the ionosphere and atmosphere // International Journal of Geomagnetism and Aeronomy, V.2, No.3, 2001.

51. Fairfield D. H. Advances in magnetospheric storm and substorm research: 19891991 // Journal of Geophysical Research, V. 97, No A7. 1992, pp. 10865-10874.

52. Gauld J.K., Yeoman T.K., Davies J.A., Milan S.E., Honary F. SuperDARN radar HF propagation and absorption response to the substorm expansion phase // Annales Geophysicae, V. 20,2002, pp. 1631-1645.

53. Gonzalez W.D., Joselyn J.A., Kamide Y., Kroehl H.W., Rostoker G., Tsurutani B.T., Vasyliunas V.M. What is a geomagnetic storm? // Journal of Geophysical Research, V.99, No A4, 1994, pp. 5771-5792.'

54. Goddard Space Flight Center, Space Physics Data Facility /http://nssdc.gsfc.nasa.gov/omniweb.

55. Space Physics Interactive Data Resource / http://spidr.ngdc.noaa.gov.

56. Hunsucker R.D. Atmospheric gravity waves generated in the high-latitude ionosphere: a review // Reviews of Geophysics and Space Physics, V.20, 1982, pp.293-315.

57. Hunsucker R.D. Auroral and polar-cap ionospheric effects on radio propagation // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, V. 40. 1992, pp. 818-828.

58. Hunsucker R.D., R.B. Rose, Adler R. W., Lott G.K. Auroral-E mode oblique HF propagation and its dependence on auroral oval position // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, V. 44, 1996, pp.383-388.

59. Kangas J., Kultima J., Guglielmi A. V., Potapov A.C., Hayashi K. Impact of interplanetary shok on the ULF wave activity: a case study of the storm sudden commencement on September 22, 1999 // Earth Planet Space, V. 53, 2001, pp. 11771182.

60. LaBelle J. High-latitude propagation studies using a meridional chain of LF/MF/HF receivers // Annales Geophysicae, V. 22, No5, 1984, pp. 1705-1718.

61. Lastovicka J. Monitoring and forecasting of ionospheric space weather effects of geomagnetic storms // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, V. 64, 2002, pp. 697 - 705.

62. Lyons L. R. Substorms: Fundamental observational features, distinction from other disturbances and external triggering // Journal of Geophysical Research, V. 101, No. A6, 1996, pp. 13011-13025.

63. Ma S. Y., Cai H. T., Liu H. X. et al. Positive storm effects in the dayside polar ionospheric F-region observed by EISCAT and ESR during the magnetic storm of 15 May 1997 // Annales Geophysicae, V.20. 2002, pp. 1377-1384.

64. Milan S.E., Jones T.B., Warrington E.M., Enhanced MUF propagation of HF radio waves in the auroral zone // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, V. 59, 1997, pp. 237-249.

65. Milan S.E., Jones T.B., Lester M., Warrington E. M., Reeves G.D. Substormcorrelated absorption on a 3200 km trans-auroral HF propagation path // Annates Geophysicae, V.14. 1996, pp. 182-190.

66. Olson J.V. Pi2 pulsations and substorm onset: a review // Journal of Geophysical Research, V. 104,1999, pp. 17499-17520.

67. Ondoh T., Obu K. Prediction of HF communications disturbances by pre-SC HF field increase on polar paths crossing the auroral zone // Solar-Terrestrial Prediction Proceedings. V. 4,1980, pp.D2-21 D2-30.

68. Park C. G. A morphological study of substorm-associated disturbances in the ionosphere // Journal of Geophysical Research, V. 79, No 19, 1974, pp. 2821-2827.

69. Pirog O.M., V.D. Urbanovich, Zherebtsov G.A. Effects of substorms in the night auroral E-region. Proceedings of the International Conference on Substorms-5, St. Petersburg, 2000, pp. 545-547.

70. Pirog O.M., Vakulin Yu.I., Nemtsova E.I., Urbanovich V.D. The Es layer during geomagnetic substorms // Acta Geodact., Geophys. et Montanist Acact. Sci. Hung., V. 22,1987, pp. 191-198.

71. Prolss G.W. On explaining the local time variation of ionospheric storm effects // Annales Geophysicae, V.ll, 1993, pp.1-9.

72. Prolss G.W., Brace L.H., Mayer H.G. et al. Ionospheric storm effects at subauroral latitudes: a case study // Journal of Geophysical Research, V. 96, No2, 1991, pp. 1275-1288.

73. Rodger A.S., Brace L.H., Hoegy W.R., Winningham J.D. The poleward edge of the mid-latitude trough its formation, orientation and dynamics // Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, V. 48, No8,1986, pp. 715-728.

74. Rodger A.S., Wrenn G.L., Rishbeth H. Geomagnetic storms in the Antarctic F-region.2. Physical interpretation // Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, V. 51, 1989, pp. 851-866.

75. Rostoker G., Akasofu S.-I., Foster J., Greenwald R.A., Kamide Y, Kawasaki K., Lui A.T.Y., McPherron R.L., Russel C.T. Magnetospheric substorms definition and signatures // Journal of Geophysical Research, V. 85, No. A4, 1980, pp. 1663-1668.

76. Stocker A.J., Arnold N.F., Jones T.B. The synthesis of travelling ionospheric disturbance (TID) signatures in HF radar observations using ray tracing // Annales Geophysicae, V. 18 (1), 2000, pp. 56-64.

77. Tinsley B.A. Energetic neutral atom precipitation as a possible source of midlatitude F region winds // Geophysical Research Letters, V.6, 1979, pp. 291 293.

78. Tsurutani B.T., Kamide Y., Arballo J.K., Gonzalez W.D., Lepping R.K. Interplanetary causes of great and superintense magnetic storms // Physics and Chemistry of the Earth (C), V.24, No. 1-3, 1999, pp. 101-105.

79. Wagner L.S., Goldstein J.A., Rupar M.A., Kennedy E.J. Delay, Doppler, and amplitude characteristics of HF signals received over a 1300-km transauroral sky wave channel // Radio Science, V. 30, No. 3, 1995, pp. 659-676.

80. Warrington E.M., Stocker A.J. Measurements of the Doppler and multipath spread of HF signals received over a path oriented along the mid-latitude trough // Radio Science, 2003, V. 38, No. 5.

81. Yeh K.C., Ma S.Y., Lin K.H., Conkright. Global ionospheric effects of the October 1989 geomagnetic storm // Journal of Geophysical Research, V. 99, 1994, pp. 6201-6218.

82. Yeoman T.K., Lester M., Milling D.K., Orr D. Polarization, propagation and MHD wave modes of Pi2 pulsation: SABRE/SAMNET results // Planetary and Space Science, V. 39, 1991, pp. 983-998.

83. Yeoman T.K., Wright D.M., Stocker A.J., Jones T.B. An evaluation of range accuracy in the SuperDARN over-the-horizon HF radar systems // Radio Science, V. 36(4), 2001, pp. 801-813.