Диссертация (1149579), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Их модель основана на аппроксимациипрофиля проводимости в нижнем (ℎ < ℎ1 ) и верхнем (ℎ1 < ℎ < ℎ2 )характерных слоях экспоненциальными функциями:⎧⎨1 exp [(ℎ − ℎ1 ) /1 ] ℎ ≤ ℎ1 (ℎ) =⎩ exp [(ℎ − ℎ ) / ] ℎ < ℎ ≤ ℎ22212(1.8)49где ℎ - высота над поверхностью Земли, 1 и 2 - локальные шкалы высот приℎ = ℎ1 и ℎ = ℎ2 , соответственно. Граница проводимости ℎ1 определяется изфизического условия, что ток смещения равен току проводимости. На этойвысоте проводимость удовлетворяет уравнению(1.9)1 = 0где 0 - диэлектрическая постоянная. На высоте ℎ2 проводимость удовлетворяетуравнению(1.10)2 = 1/40 22где 0 – магнитная проницаемость вакуума.
Оно имеет физический смыслсоотношения между локальным волновым числом и шкалой высоты 2вертикальной неоднородности в верхнем характерном слое. Здесь показательпреломления намного больше единицы. Следует отметить, что обе высоты ℎ1и ℎ2 зависят логарифмически от частоты в данной модели проводимостиионосферы. Однако, так как их вариации малы в интересующем нас частотномдиапазоне, мы будем считать их константами в этом диапазоне частот [82].Двухэкспоненциальная модель предусматривает, в соответствии с вышепринятой временной зависимостью , простое алгебраическое выражениедля параметра распространения 0 ( ), который позволяет оценить фазовуюскорость распространения02 ( ) =ℎ2 ( ) − 2 /2ℎ1 ( ) + 1 /2√︂ℎ1(1.11)ℎ2Частным случаем двухэкспоненциальной модели, когда 1 = 2 , являетсяℎ ≈ одноэкспоненциальная модель. Она также широко используется в литературе[30; 33; 62].Двухэкспоненциальнаяраспространениямодельэлектромагнитнойописываетволнысвязьвмеждуволноводеискоростьюпрофилемпроводимости ионосферы.
В [62] упоминается, что она была изначальноразработана и апробирована для диапазона частот 50-100 Гц [33; 35] и50широко применялась для связи с подводными лодками на сверхнизкихчастотах (СНЧ, 30–300 Гц), находящимися в погруженном состоянии [5; 6].Эта часть СНЧ диапазона была определена как полоса частот связи. Послетеоретического исследования [33], двухэкспоненциальная версия их подходабыла, почти автоматически, принята для диапазона частот шумановскогорезонанса без критического анализа его применимости. Так, подход основан наконцепции, что «в любом ограниченном диапазоне высот проводимость можетбыть аппроксимирована экспонентой со шкалой высоты, соответствующейэтой высоте» [33].
Точность этого подхода зависит от того, достаточно ли«ограничены» характерные слои, ответственные за распространение в СНЧдиапазоне, чтобы подтвердить такие приближения. В [62] показано, что причастотах выше 50 Гц, двухэкспоненциальная модель с соответствующимичастотно-зависимыми значениями шкал высот может надежно использоватьсявместо рассматриваемой ниже более сложной «knee» модели [62].Такимобразом,предварительныйанализхарактеристикдвухэкспоненциальной модели говорит о возможности ее применения кисследованию связи скорости распространения электромагнитных возмущенийв волноводе Земля-ионосфера с профилем проводимости ионосферы в СНЧдиапазоне.Ещеодноймоделью,связывающейпараметрыраспространенияспараметрами ионосферы, является так называемая «knee» модель. Онабыла предложена в работе [62] для описания шумановских резонансов иявляется расширением двухэкспоненциальной модели [33].Рассматривая «knee» модель с точки зрения применения в данной работе,можно сделать вывод, что есть сомнения в возможности ее примененияна частотах выше 50 Гц, так как в ней накладываются ограничения наположение точки перегиба профиля проводимости.
При этом известно, что начастотах порядка 100 Гц возникает ситуация, когда происходит «вырождение»этой точки и профиль проводимости начинает описываться прямой. Вглаве 4 мы рассмотрим этот эффект более подробно при исследованиивозможности замены двухэкспоненциальной модели [33] на ее частный случай(одноэкспоненциальную модель) для СНЧ диапазона.51Другой подход к моделированию, основанный на формальной аналогиимежду распространением в волноводе и распространением волны в линиипередачи, был предложен [56] для обработки ассиметрий в волноводе Земляионосфера.
Этот подход был в последствии переработан с привлечениемобсужденного выше формализма [33], Кирилловым [53—55] в метод двумерноготелеграфного уравнения (TDTE), которое решается проще, чем уравненияМаксвелла и позволяет учесть неоднородности волновода. В терминах TDTEподхода параметры распространения формулируются через две комплексныехарактеристические высоты - нижняя ( ) и верхняя ( ). Общие TDTEвыражения для полей [55] применительно к горизонтально однородномуволноводу, после упрощения выглядят так ( ) 0 ( ) [0 ( ) + 1] 00 [cos ( − )] (,) = +82 0 ( )sin [0 ( ) ] ( ) (,) = −4(︂2)︂20 ( ) [0 ( ) + 1] 10 [cos ( − )] ( )sin [0 ( ) ]Следует отметить, что метод двумерного телеграфного уравнения,предложенный[54],разрабатывалсядляописаниягоризонтальныхнеоднородностей в волноводе Земля-ионосфера, в том числе терминатора.Вотсутствиегоризонтальныхкуравнениям,аналогичнымнеоднородностейэтотдвухэкспоненциальнойподходмодели.приводитПосколькуприближения изотропной ионосферы достаточно для описания отдельнодневной и отдельно ночной ионосферы, в настоящей работе мы не будемиспользовать TDTE подход.Врезультатерассмотренияразличныхмоделей,связывающиххарактеристики распространения электромагнитного сигнала в волноводеЗемля-ионосфера с параметрами волновода, показано, что при исследованиискорости распространения атмосфериков в диапазоне от частот шумановскихрезонансов и примерно до 100 Гц наиболее часто применяемой являетсядвухэкспоненциальная модель.
На более высоких частотах, в том числе в СДВдиапазоне, практически всегда применяется одноэкспоненциальная модель,являющаяся частным случаем двухэкспоненциальной модели. Выбор моделидля нашего частотного диапазона 95-165 Гц определяется характерными52высотами типовых профилей проводимости и допустимыми ошибками,появляющимися при использовании более простой одноэкспоненциальноймодели вместо двухэкспоненциальной.1.4Основные результаты Главы 1.В первой главе рассмотрены особенности влияния солнечных вспышек нанижнюю ионосферу и существующие модели распространения ЭМ сигналов, атакже аппаратурные решения и методы измерений, позволяющие исследоватьизменения состояния нижней ионосферы под влиянием гелиогеофизическихвозмущений.Основные результаты первой главы заключаются в следующем:1.
Обоснованаактуальностьизмерениявертикальнойкомпонентыэлектрического поля для выявления и изучения реакции нижнейионосферынагелиогеофизическиевозмущения.Показано,чтоврамках этой задачи результаты измерений необходимы для отбораатмосфериков, определения направления распространения в диапазонеуглов от −180∘ до +180∘ и как индикатор появления неоднородностейпроводимости в нижней ионосфере;2. Рассмотрены имеющиеся методы калибровки горизонтальных магнитныхи вертикальной электрической компонент.
Проведенный анализ показал,чтометодкалибровкивертикальнойэлектрическойкомпоненты,рассмотренный в [15], не является в строгом смысле калибровкой, инеобходимо разработать более обоснованный способ определения функциипередачи измерительного канала ;3. Показано,чтоалгоритма,пригодногодляунификациичастотыдискретизации данных, полученных на разных станциях с помощьюне синхронизированных по времени АЦП, с сохранением временикаждого отсчета, не существует. Для решения этой задачи целесообразномодифицировать наиболее близкий по структуре ASRC-алгоритм;4. Имеющиеся методы решения обратной задачи типа свертки, возникающейпри преобразовании цифровых отсчетов данных в напряженность53компонент поля не подходят для потоковой обработки больших массивовданных;5. ДляотборараспространяющихсяЭМвозмущенийцелесообразноиспользовать комбинаторно-логический метод, базирующийся на свойствахЭМ импульсов, вытекающих из модели распространения;6. Рассмотрены основные факторы, влияющие на профили концентрацииионов и электронов, и, как следствие, на условия распространенияЭМ возмущений.
Наиболее сильное влияние на ионосферу в высокихширотах оказывают гелиогеофизические возмущения – потоки протоновс энергиями более 1 MeV и рентгеновские лучи. Существует несколькообщепринятых моделей распространения ЭМ возмущений в волноводеЗемля-ионосфера, связывающих такие измеряемые на земной поверхностифизические величины как фазовая скорость распространения и волновойимпеданс с профилем проводимости ионосферы в диапазоне высот40–100 км. В ряде работ показано, что статическое магнитное полеЗемли оказывает слабое влияние на распространение СНЧ возмущенийв волноводе Земля-ионосфера, поэтому можно считать ионосферуизотропной.7. В волноводе Земля-ионосфера практически непрерывно присутствуют ЭМимпульсы от разрядов молний, которые могут быть использованы дляоценки скорости распространения и волнового импеданса в авроральнойобласти.
Используя результаты измерений и модель распространения,можно обнаружить изменение свойств и оценить реакцию нижнейионосферы на гелиогеофизические возмущения.54Глава 2Программно-аппаратныйкомплекс для исследованияструктуры ЭМ поля в СНЧдиапазоне2.1РегистраторвертикальнойэлектрическойкомпонентыКак было показано выше, существовавший до начала данной работыв обс. Ловозеро регистратор трех компонент магнитного поля , и (см. рис. 2.1) имеет один свободный канал, который используется дляоцифровки опорного сигнала при калибровке магнитных датчиков. Так каккалибровка производится согласно регламенту не более 1-2 раз в год, этотканал вполне можно было бы использовать для регистрации . К сожалению,при испытаниях выяснилось, что соединение шины заземления обсерваториис искусственной землей вертикальной электрической антенны приводит кпоявлению неприемлемо высокого уровня сетевой помехи 50 Гц и гармоникэтой частоты в канале , на несколько порядков превышающего уровеньпомехи в случае гальванического разделения заземлений.
Примененный врегистраторе магнитных компонент АЦП допускает гальваническое отделение55своей аналоговой части от цифровой. К сожалению, имеющаяся конструкциярегистратора в целом не позволяет отделить землю обсерватории от землианалоговой части АЦП, и, следовательно, от земли электрической антенныв случае ее подключения к АЦП магнитного регистратора. Так каканалоговая часть регистратора магнитного поля не может быть изменена воизбежание изменения характеристик проработавшей много лет аппаратуры,для регистрации был установлен отдельный АЦП, в котором из четырехканалов используется только один. Частота дискретизации этого АЦП слегкаотличается от частоты дискретизации магнитных компонент, что чрезвычайнонеудобно при совместной обработке данных трех компонент поля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
