ЭФФЕКТЫ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ В ИОНОСФЕРЕ ПО ДАННЫМ ЗОНДИРОВАНИЯ СИГНАЛАМИ СПУТНИКОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ GPS © 2010 г. Н. П. Перевалова*, А. Б. Мшим
Учреждение Российской академии наук Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск
*E-mail: pereval@iszf.irk.ru Поступила в редакцию 19.12.2008 г. После доработки 10.08.2009 г.
В работе обсуждаются проблемы регистрации отклика ионосферы на тропические циклоны (ТЦ) и возможность детектирования такого отклика с помощью сигналов спутниковой радионавигационной системы GPS (Global Positioning System). Выполнен обзор исследований ионосферных эффектов тропических циклонов различными геофизическими методами и технологий использования GPS для дистанционной диагностики ионосферы. Представлены результаты исследований воздействия тропических циклонов на ионосферу Земли, полученные авторами по данным измерений вариаций полного электронного содержания на глобальной сети наземных двухчастотных приемников GPS. Показано, что: а) регистрация тропосферных эффектов в ионосфере связана с трудностями детектирования слабых возмущений, выделения их на общем фоне вариаций и с проблемами идентификации источника таких возмущений; б) геомагнитные бури маскируют эффекты тропосферных возмущений в верхней ионосфере; в) при выделении ионосферных эффектов тропических циклонов основное внимание следует уделять поиску усиления интенсивности возмущений в вариациях ионосферных параметров.
Ключевые слова: ионосфера, тропосферные возмущения, тропический циклон, спутниковые навигационные системы, GPS.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование взаимодействия ионосферы с нижележащими атмосферными слоями является одним из важнейших направлений геофизики. Механизмом такого взаимодействия может служить распространение снизу вверх внутренних атмосферных волн (ВАВ) различных масштабов (Данилов и др., 1987; Hocke., Shlegel, 1996; Ka-zimirovsky et al., 2003; Lastovicka, 2006): планетарных (периоды несколько дней), приливных (периоды несколько часов), гравитационных (периоды 1— 150 мин). Поиск метеорологических эффектов в ионосфере, как правило, заключается в установлении корреляционных связей между вариациями параметров ионосферы и тропосферы. Подавляющее большинство исследований в данной области относится к изучению крупномасштабных (с периодами от нескольких часов до 30 дней) возмущений в ионосфере, связанных с планетарными и приливными волнами (Данилов и др., 1987; Hocke., Shlegel, 1996; Kazimirovsky etal., 2003).
В то же время неоднократно высказывалось предположение, что мощные метеорологические возмущения (циклоны, грозы, торнадо и т.д.) должны служить источником различных типов
гравитационных волн, которые при благоприятных условиях могут проникать до высот ионосферы и проявляться там в виде перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) (Данилов и др., 1987; Hocke., Shlegel, 1996; Kazimirovsky et al., 2003; Lastovicka, 2006). Кроме того, согласно теоретическим моделям, к генерации неоднородно-стей ионосферной плазмы могут приводить электрические поля, возникающие над районами сильных синоптических возмущений (Пулинец и др., 1998; Sorokin et al., 2005). Влияние тропосферных структур на лежащие выше слои возможно также через перераспределение малых составляющих (например, озона), связанное с выбросами заряженных и нейтральных частиц из зоны циклона (Ванина-Дарт и др., 2007а; Ванина-Дарт и др., 20076; Данилов и др., 1987).
Как показал опыт многолетних исследований, более чувствительна к метеорологическим воздействиям нижняя ионосфера (Данилов и др., 1987; Kazimirovsky et al., 2003; Lastovicka, 2006). Метеорологические возмущения могут приводить к существенным (на один—два порядка) изменениям электронной концентрации Ne в областях D и E ионосферы. Анализ банка данных ракетного зон-
дирования на полигоне Тумба за 1985 и 1988 гг. (Ванина-Дарт и др., 2007а; Ванина-Дарт и др., 20076) выявил факт понижения Ne в области D во время действия тропического циклона (ТЦ) № 8 501-01B и показал, что электронная концентрация на высотах 60—80 км в дни с ТЦ ниже, чем в дни без них. Наибольшее уменьшение Ne наблюдается на уровнях около 70 км. На высотах более 80 км воздействие ТЦ несущественно. Эффекты ТЦ в нижней экваториальной ионосфере регистрируются на расстояниях до 8000 км от траектории циклона.
Детектирование ионосферных возмущений, связанных с воздействием ТЦ на верхнюю ионосферу (/'-область), проводилось в большинстве случаев с помощью измерений доплеровского сдвига частоты (ДСЧ) или фарадеевского вращения плоскости поляризации зондирующего сигнала (Bertin et al., 1975; Hung, Kuo, 1978; Huang et al., 1985; Xiao et al., 2007). Отклик /-области представлял собой волновые ПИВ с периодами 20—90 мин (Bertin et al., 1975; Hung, Kuo, 1978), 13-14 мин (Huang et al., 1985), около 20 мин (Xiao et al., 2007). Траекторные расчеты, проведенные в (Bertin etal., 1975), показали, что зоны генерации ПИВ, вероятнее всего, лежали в тропосфере в областях формирования циклонов. При этом горизонтальные удаления вероятных источников от места регистрации ПИВ составляли 1000-2000 км. Установлено также, что все зарегистрированные ПИВ распространялись в направлении, противоположном направлению нейтрального ветра в F-об-ласти ионосферы. Таким образом, получено подтверждение теоретических оценок (Hocke, Shle-gel, 1996; Sorokin et al., 2005), согласно которым нейтральный ветер в ионосфере служит фильтром для волновых ПИВ. Статистика наблюдений ионосферного отклика неоднозначна. В работе (Huang et al., 1985) из 12 рассматривавшихся тайфунов периода 1982-1983 гг. реакция F-обла-сти была обнаружена лишь для двух событий (тайфун Andy 22-30 июля 1982 г. и тайфун Wayne 23-25 июля 1983 г.). Авторы (Xiao et al., 2007) зарегистрировали ПИВ в F-области во время 22 из 32 тайфунов, действовавших в 1987-1992 гг. При этом восемь тайфунов, совпадших по времени с магнитными бурями и солнечными вспышками, были исключены из рассмотрения.
В работах (Черниговская и др., 2008; Perevalova, Polekh, 2009) сообщалось о регистрации усиления интенсивности колебаний с периодами 2-6 ч в вариациях ионосферных параметров по данным наклонного (Черниговская и др., 2008) и вертикального (Perevalova, Polekh, 2009) зондирования ионосферы в восточноазиатском регионе осенью 2005 г. Рост интенсивности наблюдался в спокойных геомагнитных условиях и мог быть связан с воздействием на атмосферу ТЦ в северо-западной акватории Тихого океана.
Первые опыты регистрации отклика ионосферы на ТЦ с помощью навигационной системы GPS (Global Positioning System) описаны в (Афраймович, Перевалова, 2006; Афраймович и др., 2008; Afrai-movich et al., 2007; Бондур и др., 2008б). В (Афрай-мович, Перевалова, 2006; Афраймович и др., 2008; Afraimovich et al., 2007) отмечено некоторое усиление возмущений в ионосфере во время действия ТЦ и обозначены геофизические факторы, которые могут мешать идентификации воздействия ТЦ. В (Бондур и др., 2008б) зафиксировано увеличение электронной концентрации в максимуме слоя F над центром урагана Katrina 28.09.2005, вызванное, по мнению авторов (Бондур и др., 2008б), проникновением в ионосферу электрического поля, созданного ураганом.
В целом экспериментальные исследования подтверждают идею о том, что прохождение мощного циклонического фронта сопровождается возбуждением ВАВ, которые могут достигать ионосферы, а также распространяться на горизонтальные расстояния в сотни и тысячи километров. Однако теоретические модели распространения ВАВ не всегда согласуются с экспериментальными данными. Теоретические расчеты, выполненные в (Куницын и др., 2007а), показали, что над местом локального возмущения атмосферы должны наблюдаться акустико-гравитационные волны (АГВ) с периодами в несколько минут. На больших горизонтальных расстояниях от локального источника в атмосфере будут регистрироваться внутренние гравитационные волны (ВГВ) с периодами от десятков минут до 2-3 ч. Это связано с тем, что АГВ быстро затухают из-за вязкости и теплопроводности атмосферы. В то же время авторы (Huang et al., 1985; Xiao et al., 2007) сообщают о регистрации в F-области АГВ с периодами 10-20 мин на горизонтальных расстояниях до 2000 км от ТЦ.
Подводя итог обзору экспериментальных работ по регистрации ионосферных эффектов ТЦ, следует признать, что факты уверенной регистрации отклика ионосферы на ТЦ носят эпизодический характер. Единичные измерения, короткие временные ряды данных, приводимые в статьях, не дают полной уверенности в том, что обнаруженные эффекты вызваны именно воздействием ТЦ, и многие авторы делают вывод о необходимости дальнейших систематических исследованиях в указанной области.
В настоящей работе обсуждаются возможности спутниковой радионавигационной системы GPS для дистанционной диагностики ионосферы и представлены результаты исследований воздействия ТЦ на ионосферу Земли, полученные авторами по данным измерений вариаций полного электронного содержания на глобальной сети двухчастотных приемников GPS.
ВОЗМОЖНОСТИ GPS ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИОНОСФЕРНЫХ ЭФФЕКТОВ ТЦ
Спутниковая радионавигационная система GPS представляет собой уникальный инструмент для исследования ионосферы. В настоящее время ионосфера Земли просвечивается тысячами лучей "приемник—спутник GPS" с различным положением приемников. Наибольший объем данных измерений с временным разрешением от 1 до 30 с получается на наземных приемниках GPS и доступен в Интернет. В настоящее время в мире действуют глобальная (http://sopac.ucsd.edu) и ряд региональных (в Японии, Калифорнии, на Камчатке и др.) сетей двухчастотных наземных GPS-при-емников. Общее количество зарегистрированных наземных приемников превышает 3000.
Навигационные измерения в системе GPS производятся на одной f (одночастотный режим) или на двух f и f2 (двухчастотный режим) несущих частотах (f = 1575.42 МГц; f = 1227.60 МГц). Измеряемым параметром для определения расстояния между спутником и приемником (псевдодальности) является либо время распространения сигнала (кодовые измерения псевдодальности), либо набег фазы несущей радиоволны (фазовые измерения псевдодальности). Т
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.