УДК 535-11;550.385:551.5
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ИОНОСФЕРЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН
© 2014 г. С. И. Козлов, А. Н. Ляхов, С. З. Беккер
Институт динамики геосфер РАН, г. Москва e-mail: s_kozlov@inbox.ru Поступила в редакцию 29.04.2014 г.
Обоснована необходимость разработки вероятностно-статистических моделей ионосферы для расчета распространения радиоволн широкого диапазона частот, относящихся, по сути, к новому типу ионосферного моделирования. Рассмотрены основные принципы построения таких моделей, которые разделяются на чисто статистические и детерминированно-вероятностные. Приведены примеры разработки моделей и отмечены некоторые трудности при их создании.
DOI: 10.7868/S0016794014060121
1. ВВЕДЕНИЕ
В последние несколько десятилетий на основании многочисленных экспериментальных и теоретических исследований окончательно пришло понимание того, что ионосфера влияет на распространение радиоволн практически всех диапазонов частот и длин волн — СДВ, ДВ, СВ, КВ, ВЧ, СВЧ, используемых в гражданских и военных радиотехнических системах (см., например, [Зецер и др., 2012]). Поэтому проблема создания моделей ионосферы различной сложности для прогноза распространения радиоволн в различных гелиогеофизических условиях и интерпретации экспериментальных данных является весьма актуальной и стоит достаточно остро.
Все модели можно разбить в общем случае на исследовательские и прикладные. Первые из них являются в основном теоретическими и весьма сложными, включают большое количество физико-химических и динамических процессов, охватывают широкий диапазон высот Н (от 90—100 км и вплоть до магнитосферы). На таких моделях либо уточняют существующие представления о среде, либо выявляют какие-то новые механизмы, влияющие на ионосферу, в рамках солнечно-земных связей ("сверху вниз") или литосферно-ат-мосферно-ионосферных взаимодействий ("снизу вверх").
Назначение прикладных моделей очевидно — расчет и прогноз распространения радиоволн широкого диапазона частот. Эти модели обычно классифицируются по трем признакам:
по методам построения — теоретические, эмпирические, полуэмпирические;
по физической сущности — детерминированные, динамические, статистические;
по форме представления — табличные, графические, аналитические.
Как правило, прикладные модели привязываются к диапазону частот / радиоволн, так как радиофизические эффекты сильно зависят от частоты, определяя требования к ионосферной модели. Так, для СДВ—ДВ диапазона (3—300 кГц) главную роль играет правильность описания Б и Е-слоев ионосферы (Н < 120 км), и, следовательно, создание моделей для больших высот не обязательно. Наоборот, для КВ диапазона (1—50 МГц) необходима полная модель ионосферы (вплоть до высот ~600—700 км). В диапазоне ГГц необходима модель ионосферы и плазмосферы до Н ~ 30000 км.
Все модели, независимо от методов их построения, физической сущности, формы представления и диапазона высот, должны определять высотные распределения концентраций электронов Мв(Н) и эффективной частоты соударений Vей-(Н) электронов с нейтральными и ионизированными компонентами. Последние преобладают на высотах более 200 км. Так как выше Н > 140—150 км на Мв(Н) большое влияние начинают оказывать ам-биполярная диффузия и ионосферные ветры, то модели должны, так или иначе, включать магнитное поле Земли и состав нейтральной атмосферы (термосферы). Для решения ряда радиофизических задач необходимы не только высотные, но и широтные и долготные градиенты ионосферных параметров.
Поскольку, в общем случае, ионосферу по доминирующим физическим процессам можно условно разбить на полярную (широты ф выше 65-70°), среднеширотную (30° < ф < 65-70°) и экваториальную (ф < 30°), прикладные модели могут строиться непосредственно для этих областей.
4
767
Существуют понятия спокойной и возмущенной ионосферы. Первая отличается стандартной динамикой в течение 11-летнего цикла солнечной активности, отсутствием солнечных вспышек в УФ и рентгеновском диапазонах спектра, индекс магнитной активности Кр находится в пределах 0—3. Понятно, что по охватываемой площади, частоте возникновения, амплитудам и продолжительности наибольшие возмущения возникают в полярной ионосфере. Поэтому разработка моделей этой части ионосферы представляется весьма сложной. Более того, сравнительно давно обсуждается вообще применимость понятия спокойной ионосферы к полярной области.
К настоящему времени во всем мире накоплен большой объем экспериментальной информации о поведении различных параметров ионосферы, полученных разными методами в широком диапазоне высот и геомагнитных широт. Благодаря этим данным наибольшее распространение получили эмпирические (в меньшей степени полуэмпирические) детерминированные ионосферные модели для средних и, отчасти, экваториальных широт [Rawer et al., 1978; Jacchia, 1977; Hedin, 1983; ГОСТ Р-25645.15-94, 1994; Кринберг и др., 1986]. Оценка поведения ионосферы в условиях возмущений разной природы, производится, как правило, на теоретических моделях, с последующим сопоставлением результатов расчетов с экспериментальными геофизическими и радиофизическими данными (последнее предпочтительнее, хотя и не всегда осуществимо).
Особо обратим внимание на два следующих очень важных обстоятельства. Во-первых, не вызывает сомнения, что ионосфера представляет собой нерегулярную, непрерывно изменяющуюся среду. Во-вторых, уже относительно давно [Козлов и др., 1978] к моделям ионосферы предъявляются требования, которые принципиально отличаются от стандартных — модельные расчеты с той или иной точностью должны согласовываться с экспериментом. Это требование вытекает из простого факта: во многих прикладных задачах по распространению радиоволн необходимо, в первую очередь в различных гелиогеофизиче-ских условиях, на выходе оценивать (прогнозировать) разные вероятностные характеристики типа вероятности обнаружения, наведения, позиционирования объекта, вероятности доведения информации на радиотрассах земля—земля, земля-космос и др. Очевидно, что вышеуказанные вероятности зависят, помимо других факторов, от состояния среды распространения радиоволн.
Таким образом, как с геофизической, так и с прикладной точек зрения целесообразно описывать ионосферу статистическими (вероятностными) моделями. Главная цель настоящей статьи — обосновать основные принципы построения та-
ких моделей, относящихся, по сути, к новому типу, и на некоторых конкретных примерах показать их возможности при расчетах распространения радиоволн.
Обсуждаемые здесь модели можно разбить на чисто статистические, создаваемые на основании статистического анализа экспериментальных геофизических данных, и детерминированно-вероят-ностные, в основу которых положены теоретические исследования, а варьируются только неизвестные параметры, входящие в разные уравнения. В конечном счете, в дальнейшем можно было бы попытаться разработать глобальную модель, рассматривая ионосферу в качестве открытой термодинамической системы, базируясь на полученных результатах, законах статистической физики [Пригожин, 2005] и идеях И. Пригожина [Ни-колис и Пригожин, 2008]. Заметим, что создание статистических моделей не является самоцелью. Для достижения необходимых результатов, имеющих прежде всего прикладной характер, они обязательно должны совмещаться (состыковываться) с радиофизическими моделями, которые здесь не рассматриваются, а в приводимых ниже примерах использованы стандартные, хорошо известные радиофизические методы расчета [Аль-перт и др., 1953; Fergusson, 1992; Levy, 2000].
2. СТАТИСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
Как отмечается выше, основу этих моделей составляет статистическая обработка наблюдаемых данных по различным ионосферным параметрам с учетом солнечной и геомагнитной активности. В результате получаются оценки математического ожидания М, среднеквадратичного отклонения а, функциональные зависимости для плотностей вероятности распределения ионосферных параметров.
2.1. Модель ионосферы для расчета распространения КВ
Первая и, по-видимому, единственная попытка разработки статистической модели невозмущенной среднеширотной ионосферы для диапазона высот ~60—450 км для решения задач загори-зонтной КВ радиолокации была предпринята более 30-ти лет назад в работе [Козлов и др., 1978], и поэтому целесообразно напомнить основные принципы ее построения. Исходными данными для модели были: характеристики РЛС (излучаемая мощность, азимут излучения, рабочая частота, зависящая от состояния ионосферы в вершине первого скачка); активность Солнца (индекс /10.7); магнитная активность (индекс Кр = 0—3); время, дата и год; географические координаты передающей и приемной позиции; общая протяженность трассы R и шаг AR расчета по
Исходные данные: параметры и координаты РЛС; /10.7; Кр; время, дата, год; Я и ЯА
Расчет географических координат по R
ДСЧ — F10.7 Кр « 0-3 -- ДСЧ
Модель нейтральной атмосферы (Яккиа-73)
С
Рис. 1. Логическая блок-схема статистической невозмущенной среднеширотной ионосферы для расчета распространения КВ на протяженных трассах.
дальности, в соответствии с которым рассчитывались высотные профили Ne(h), veff (h) и их градиенты. Логическая блок-схема модели (рис. 1) состоит из блоков расчета географических координат по трассе; температуры и плотности нейтральной атмосферы в зависимости от высоты по широко используемой в 70-е годы прошлого столетия модели Яккиа-73; выбора конкретных значений /10.7 и Кр; электронной плотности Ne(h) (используется феноменологическая аналитическая модель [Ching and Chiu, 1973]), усовершенствованная в работе [Козлов и др., 1978] и совмещенная с моделью ^-области [Орлов и Сазеева, 1974]; температуры электронов, выражаемой на h > 230 км через Ne(h); определения вероятности появления слоя Es с какой-то предельной частотой (оценивается по экспериментальным данным в зависимости от времени суток, широты, сезона, солнечной и геомагнитной активности); расчета v eff (h) по известным уравнениям; градиентов Ne(h) и veff(h) на каждой высоте.
Суть статистического
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.