ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 5, с. 639-645
УДК 550.388.2
РЕГИОНАЛЬНАЯ КОРРЕКЦИЯ МОДЕЛИ IRI ПО ДАННЫМ РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ С ПИЛОТИРУЕМОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ "МИР"
© 2007 г. Н. П. Данилкин, Н. Г. Котонаева, М. Р. Азизбаев
Институт прикладной геофизики им. Е.К. Федорова Росгидромета, Москва
e-mail: danilkin@fiag.ru Поступила в редакцию 10.01.2007 г. После доработки 02.05.2007 г.
Рассмотрена региональная коррекция ионосферной модели IRI по данным спутникового радиозондирования с пилотируемой космической станции (ПКС) "Мир". Используется интерполяционный метод кригинга применительно к данным наземного и спутникового радиозондирований. На основании полученных экспериментальных данных построены карты критических частот скорректированной модели IRI. Проведена численная оценка точности метода, а также оценка тесноты связи между реальными и скорректированными значениями, показавшие обоснованность полученных результатов.
PACS: 94.20.cf; 94.20Lk
1. ВВЕДЕНИЕ
Практическое использование результатов мониторинга ионосферы целесообразно проводить на основе адаптации ионосферных моделей с помощью имеющихся в распоряжении исследователя данных, полученных с наземных и спутниковых ионозондов. Результатом такой адаптации может быть создание карт, например, критической частоты слоя V2 (/оР2), которые удобно использовать как для геофизических исследований, так и для практических расчетов условий распространения радиоволн.
Сравнение данных модели с результатами непосредственных измерений, например - /0V2, а также высоты расположения максимума ионосферы (ЛтахР), проведенное уже по результатам первого спутникового зондирования ионосферы [Бенькова и др., 1990] показало, что выбранные для сравнения модели (1Ш-86 и СМИ-85 - последняя, которая была принята в качестве всесоюзного стандарта) "нуждаются в доработке". Такая "доработка" проводилась последние 20 лет, в результате чего модели сильно изменились в лучшую сторону. Тем не менее сегодняшнее сравнение показывает отличие модельных значений от реальных на величину от 10-20 до 50-70% в зависимости от места и времени получения экспериментальных значений [Азизбаев, 2005; Бараба-шов и Мальцева, 2003]. Отмечалось, что наилучшее согласие между модельными и реальными значениями получается в тех местах и в те периоды времени, где давно и надежно работают наземные ионосферные станции, а также, когда наблюдается спокойное состояние ионосферы. Напротив, над
океанами, в арктических и антарктических широтах, т.е. на большей части земного шара, в периоды резких изменений ионосферы, например, на восходе Солнца или во время ионосферных катаклизмов, наблюдаются значительные отличия реальных величин от модельных значений. С учетом данных обстоятельств сравнение модельных и реальных значений /оГ2 по спутниковым измерениям в указанных районах и временных интервалах имеет особое значение.
К настоящему времени в нашей стране было проведено три спутниковых эксперимента по вертикальному радиозондированию ионосферы - "Ин-теркосмос-19" ("ИК-19"), "Космос-1809" ("К-1809"), и ионосферный эксперимент на пилотируемой космической станции (ПКС) "Мир". Первые два эксперимента были подробно обсуждены, в том числе и с точки зрения практического использования данных [Бенькова и Козлов, 1988; Кочено-ва, 1988]. При этом широко практиковалось объединение данных наземного вертикального радиозондирования с одной [Васильев и др., 1985] или несколькими [Бенькова и др., 1985] станциями и спутниковых данных.
Особенностью ионосферного эксперимента на ПКС "Мир" была высота расположения самой станции. Если во время первых двух экспериментов проводилось радиозондирование с высот около 1000 км (в последний период существования ИСЗ "ИК-19" его перигей уменьшился до высот 500-600 км), то орбита ПКС "Мир" располагалась на высотах 340-390 км. Это означает, что станция постоянно находилась вблизи высоты максимума электронной концентрации (иногда
h, км
350 300
250 -
200 150 100
0
2f, МГц
5
0
5
10foF2 15
Рис. 1. Высотные профили плазменной частоты, построенные по данным радиозондирования с ПКС "Мир" (жирные линии) и по совместным данным со ст. Chung-Li (штриховая линия).
несколько выше или ниже него), или даже в самом максимуме. Если учесть, что основная ошибка в измерениях ктахЕ с высот в 1000 км происходит вследствие накопления ошибок при вычислении М(Л)-профилей ионосферы от места расположения ИСЗ до высоты максимума (т.е. на дальности около 700 км), а точность определения высоты обитаемой станции существенно превышает точность определения высоты автоматических ИСЗ, то вывод ^атШп, 2001] о том, что точность измерения ктахр на ПКС существенно выше, а точность измерения/оЮ., по крайней мере, не хуже, представляется убедительным. В этом случае адаптация модели по данным ПКС "Мир" имеет особое значение.
Настоящая работа и посвящена сравнению экспериментально определенных /оГ2 и ктахр по данным ионосферных измерений на ПКС "Мир" с моделью 1Ш, а также анализу условий и возможностей адаптации модели 1Ш по данным ПКС для практического использования в системе ионосферного мониторинга.
2. ОДНОЗНАЧНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ИОНОСФЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ В МАКСИМУМЕ ОБЛАСТИ ^ ПРИ НАЗЕМНОМ И СПУТНИКОВОМ РАДИОЗОНДИРОВАНИИ
При оценке точности определения основных ионосферных параметров главное внимание уделялось двум вопросам: восстановлению профиля электронной концентрации и определению критической частоты слоя ¥2 по данным наземного и спутникового радиозондирований, а также воз-
можности сопоставления этих двух методов в одном численном исследовании. Точность определения указанных параметров и возможности их сопоставления изучались различными авторами. В настоящее время большинство исследователей убеждено в совпадении данных при зондировании сверху (с высот около 1000 км) и снизу (с Земли) и в их достаточной точности. Это тем более должно относиться к зондированию с ПКС "Мир", где точность определения основных параметров ионосферы выше [Danilkin, 2001].
Особенности полета ПКС "Мир" вблизи максимума слоя F2, отмеченные выше, требуют повышенного внимания к результатам обработки экспериментальных данных. Для иллюстрации особенностей вариации foF2 на картах изолиний приведен рис. 1. На данном рисунке приведены соответствующие профили плазменной частоты по данным пяти последовательно снятых на ПКС "Мир" ионограмм [Данилкин и Котонаева, 2002]. На рис. 1 сдвиги осей плазменных частот пропорциональны времени между соответствующими экспериментами. Для первых двух ионограмм интервал времени составил приблизительно одну минуту, для ионограмм 2 и 3 - менее четырех минут, а для ионограмм 4 и 5 - около 3.5 минут.
Данный рисунок показывает динамику изменения foF2, а также то, что на участке орбиты протяженностью 3.5 тысяч км высота максимума слоя F2 изменяется примерно от 300 до 400 км. Рис. 1 хорошо иллюстрирует условность проведения изолиний foF2 на мировых картах. Будучи проведенными для одной высоты hmaxF, они в действительности относятся к различным высотам.
Несмотря на то, что вопрос о возможности сопоставления данных о высоте максимума электронной концентрации при зондировании сверху или снизу уже был описан во многих работах, в том числе [Бенькова и др., 1985], мы дополнительно рассмотрели его для специфического случая зондирования с ПКС "Мир". Для построения рис. 1 были использованы сеансы, когда ПКС "Мир" пролетала над наземным ионозондом ст. Chung-Li (Тайвань), на расстоянии от 250 до 300 км. В это время отсутствовали резкие изменения в ионосфере. Для сравнения на рис. 1 приводится профиль, восстановленный по данным ионограммы наземного зондировании - он изображен штриховой линией. Выше максимума концентрации этот профиль построен по данным ионограммы, принятой с ПКС "Мир" на той же наземной станции по данным аналоговой телеметрии. Результаты расчетов высоты максимума совпадают. Профиль нижней ионосферы на кривой 4 рис. 1 построен по данным ПКС "Мир", когда станция ушла "за горизонт" для наземной ионосферной станции. Поэтому этот профиль построен по методике расчета Лг(й)-профи-лей для трансионосферного радиозондирования.
Использованные наземная и ионограмма с ИКС "Мир", снятые в один момент времени, приведены на рис. 2, где "а" - ионограмма наземного зондирования, "б" - ионограмма с ИКС "Мир" и "в" - соответствующий А(й)-профиль, численные значения которого, пересчитанные в плазменные частоты и приведены на рис. 1.
В работе [Данилкин и Котонаева, 2002] производились сравнения/оГ2 и по данным наземных станций и спутникового радиозондирования в разное время суток при различных условиях в ионосфере и различной удаленности спутника от максимума слоя ^2. Чтобы максимально исключить ошибки, были выбраны случаи, когда спутник находился строго в максимуме слоя V2. Сравнение показало полное совпадение /оЮ. и для дневных ионограмм (т.е. для случаев, когда в ионосфере присутствует слой Е и уверенно указывается высота его основания). Для ночных ионограмм полное совпадение относится только к критической частоте слоя VI. Высота максимума слоя И по данным радиозондирования с ИКС "Мир" определяется существенно точнее, чем по данным наземного радиозондирования.
Таким образом, можно утверждать, что значения критической частоты, полученной при помощи спутникового и наземного радиозондирований, тождественны и для дневных и для ночных условий. Это позволяет проводить численные исследования, сопоставляя данные наземного и спутникового радиозондирований одновременно, а также корректировать ионосферную модель 1Ш1, в частности, строить карты критической частоты ионосферы с учетом данных обоих типов.
3. МЕТОД АДАПТАЦИИ МОДЕЛИ IRI
Для коррекции модели IRI использовался метод кригинга [Samardjiev and Bradley, 1993], представляющий собой интерполяционный метод, в котором значение в расчетной точке получается путем взвешенного усреднения по начальным (заданным) значениям. Этот метод построен и применяется, в основном, для определения величин максимально применимых частот (МПЧ) в средней точке радиотрасс по измерениям критических частот
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.