ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2013, том 32, № 9, с. 64-76
^ ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ
УДК 550.510.535
ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ СВЕРХФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЫ В ПЕРИОДЫ СИЛЬНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ © 2013 г. Г. В. Голубков12*, М. И. Манжелий12, И. В. Карпов3
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва 2Центр химической физики атмосферы, Москва 3Западное отделение Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова
Российской академии наук, Калининград *E-mail: golubkov@chph.ras.ru Поступила в редакцию 15.11.2012
В периоды повышения солнечной активности и развития геомагнитных бурь на высотах E- и D-об-ластей ионосферы Земли формируется сверхфоновое некогерентное высокочастотное (UHF) излучение, длины волн которого соответствуют диапазону от дециметрового до миллиметрового. Это излучение обусловлено переходами между ридберговскими состояниями атомов и молекул атмосферных газов, которые возбуждаются электронами и находятся в окружении нейтральных частиц среды. Достоверная информация об интегральной интенсивности UHF-излучения в указанном диапазоне длин волн в настоящее время отсутствует. Ответ на этот вопрос целиком зависит от знания динамики ударного и радиационного тушения ридберговских состояний и кинетики их заселения в нижней ионосфере. Анализ существующих экспериментальных данных показал, что излучение формируется в атмосферном слое, расположенном на высотах 50—110 км.
Рассмотрено современное состояние теории и предложены пути ее дальнейшего развития, связанные с разработкой более строгих теоретических методов описания воздействия нейтральных частиц среды на динамику ударного и радиационного тушения, включая элементарные процессы с участием молекул азота и кислорода. Для количественных оценок влияния возбужденных частиц на некогерентное UHF-излучение атмосферы необходимо проведение предварительных расчетов поверхностей потенциальной энергии и динамики неадиабатических переходов между ридберговскими состояниями, построение электронных волновых функций, расчет дипольных моментов разрешенных переходов и определение формы линий излучения. Полученные результаты можно включить в общую кинетическую схему, устанавливающую зависимость UHF-излучения от плотности и температуры атмосферы. Сопровождающее его инфракрасное излучение может быть использовано для детектирования ридберговских состояний.
Ключевые слова: солнечная активность, сильное геомагнитное возмущение, глобальная спутниковая система позиционирования, ридберговские состояния атомов и молекул в нейтральной среде, высокочастотное излучение.
Б01: 10.7868/80207401X13090057
1. ВВЕДЕНИЕ
Сильные геомагнитные возмущения ионосферы Земли формируются в результате резкого повышения активности Солнца, сопровождающегося выбросом частиц и электромагнитным излучением. Одни из наиболее интересных и важных проявлений таких возмущений — сбои в работе глобальной спутниковой системы позиционирования (ОР8/ОЬОМЛ88), возникающие из-за значительного уменьшения отношения сигнал/шум и невозможность селекции сигнала спутника на фоне этого шума.
С учетом чрезвычайной важности обеспечения устойчивого функционирования спутниковых навигационных систем был выполнен ряд специальных исследований для выяснения физических причин возникающих технологических проблем. Независимые группы ученых дополнительно провели измерения параметров излучения атмосферы в диапазоне частот 1—5 ГГц. В исследованиях, проводившихся на базе Корнельского университета, был применен ОР8-приемник (частота дискретизации — 50 Гц) для одновременной регистрации спутникового сигнала [1].
В сентябре 2005 г. впервые были поведены прямые измерения радиоизлучения в условиях спокойного солнца в диапазоне частот 1.5—18 ГГц. При этом мощность шума в указанном диапазоне частот оказалась незначительной и составила всего 2.7 дБ (см. рис. 1). Видно, что мощность радиоизлучения слабо зависит от частоты и является практически равномерной в широком диапазоне ее изменения. Поэтому для моментов времени, относящихся соответственно к 17.5 и 18.5 UT (UT обозначает средне-американское время в часах и минутах), в рассматриваемом диапазоне частот должно наблюдаться постоянное значение отношения S/N.
Результаты наблюдений на рис. 2 демонстрируют справедливость этого предположения. На верхнем графике изображены зависимости отношения S/N, полученные со спутника PRN25 с интервалом в одни сутки. Кружками на графике обозначены результаты измерений, проведенных в течение 2 ч одновременно с измерением мощности падающего излучения, представленного на рис. 1. Видно, что времена формирования локальных минимумов отношения сигнал/шум, представленные на рис. 2, и максимумов мощности на рис. 1 строго совпадают. Зависимость, изображенная черным цветом, представляет результаты измерения, проведенного ровно через сутки с меньшей мощностью излучения для установления аппаратной погрешности. За исключением указанных локальных минимумов, из сравнения двух кривых — черной и обозначенной кружками — следует, что отношение сигнал/шум остается постоянным в течение всего периода наблюдений. Последнее указывает на стабильность работы измерительного комплекса. Величины зависящих от мощности локальных минимумов, как следует из данных рис. 2, не превышают 3 дБ, т.е. они практически не должны влиять на сбои работы GPS.
На нижнем графике рис. 2 представлены зависимости мощности радиоизлучения от времени. Черной линией обозначена зависимость полной мощности радиоизлучения, кружками и штриховой линией — сигналы, относящиеся к правой и левой круговой поляризации, соответственно. Выделение двух поляризаций проводилось с целью однозначного определения полной мощности. Мощность излучения приведена в единицах SFU (1 SFU — 10-22 Вт/м2 • Гц), применяющихся для определения плотности потока радиоизлучения от солнца, регистрируемого на Земле (индекс солнечной активности F10.7 — мощность излучения на длине волны 10.7 см, соответствующей частоте в 2.8 ГГц). Так как на рис. 1 наблюдается почти равномерное по мощности излучение в широком диапазоне частот, то эти измерения можно
18 16
£ 12
S10
° 8
о ° св
F 6 4
2
У 1.5
х104 2.5
2.0 Я
1.5 1.0 0.5 0
н
В
17.5
18 UT, ч
Рис. 1. Зависимость частоты и мощности падающего излучения от времени.
сопоставить с измерениями, проводимыми на частоте работы GPS.
В отличие от результатов, полученных в условиях спокойного Солнца (рис. 1, 2), последующие измерения были проведены для солнечной вспышки класса X3 в течение 2 ч на частоте L2 = = 1.22760 ГГц. Наблюдаемая для этого случая зависимость отношения сигнал/шум приведена на рис. 3, где дано сравнение с результатами, полученными в условиях спокойного Солнца. Черный график отвечает измерениям, проводимым во время спокойного солнца, кружки соответствуют солнечной вспышке класса X3. Наличие вспышки приводит к падению отношения S/N на 20 дБ, что может приводить к потере сигнала, регистрируемого приемником. Причем, как показано на рис. 4, наблюдаемый эффект не зависит от типа и полосы фильтров, использующихся в приемнике. Верхняя зависимость на рис. 4 (серая линия и кружки) — результат работы фильтра с полосой в 5 Гц. Нижняя, черная кривая соответствует фильтру с полосой в 15 Гц. В обоих случаях величина пульсации оказывается не менее 20 дБ. Это означает, что устранение сбоев сигнала GPS на основе схемных решений не представляется возможным.
Солнечная вспышка класса Х приводит, в зависимости от частоты сигнала, к последовательному уменьшению отношения сигнал/шум [2, 3]. Соответствующие зависимости последовательности спада отношений S/Nдля частот L1 и L2, приведенные в [2], представлены на рис. 5. Видно, что при вспышке класса Х1 (см. рис. 5а) происходит резкое уменьшение отношения S/N для частоты L1, в то время как для L2 оно остается практически неизменным. Для вспышки класса Х3 (см. рис. 5б) резкое уменьшение отношения сигнал/шум наблюдается одновременно для обеих частот. Такое поведение зависимостей отношения сигнал/шум принципиально не может быть объ-
2
40
Б
д
38
36
17
х104
17.5
18
18.5
19
я Г
2
н
В
t/5
17
17.5
18
18.5
UT, ч
19
Pис. 2. Зависимости отношения S/N и мощности падающего излучения от времени, полученные от GPS-спутника PRN 25 (Pseudo Random Noise 25) приемником на частоте Ly = 1.57542 ГГц.
S/N, дБ ■ Гц
45
40
35 -
30 -
25
18
18.5
19
19.5
UT, ч
20
P^. 3. Зависимости отношения S/N, полученные 06.12.06 приемником на частоте Lj = 1.2276 ГГц для активного (класса X3) и спокойного Солнца. Кружки — усредненные по времени данные измерений для солнечной активности класса X3, сплошная черная кривая — для спокойного Солнца.
1
0
50 40 30 20 10
S/N, дБ ■ Гц
10
15
20 25
Время, с
Pис. 4. Зависимость отношения Б/Ы для двух типов фильтров. Кружки — результаты работы адаптивного фильтра Кал-мана (КБРЬЬ), черная линия — полосового фильтра (СВРЬЬ).
54 52 50 48 46 44
42 22
44 г
43 -42 41 40 -
S/N, дБ ■ Гц
22.5
23
23.5
24
39
54 53 52 51 50 49 48
45
35
22
22.5
23
23.5
24
40 -
2.8 3.0 UT, ч
Рис. 5. Зависимости отношения Б/Ы, полученные а — при солнечной вспышке класса XI от 14.12.2006 в 22:15 ЦТ со спутника PRN 30, б — при солнечной вспышке класса Х3 от 13.12.2006 в 02:40 ЦТ со спутника РКЫ 22.
яснено воздействием широкополосного радиоиз- повышения солнечной активности. В работах
лучения Солнца. Афраймовича с соавт. [4] представлены результа-
Следующее явление, заслуживающее особого ты наблюдений интенсивности сигнала спутни-
внимания, связано с увеличением мощности сиг- ков GPS и числа сбоев работы системы в период
нала, принимаемого приемником GPS в период геомагнитной бури 15—16.07.2000 г.
0
5
400 300 200 100 0
S, отн. ед.
D
19
20
UT, ч
16 12 8 4
0
21
Рис. 6. Зависимость интенсивности S сигналов GPS и числа отказов D на приемнике во время геомагнитного возмущения 15 июля 2000 года от времени t. Станция GPS была расположена в Северной Америке с географическими координатами 45.96° с.ш. и 281.93° в.д. и принимала сигнал со спутника PRN 09.
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.