Сектор распространения радиоволн в волноводном канале Земля-ионосфера.

 (зав. сектором - Орлов Александр  Борисович)

 

 

 

 

1. Краткая историческая справка. 

    Сектор является приемником лаборатории созданной чл. корр. РАЕН, профессором, зав. кафедрой радиофизики физического факультета СПбГУ Глебом Ивановичем Макаровым в период 1960 - 1964 гг. в связи с необходимостью выполнения экспериментальных исследований особенностей распространения сверхдлинных радиоволн (СДВ) в различных геофизических условиях. В прикладном отношении эти исследования были направлены:

 - на развитие систем дальней радионавигации и связи (распространение узкополосных, квазигармонических сигналов на частотах от 10 до 40 кГц);

 - на исследование физических основ функционирования систем обнаружения и местоопределения координат ядерных взрывов по сопровождающему их импульсному электромагнитному излучению (в полосе частот от сотен герц до 100 кГц).

В последующие годы, в 1970 - 1980 гг., спектр исследований существенно расширился и дополнился:

 - теоретическими исследованиями распространения СДВ в различных геофизических условиях,

 - работами по созданию программно-математической базы для расчета СДВ-полей различной природы,

 - исследованиями, направленными на разработку моделей нижней ионосферы по экспериментальным данным о распространении СДВ,

 - работами по развитию методов обнаружения и местоопределения грозовых разрядов и грозовых очагов.

    К 2000 г.  два последние направления стали доминирующими. Руководит работой лаборатории с момента ее организации по настоящее время  зав Орлов А. Б.

  

2. Структура сектора (по состоянию на 2006 г.) :

 

Орлов Александр  Борисович, канд. физ.-мат. наук, ст. н. с.

     рабелефон 428-43-57, e-mail    наберите здесь текст письма

 

Научная работа в лаборатории выполняется в тесном контакте с рядом сотрудников других подразделений СПбГУ: 

Бисяриным М.А., канд. физ.-мат. наук, ст.н.с.

Борисовым В.В., докт. физ.-мат. наук, вед. научным сотр. кафедры квантовой электроники физического ф-та,

Галюком Ю.П., нач. отдела высокопроизводительных вычислений Петродворцового   телекоммуникацинного центра СПбГУ

Кирилловым В.В., канд. физ.-мат. наук, ст.н.с. НИИРФ

Лутченко Л.Н., канд. физ.-мат. наук,   доцентом кафедры радиофизики физического ф-та.

 

3. Краткая характеристика выполнявшихся и выполняемых исследований

 

A.  Работы по моделированию высотного распределения электронной концентрации нижней ионосферы проводились, начиная с 1970 г.  и включали следующие направления:

1) Анализ литературных данных о распространении СДВ в спокойных условиях и построение глобальной модели нижней ионосферы для этих условий. Эти работы завершились в 1995 г. разработкой государственного стандарта:

"Ионосфера Земли нижняя. Модель глобального распределения концентрации и эффективной частоты соударений электронов для прогнозирования низкочастотных радиополей", ГОСТ  Р  25.645.157094,

характеризующего все основные регулярные изменения в нижней ионосфере (45 - 105 км), связанные с временем суток, датой года, годом (уровнем солнечной активности), а также широтой и долготой точки на земной поверхности.  Модель построена по данным о распространении СДВ. При этом в качестве последних использованы преимущественно надежные результаты статистической обработки длинных рядов наблюдений СДВ-полей. Работы в  данном направлении проводятся и в настоящее время.

2) Анализ литературных данных о проявлении в СДВ-полях возмущений нижней ионосферы, имеющих планетарный характер: внезапных ионосферных возмущений (SID), вызываемых всплесками солнечного рентгеновского излучения при солнечных вспышках (длины волн 1-10 Å), возмущений типа ППШ (PCA), обуславливаемых высыпаниями протонов с энергиями 1-100 МэВ в областях полярных шапок после солнечных протонных

событий и послебуревых эффектов (PSE), возникающих в результате высыпаний энергичных электронов с энергиями 0,04-1 МэВ в субавроральных и средних широтах в послебуревые периоды. В зависимости от гелио-  и геофизических условий относительная суммарная продолжительность возмущений достигает 30%, а изменение профиля электронной концентрации N(h) в терминах эффективной высоты ионосферы - 20 км.

   Особенностью развиваемого в работах подхода является построение модели профилей электронной концентрации возмущенной околополуденой и ночной ионосферы Nв(h) для указанных трех типов возмущений на основе такой методики, которая бы с некоторых единых позиций позволяла моделировать (прогнозировать) профили электронной концентрации по первичным характеристикам возмущающих потоков. В силу недостаточной разрешающей способности метода, базирующегося на использовании СДВ-данных и некорректности обратной задачи распространения СДВ, разработка ионосферной модели возможна только в рамках некоторого малопараметрического функционального описания высотного профиля Nв(h). Последнее, например, для дневных условий может быть основано на простейшей записи уравнения баланса ионизации. В предположении, что коэффициент эффективных потерь ψ имеет одно и то же значение в спокойных и в возмущенных условиях, а также не зависят от степени возмущенности ионосферы из уравнения баланса следует выражение:

Nв(h) = [No2(h) + Δq(h) / ψ(h)]0.5,

где No(h) - профиль электронной концентрации для спокойных условий, а Δq - приращение скорости образования электронов в возмущенных условиях qв относительно ее значения для спокойных условий qо, Δq = qв - qo. Для расчета величины Δq по первичным характеристикам возмущающих потоков используются опубликованные в литературе методы. Общий функциональный вид малопараметрического описания зависимости ψ от высоты и широты (с использованием от 5 до 10 свободных параметров) был выбран также на основании известных литературных данных - главным образом, на анализе величины ψ, рассчитанной с использованием теоретической многокомпонентной модели ионной химии нижней ионосферы Г.А. Петровой  (ПГИ КНЦ РАН, 1990 г). Таким образом, основным объектом анализа становится эффективный коэффициент потерь. Параметры, входящие в эмпирическую модель ψ подлежат определению по данным о вариациях СДВ-полей при ионосферных возмущениях.    На  последующих этапах работы удалось отказаться от условия независимости коэффициента ψ от уровня возмущенности.

   Подход к построению модели для ночных условий такой же, как и для дневных. Однако выражение для Nв имеет несколько более сложный вид.

3) Дальнейшие исследования по уточнению высотного хода ψ  и по определению широтной и сезонной зависимостей основываются на анализе обширных выборок  внезапных фазовых аномалий (ВФА, всего более 2000 событий), полученных на протяженных трассах распространения. Благодаря специальным методам первичной обработки получены высокоточные статистические оценки типовых зависимостей значений ВФА от интенсивности вспышечного рентгеновского излучения и зенитного угла Солнца. Поставлена и решена задача определения параметра ψ как для спокойных условий, так и для условий SID в летние и зимние месяцы.

4) Последующие исследования направлены на получение детальных помесячных вариаций величины ψ и на оптимизацию модели ψ не только по данным о ВФА, но также и по данным о влиянии на СДВ-поля возмущений PCA и PSE.

5)  Проводятся также работы по уточнению модели нижней ионосферы для спокойных условий. С этой целью расширяются выборки исходных СДВ-данных, а также  совершенствуются численные методы решения обратных задач с применением современных программно-вычислительных средств. Рассматривается возможность решения комплексной задачи построения модели дневной нижней ионосферы при произвольной возмущенности (включающей спокойные условия) по расширенной объединенной выборке данных о распространении  СДВ в спокойных условиях и данным об эффектах  возмущений СДВ.

 

 

Б.      Другое направление работ, проводимых в лаборатории 05 научно-исследовательской группой, возглавляемой доц. Кононовым И.И., связано с экспериментально-теоретическими исследованиями импульсного электромагнитного излучения (ЭМИ) молниевых вспышек (МВ) в различных частотных диапазонах как в источнике излучения, так и при его распространении в различных средах. При этом особое внимание акцентировано на  исследованиях ЭМИ сильноточных компонент МВ (обратных ударов облако-земля,  внутри- и межоблачных стримеров)  в СНЧ-ОНЧ диапазонах (от единиц герц до 100 кГц) как в источнике излучения, так и  при его трансформации в процессе распространения в волноводном канале Земля-ионосфера. Знание этих особенностей  позволило успешно решить ряд научно-технических задач  разработки инструментальных радиотехнических средств наблюдения за грозами, их трассирования, определения текущего состояния грозовых очагов и краткосрочного прогноза их будущего развития, что весьма важно и актуально для решения прикладных задач, связанных с необходимостью оперативной оценки уровня грозовой опасности и принятием необходимых мер по обеспечению безопасности (на аэродромах и ракетных полигонах, для лесных массивов в засушливые периоды и др.).

   Экспериментальные работы проводились в различных регионах России (Сев. Кавказ, Крым, Ленинградская  область) с развертыванием силами группы временных (на период летнего грозового сезона) разностно-дальномерных и пеленгационных систем местоопределения.  С 1995 г. по 2004 г.  на договорной основе с французской фирмой DIMENSION в различных регионах Франции (в окрестностях Парижа и Марселя) проводились   работы,   направленные на исследование особенностей ЭМИ гроз в зависимости от физико-географических и синоптических условий, уточнение параметров используемых моделей ЭМИ сильноточных молниевых разрядов и параметров трассы  распространения, разработку методов, устройств и систем пассивной локации грозовых очагов. Эти работы были направлены преимущественно на однопунктовые системы (как наиболее дешевые в изготовлении и эксплуатации). С 2004 г. аналогичные работы были продолжены с финской фирмой VAISALA с применительно задачам разработки большебазовых систем местоопредления гроз.

В качестве основных результатов проведенных работ следует отметить:

·        Разработку схем и изготовление  действующих макетов многокомпонентных цифровых регистраторов форм импульсных сигналов атмосфериков, обеспечивающих их непрерывную регистрацию, аккумуляцию и хранение  в широком интервале  расстояний (от единиц до нескольких тысяч километров) и частотном диапазоне от 300 Гц  до 100 кГц.

·        Разработку новых алгоритмов и методов однопунктовой дальнометрии и пеленгации с улучшенными вероятностными и точностными характеристиками по сравнению с разработанными ранее грозопеленгаторами-дальномерами (ГПД) ближней зоны реализованными в виде серийных устройств «Очаг»,  «Очаг-2П», «Оранж».

·        Исследование особенностей ЭМИ молниевых вспышек и  статистических оценок их параметров ( интенсивности, длительности, протяженности, многокомпонентности) и для выделенных сильноточных компонент.

·        Разработку модели ЭМИ сильноточных молниевых разрядов в ближней зоне с учетом их сложной пространственной геометрии и нестационарного характера возбуждаемых токов, позволяющей рассчитывать излучение различных типов разрядов (как между облаком и землей, так и внутриоблачных).

·        Разработку универсального оперативного алгоритма кластеризации грозовых очагов в различном пространственно-временном масштабе, отображаемых треками центров кластеров. Это позволило установить специфические особенности грозовой активности в зависимости от пространственно-временной структуры, синоптических условий; получить статистические оценки изменчивости параметров ЭМИ молниевых вспышек (их интенсивности, длительности, протяженности, многокомпонентности) в зависимости от типа и фазы развития грозы, что может быть использовано как для оценки текущего состояния грозового процесса, так и для кратковременного прогноза его будущего развития.

·        Разработку программ для расчетов атмосфериков молниевых разрядов в широком интервале  расстояний (от единиц км  до нескольких тысяч км) в рамках дипольной модели излучателя (как вертикального, так и горизонтального) и сферической модели волноводного канала Земля-ионосфера, позволивших  исследовать особенности трансформации атмосфериков в различных условиях распространения, оценить  точностные характеристики различных вариантов систем местоопределения гроз в широком интервале расстояний (от единиц до нескольких тысяч километров) и дать рекомендации по их совершенствованию и модернизации.

·        Расчеты компонент поля и приведенных импедансов в КНЧ-СНЧ диапазонах  в рамках плоско-слоистых моделей трассы распространения, позволившие оценить возможность их использования для решения некоторых геофизических задач, а также разработку действующего макета аналого-цифрового КНЧ-СНЧ регистратора квазимонохроматических сигналов в рассматриваемом диапазоне частот.

 

4. Основные научные публикации, характеризующие указанные выше направления

исследований и полученные результаты.

 

1. Орлов А.Б., Азарнин Г.В. Основные закономерности распространения сигналов СДВ-диапазона в волноводном канале Земля-ионосфера (Обзор экспериментальных работ). // Проблемы дифракции и распранения  волн.   Вып. X.  Л., 1970. С. 3 - 107.

2. Кириллов В.В., Пронин А.Е. Об отражении очень длинных волн от неоднородной среды.  // Проблемы дифракции и распранения волн. Вып. XIII. Л., 1974. С. 110 - 120.

3. Орлов А.Б., Уваров А.Н.  О возможности послойного определения электронной концентрации в дневной нижней ионосфере по экспериментальным данным о СДВ-полях. // Проблемы дифракции и  распространения  волн. Вып. 14.  Л., 1975. С. 96 - 109.

4. Азарнин Г.В., Орлов А.Б.  Построение профилей электронной концентрации дневной ионосферы для прогнозирования распространения СДВ и анализ регулярных вариаций СДВ-поля, связанных с зенитным углом Солнца, сезоном и солнечной активностью. // Проблемы дифракции и распространения  волн. Вып. XVI. Л., 1978. с. 119 - 148.

5. Галюк Ю.П., Иванов В.И. Определение характеристик распространения СДВ-полей в волноводном канале Земля - неоднородная по высоте анизотропная ионосфера. // Проблемы дифракции и распространения  волн. Вып. XVI. Л., 1978. с. 148 - 153

6. Галюк Ю.П., Кириллов В.В., Копейкин В.Н., Муштак В.К. // О связи СНЧ-шума с мировой грозовой активностью. // Проблемы дифракции и распространения волн. Вып. 19.  Л., 1983. с. 205 - 216

7. Орлов А.Б., Иванов В.И. Эффект Брюстера и вырождение собственных чисел нормальных волн в диапазоне СДВ ночью в окрестности геомагнитного экватора. // Проблемы дифракции и распространения  волн. Вып.  20.  Л., 1986. с. 23 - 39

8. Азарнин Г.В., Колсанов В.А., Орлов А.Б.  О возможной структуре глобальной модели нижней ионосферы для прогнозирования СДВ. // Проблемы дифракции и распространения волн. Вып.  21.  Л., 1987. С. 112-130.

9. Орлов А.Б., Азарнин Г.В., Пронин А.Е., Уваров  А.Н.  Ионосфера Земли нижняя. Модель глобального распределения концентрации и  эффективной частоты соударений электронов для  прогнозирования  низкочастотных радиополей. ГОСТ  Р  25.645.157094.  М.:  Изд-во  стандартов. 1995. 380 с.

10. Азарнин Г.В., Орлов А.Б., Пронин А.Е., Соколов С.Н., Уваров А.Н., Штенников Ю.В.// Прогнозирование СДВ-полей при солнечно-протонных событиях, внезапных ионосферных возмущениях и в  порслебуревые  периоды.//В  сб. Проблемы дифракции и распространения волн. Вып. 27. 1997. С.77-90.

11. Орлов А.Б., Пронин А.Е., Уваров А.Н. Широтная зависимость эффективного коэффициента потерь для дневной нижней ионосферы по данным о фазовых вариациях СДВ-полей  и о риометрическом поглощении во время ВИВ // Геомагнетизм и аэрономия. 1998. Т.38, N 3, c.102-110.

12. Orlov A.B., Pronin A.E., Uvarov A.N. : Determination of heliocyclic and seasonal variations of electron density of ionosphere at heights lower than 60 km by the VLF propagation data // Problems of Geospace 2. Ed.by V.S.Semenov, H.K.Biernat et al. Verlag der Osterreichischen Akademie der Wissenschaften, 1999, pp.281-286.

13. А.Б. Орлов, А.Е. Пронин, А.Н. Уваров. Моделирование профилей электронной концентрации нижней ионосферы по данным о распространении СДВ.// В сб. Проблемы дифракции и распространения волн. Вып. 28. 2000. С. 83 - 114.

14. Orlov A.B., Petrova G.A., Pronin A.E., Uvarov A.N. The regular seasonal variations of electron density profiles for the day-time low middle-latitude ionosphere (50-70 km) on the basis of VLF propagation data and on a photochemical model in the quiet and SID conditions. In: Physics of Auroral Phenomena, 25-th Annual Seminar. Abstracts. Preprint PGI-02-01-111. Apatity, 2002. P. 64.

15. Belency M.I., Bisyarin M.A., Yu.P. Galyuk.  Digital receiver of a VLF radionavigation system, // XVI European Frequency and Time Forum. St. Petersburg. 2002.

16.  Беленький М.И., Галюк Ю.П.  Цифровое приемное устройство для регистрации сигналов РНС СДВ диапазона. // В трудах научного семинара «Экология и космос», Дистанционное зондирование окружающей среды (13 февр. 2004 г., г. Санкт-Петербург), С. 54 – 56.

17. Беленький М.И ,  Орлов А.Б., Петрова Г.А., Уваров А.Н. Определение параметров С-слоя нижней дневной ионосферы по данным о распространении СДВ и по детальной модели ионной химии. // В сборнике докладов на XXI Всероссийской научной конференции "Распространение радиоволн" (25-27  мая 2005, г. Йошкар-Ола). Том 1. 2005. С. 407 - 411

18. Беленький М.И , A. B. Orlov, G. A. Petrova, and A. N. Uvarov. Modeling of the electron density profile of the lower ionosphere (45–75 km) for sudden ionospheric disturbance conditions based on the data on sudden phase anomalies of VLF signals. IJGA, VOL. 6, GI3006, doi:10.1029/2005GI000113, 2006.

19. Кононов И.И., Петренко И.А., Снегуров В.С. Радиотехнические методы местоопределения грозовых очагов. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – 220 с.

20. Иванов В.И., Кононов И.И. Методы однопунктового местоопределения гроз в средней зоне. Проблемы дифракции и распространения радиоволн, 1989, в.22, с.195-219.

21. Кононов И.И., Петренко И.А., Современное состояние методов местоопределения гроз, Радиотехника и электроника, 1992,т.38, N 7,1153-1167.

22. Kononov I.I., Petrenko I.A., Dovzhenko D.L. Characteristics of ELF-VLF electromagnetic radiation from lightning flashes. Proc. of 9th Int.Conf. on Atm.Electr.,1992, pp.688-692.

23. Borisov V.V., Kononov I.I. Electrodynamic model of lightning return stroke radiation. Proc. of 9th Int.Conf. on Atm.Electr., 1992, pp.244-247.

24. Borisov V.V., Dovzhenko D.L., Kononov I.I. On the field produced by lightning stroke. Proc.of 16 Int. Aerospace and Ground Conf.on Lightning and Static Electr., Mannheim, Germany, 1994, pp.55-64.

25. Kononov I.I., Borisov V.V., Usupov I.E. Space structure of electromagnetic field Components for different types of lightning channels. Proc. 24 ICLP, Birmingham, 1998, 354-359.

26. Kononov I.I., Petrenko I.A., Yusupov I.E. Space-temporal variations of electromagnetic radiation of thunderstorms in the process of their evolution. Proc.25 ICLP, Rodos-Greece, 2000, v.A, p.145-150.

27. Richard P., Kononov I.I. Total lightning characteristics of thunderstorm contribution to nowcasting applications. Proc. ICOLSE, 2001., 257-262.

28  Кононов И.И., Крутой Д.М., Юсупов И.Е. Связь параметров электромагнитного излучения гроз с интенсивностью осадков. Сб. трудов 5 РКАЭ, т.1, Владимир, 2003, с. 308-310. 

29. Кононов И.И., Ришар Ф. Методы пассивной локации гроз. // Проектирование и технология электронных средств. Спец. выпуск, 2004, с.17-21.

30. Кононов И.И., Юсупов И.А. Кластеризация грозовой активности. // Радиотехника и электроника. 2004, с.1-7.

31. Kononov, V.I. Ivanov, D.M. Krutoy and I.E. Yusupov    Some features of atmospheric waveforms transformation in the process of their propagation over the Earth and its influence on the accuracy of DTOA lightning location systems.   Proc. ILDS/LMS Conference, 2006, AZ, USA.

============================================

         The laboratory of  VLF propagation in the Earth - lower ionosphere wave-guide”  was organized by Corresponding Member of  RAS, Head of the Department of Radiophysics, Professor G. I. Makarov in 1962.  This lab was created for decision of following tasks:

- improvement of global radio navigation systems and worldwide communication networks (narrow-band, quasi-harmonic signals on frequencies 10 - 40 kHz);

- research of the physical fundamentals which were needed for constructed systems of  nuclear explosions detection and determination of coordinates of  its epicenter by pulsed electromagnetic radiations    (in frequencies band from hundreds hertz to 100 kHz).

The investigations list broadened essentially in 1970 -1980 and have been expanded by :

- the theoretical investigations of  the VLF propagation under different geophysical conditions;

- the works on the creation of mathematic basis and computer programs for VLF fields calculations;

- investigations directed to elaboration of the lower ionosphere model using VLF propagation data;

- the works on the development of detection methods and coordinates determination algorithm of   thunder-storms.

Two last direction  were transformed to become most important up to 2000. The laboratory is headed by Dr. Orlov A.B. from the moment of its organization up to now.

At the initial stage of investigations  (1990 - 1995) only the comparison analysis of effects  of  the  lower  ionosphere disturbances manifestation in  VLF  propagation  data  have  been carried out: effects obtained directly by the experimental data of VLF-signals handling and calculated with using the model of the electron density profile of the lower ionoshpere  N(z)  under  quiet and disturbed  conditions.  The sudden ionosphere disturbances (the disturbance   index   -  the   X - ray  flux in spectral window 2 - 8 Ǻ), disturbances  in  polar  cap  (the index -   the differential  or  integral  flux of protons)  and  disturbances  caused  precipitation of high-energetic electrons on auroral and subauroral  latitudes  in post-storm  periods (the disturbance  parameter -  Dst-index) were  analysised.

The  model  of disturbed profiles  N(z)  was constructed using  the  global  model  of  the  quiet  lower ionosphere and with adding formulas following the  ionization  balance  equation    in  the simplest form with losses which are linear or  quadratic  in  N. The  height  approximation    of  effective  recombination coefficient ψ was utilized. Only illumination (day or night) and seasonal difference  (summer or winter or different months) are taken into account. The  performed  investigation has demonstrated   that   the  non-conflicting results are available for day condition  as  well  as for night condition and for  the all considered disturbance types. The  departures  of  the   calculated   disturbance  values  from  the  corresponding experimental values did not exceed 1,5 - 2 factor in  the  average.

In the last years (2000 – 2006)  there fulfilled detailed and expansive investigation of  SID and SPA. The main subject of the study was the parameter b, which characterizes the relation between the electron density N and ionization rate q, N = b۔q0.5  (b = (ψ) - 0.5).  The numerous methods based on the least squares method had been used for the parameter b estimates by SPA data.

The dependencies of b on height h and latitude Θ have been found for summer and winter (or for separate months).

The obtained results demonstrate that under SID conditions the increase in the summer mid-latitude values of  b  at the heights 70 – 75 км, as compared with quiet conditions, are much more considerable than under winter mid-latitude and equatorial conditions. Realized comparative analysis has shown, on the whole, that the models for heights below 65 – 70 km describe real  ionosphere parameters with a reasonable adequacy and the models for heights 70 km and above need to be corrected.

Other   direction    of   the works   spent to   by the research   group    under  direction of

Dr. Kononov I.I.  is connected with experimental – theoretical  researches of pulse electromagnetic radiation (LEMP) lightning flashes (LF) in various frequency ranges both in a source of radiation, and by its propagation in different media. The special attention is accented on researches of LEMP strong-current components of  LF (return strokes both   cloud-ground and intra-cloud types)  in the ELF-VLF frequency  range (from units of hertz up to 100 кHz) and at its  transformation in a process of propagation in the Earth-ionosphere waveguide. The knowledge of these features has allowed to solve successfully a number of scientific and technical problems of development of tool radio engineering means of supervision over thunder-storms, their tracings, definition of their  current state and the short-term forecast of the future development.  That is rather important and actually for the decision of the applied problems connected with an operative estimation of the dangerous phenomena of a storm origin and acceptance of necessary measures on a safety from their influences.