• Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Проблемно-орієнтоване оброблення даних супутникових експериментів


В ИКИ ведётся обработка данных ионосферных спутников Atmosphere Explorer - Е, Dynamics Explorer 2 (далее DE 2), DEMETER, "Сич-1М" и др. Объектами изучения и каталогизации являются: 1) атмосферные гравитационные волны (АГВ), 2) УНЧ-ОНЧ электромагнитные волны.

Атмосферные гравитационные волны

Плазменные волны УНЧ-ОНЧ диапазонов

Литература

Атмосферные гравитационные волны

АГВ – один из основных типов колебаний нейтральной атмосферы на ионосферных высотах с периодами от приблизительно десяти до нескольких десятков минут, горизонтальными длинами волн от десятков и сотен до более полутора тысяч километров. Выявление и количественный анализ АГВ являются сложной задачей.

В ионосфере Земли, где плазма составляет незначительный процент от суммарной концентрации атмосферы, нейтральный газ вносит определяющий вклад в динамику и энергетику космической среды. Но поскольку диагностика нейтральных частиц на таких высотах сопряжена с большими трудностями, основная экспериментальная информация о верхней атмосфере поступает из регистрации её именно плазменной компоненты. На сегодняшний день ИКИ – единственный в мире научный центр (или один из немногих таких центров), где изучение АГВ ведётся по данным спутниковых измерений in situ.

За всю космическую эру было запущено только шесть спутников для контактной регистрации параметров нейтральной атмосферы: 5 аппаратов серии Atmosphere Explorer и DE 2. Датчики нейтральных частиц также устанавливались на Space Shuttle и орбитальных станциях Spacelab 2 и "Мир", но возмущения среды при движении столь больших тел не позволяли регистрировать на них природные волновые процессы.

Данные проектов Explorer представлены на веб-ресурсе NASA "National Space Science Data Center" http://nssdc.gsfc.nasa.gov/atmoweb в открытом доступе. Типичный пример этих данных представлен на рис. 5.1 a, где визуализирован ход концентраций основных нейтральных газов [O] и [N2] вдоль одного из орбитальных витков DE 2. На этом рисунке крупномасштабный тренд вызван преимущественно изменением высоты орбиты спутника; коротковолновые вариации – это АГВ. На примере рис. 5.1 объясним задачи обработки экспериментальных данных.

Вначале мы только ожидаем, что небольшие нерегулярности, заметные на эпюрах на рис. 5.1 a, отображают волновые процессы, т.е. свободные колебания нейтральной атмосферы. Потому что на тех же масштабах под действием внешних источников могут происходить вынужденные колебания (например, в дугах полярных сияний, где происходит разогрев и ускорение воздуха), а, кроме того, эти колебания происходят на фоне мощного тренда, спектр которого во многих случаях перекрывает спектральный диапазон АГВ. Таким образом, задачей обработки данных является корректное выделение АГВ на фоне других типов атмосферных вариаций, в частности, на фоне тренда.

а
b

Рисунок 5.1. а) Орбитальный ход концентрации атомарного кислорода (сплошная жирная кривая) и молекулярного азота (пунктир) на витке спутника DE 2. б) Волновые формы АГВ в относительных возмущениях концентраций газов

В литературе мы находим описания только отдельных интенсивных возмущений, когда волновые формы АГВ различимы на экспериментальных эпюрах «на глаз» и параметры АГВ можно визуально оценивать без специальной математической обработки (Francis, 1975, Фаткуллин др., 1990, Hocke, Schlegel, 1996, Mayr et al., 1990). Являясь скорее иллюстративными, чем репрезентативными, такие наблюдения не создают цельного представления о волновой активности ионосферы: пространственно-временном распределении АГВ, характерных параметрах волн, зависимости от гелио- и геофизических условий и т.д.

Нашей целью является выявление и количественный анализ АГВ произвольной (в том числе малой) амплитуды. Для этого в ИКИ ведётся разработка специальной методики анализа данных, основанной на знании свойств АГВ (Федоренко, 2008, Лизунов, Кузьмич, 2010). Для демонстрации эффективности развиваемых в ИКИ подходов приведём здесь некоторые из полученных недавно результатов.

На рис. 5.1 б представлены выделенные из эпюр на рис. 5.1 а волновые формы АГВ. По данным обработки более 400 таких витков за период ноябрь 1982 г. - февраль 1983 г. визуализирована картина планетарного распределения АГВ, представленная на рис. 5.2. Чтобы не загромождать рисунок, на нём выведены только семь из нескольких сотен волновых форм АГВ. Отметим, что все орбитальные треки на рис. 5.2 относятся к одному локальному времени (DE 2 был солнечно-синхронный спутник), поэтому этот рисунок характеризует скорее широтное, чем долготное распределение АГВ.

Рисунок 5.2. Планетарное распределение АГВ в ночной полусфере. Волновые формы нанесены вдоль орбитальных витков DE 2. На рисунке указаны номера витков и отмечены области пересечения спутником авроральных овалов. Штриховые линии на карте – геомагнитная широта.

Рис. 5.3. Локализованный волновой пакет на фоне планетарного распределения АГВ

В планетарном распределении АГВ, таким образом, выделяются (Федоренко, 2008, Лизунов, Скороход, 2010): 1) области полярных шапок, где происходит непрерывная генерация АГВ и где относительная амплитуда АГВ достигает максимальных значений ~ 5...10%, 2) средних широт, в которых по мере удаления от авроральных овалов интенсивность АГВ спадает, 3) широт ниже 40...50 град., где волновая активность достигает минимума ~ 0.5%, но не исчезает целиком. На этом глобальном фоне спорадически наблюдаются изолированные всплески АГВ – локализованные волновые пакеты (ЛВП), один из примеров которых подан на рис. 5.3.

Всего за указанный период было обнаружено 53 ЛВП, заметно возвышавшихся над окружающим фоном. Географическое распределение ЛВП характеризует рис. 5.4, где показаны области пересечение волновых пакетов траекторией спутника. Отметим случайный характер возникновения ЛВП во времени и по координате.

Рис. 5.4. Области пересечения локализованных волновых пакетов АГВ траекторией DE 2 (сплошные черточки). Рядом указаны номера витков. На вставке – волновая форма одного из волновых пакетов.

Характерные параметры ЛВП (Скороход, 2010):

  • Выделенная горизонтальная длина волны порядка 550 км;
  • Длительность ЛВП в среднем 3-4 цикла колебаний;
  • Максимальная амплитуда ЛВП ~ 3...5%. С уменьшением амплитуды волновые пакеты сливаются с фоном глобального распределения АГВ;
  • Характеристики ЛВП и частота их появления не обнаруживают корреляции с индексами магнитной активности.

Таким образом, волновое поле АГВ в ионосфере содержит регулярную и спорадическую составляющие. Регулярная составляющая генерируется полярными сияниями, причём из областей авроральных овалов АГВ распространяются вверх и вниз по широте, заполняя полярные шапки и спускаясь в экваториальном направлении до широт 40...50 град. Таким образом, в планетарном распределении АГВ выделяются активные полярные области, где ионосфера всегда сильно возмущена, и относительно спокойная приэкваториальная зона. При указанном широтном значении, зона спокойной ионосферы покрывает ~ 70%, а активных областей ~ 30% поверхности планеты. Интересно отметить, что г. Харьков, где сосредоточены мощнейшие в нашей стране средства диагностики ионосферы, расположен около 50 град. с.ш., как раз в области условной границы спокойной и активной зон.

Планетарное распределение АГВ не является стационарным. Мгновенный рельеф волнового поля, очертания границ полярных областей изменяются от витка к витку спутника. Регулярность волновой активности состоит в сохранении средних характеристик, коррелирующих с авроральной активностью.

Спорадическая составляющая возникает в виде коротких, состоящих из нескольких циклов колебаний цугов АГВ – локализованных в пространстве волновых пакетов. ЛВП характеризуются умеренной амплитудой, благодаря чему они отчётливо выделяются на фоне волновой активности спокойной зоны, но практически неразличимы в активных полярных областях.

Локализованность спорадических всплесков АГВ, их независимость от гелиофизических факторов, указывают, что именно с ЛВП следует связывать ионосферный отклик на воздействия снизу (а не генерацией среднемасштабных АГВ вообще, как об этом пишут многие авторы).

Каталог АГВ, пополняемый по мере обработки новых наблюдений, является статистической основой для изучения связи ионосферных возмущений с конкретными гео- и гелиофизическими процессами.

Плазменные волны УНЧ-ОНЧ диапазонов

Специфика спутниковых экспериментов заключается в том, что вследствие эффекта Доплера на борту КА измеряется смещенная частота сигнала: w' = w - kxVsc, где w - частота в покоящейся системе отсчета, kx - компонента волнового вектора вдоль траектории спутника, Vsc - орбитальная скорость спутника. Поскольку kx неизвестно, без дополнительных предположений, вообще говоря, невозможно определить ни частоту сигнала w, ни волновой вектор. Эта проблема известна в литературе как проблема разделения временных и пространственных вариаций.

Если фазовая скорость волны значительно превышает скорость КА w / kx >> Vsc, то измеряется “истинная” частота волны w'  w, а волновой вектор остаётся неизвестен. В ионосферной плазме быстрыми являются все электронные типы волн.

Если фазовая скорость волны мала по сравнению со скоростью КА w / kx << Vsc, то регистрируется спектр горизонтальных волновых чисел w'  - kxVsc, а частота неизвестна. В ионосфере примерами таких квазинеподвиж­ных неоднородностей являются системы ионосферных токов, перемещающиеся ионосферные возмущения, АГВ.

Если фазовая скорость соизмерима со скоростью КА  w / kx ~ Vsc, то не поддаются определению ни частота, ни волновой вектор. В ионосфере под эту категорию подпадают инерционные альфвеновские, ионные циклотронные, ионно-звуковые и медленные магнитозвуковые волны.

Незнание спектральных параметров волнового процесса является существенным ограничением диагностических возможностей спутникового эксперимента. Поясним это на примере ионосферных предвестников землетрясений – явления твёрдо не установленного, гипотетического, но вызывающего значительный интерес потенциальной возможностью предсказания землетрясений. При анализе ионосферных событий, могущих быть (или не быть) предвестниками землетрясений, определение хотя бы только направления групповой скорости ионосферных возмущений - от эпицентра или к эпицентру землетрясения - явилось бы конструктивным тестом, позволяющим отсечь заведомо не связанные с землетрясениями события.

О. Вайсберг (1985) был первым, кто показал, что полный спектр сигнала {w, kx, ky, kz} можно определить по данным синхронных измерений электромагнитного поля и тока. В проекте “Вариант”  такие много­компонентные измерения впервые были осуществлены.

В качестве примера на рис. 5.5 представлены динамические спектры волн, зарегистрированные одновременно в измерительных каналах Bx~ (компонента магнитного поля), E3~ (компонента электричес­кого поля) и Jyz (компонента плотности тока) комплекса научной аппаратуры “Вариант” (КНАВ) на витке 1363. Можно выделить следующие сигналы:

  1.  Электронный вистлер – спадающая дуга в промежутке времени 33.5…34 с;
  2.  ОНЧ шипение – диффузион­ная полоса в области нижнегибридной частоты ~  5 кГц;
  3.  В этом же участке спектра – шумовая полоса неизвестной природы с переменной частотой;

Сигналы ОНЧ передатчиков – узкие линии на 9 кГц и 3 кГц.

Все эти сигналы являются характерными для ионосферы, их успешная регистрация демонстрирует правильность работы КНАВ. В настоящее время в ИКИ ведётся проблемно-ориентированная обработка данных проекта "Вариант" и составление каталогов мультикомпонентных измерений УНЧ-ОНЧ волн.

а б
в г

Рисунок 5.5. Динамические спектры данных эксперимента “Вариант”: а) компонента магнитного поля Bx~, б) компонента электрического поля E3~, в) компонента тока Jyz~, г) волновая форма вистлера отфильтрованная в полосе частот 4±0.1 кГц в измерительном канале Jyz~.

Представленный на рис. 5.5 вистлерный сигнал хорошо подходит для проверки правильности работы датчиков КНАВ и для апробации методики определения спектрального состава волн. Дело в том, что поскольку фазовая скорость вистлера много больше скорости спутника, последний регистрирует «истинную» частоту волны w' w. Тогда, с использованием известного из теории дисперсионного соотношения, несложно вычислить волновое число k. Необходимые для теоретических оценок параметры плазмы можно взять из модели ионосферы. Таким образом, задача определения спектральных параметров вистлера {w, kx} решается с использованием простых модельных соотношений.

Приведём результаты количественного анализа. Измеренные амплитуды полей и токов вистлерного сигнала, зарегистрированного на витке 1363 в интервале времён 33.5…34 с,  указаны в табл. 5.1. В табл. 5.2 приведена сопутствующая информация о местоположении спутника.

Табл. 5.1. Измеренные амплитуды компонент электронного вистлера в полосе частот 4±0.1 кГц

Электрическое поле E3~ 0.4 мВ/м
Магнитное поле Bx~ 0.1 нТл
Электрический ток Jyz~ 0.4 мкA/м2

Табл. 5.2. Местоположение спутника

Виток Дата, время Мест. время Высота Широта Долгота
1363 23.03.2005 UT 22:13:35 Около 1:15 340.8 km 13.09 48.11

Дисперсионное уравнение вистлера:

(1)

где с – скорость света, θ– направление волнового вектора по отношению к магнитному полю Земли, ωp,  ωc  ленгмюровская и электронная циклотронная частоты. Подставляя в (1) численные значения ωp=3*107c-1ωc=5*106с-1 (определенные для условий измерений по модели ионосферы MSIS-90) и полагая cosθ~1 (вистлер не является сильно косым, на что указывает сам вид представленных на рис. 5.5 динамических спектров), вычисляем показатель преломления и длину волны вистлера:

(2) м (на частоте f = 4 кГц).

 Для указанных в табл. 2 амплитуд, эти же характеристики вистлера могут быть найдены непосредственно из уравнений Максвелла:

(3) j = 0.5 мкА/м2.

Оценки (2) и (3) убедительно согласуются между собой. Более того, рассчитанная теоретически плотность тока j = 0.5 мкА/м2 практически совпала с измеренным значением 0.4 мкA/м2.

Полученные результаты верифицируют методику восстановления спектрального состава плазменных волн по данным синхронных электромагнитных и токовых измерений. Эта методика будет в дальнейшем применяться для анализа широкого круга волновых процессов, заносимых в каталог проекта “Вариант”. Более того, полученные результаты верифицируют и сам каталог.

Литература:

  1.  Dudkin, F., V. Korepanov, G. Lizunov. Experiment VARIANT - First Results from Wave Probe Instrument. Adv. Space Res., 2009, v. 43, pp. 1904-1909
  2.  Francis, S.H. Global propagation of atmospheric gravity waves: a review. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 1975, v. 37, pp. 1011-1054
  3.  Hocke, K., and K. Schlegel, A review of atmospheric gravity waves and travelling ionospheric disturbances: 1982-1995. Ann. Geophys., 1996, v.14, pp. 917-940
  4.  Korepanov, V., M. Hayakawa, Yu. Yampolski, G. Lizunov. AGW as seismo-ionospheric coupling response. Phys. Chem. of the Earth, 2009, v. 34, pp. 485-495
  5.  Lizunov, G.V., A.K. Fedorenko, L.G. Bankov, A.K. Vassileva. Atmospheric Gravity Waves associated with moving Solar Terminator through Earth’s upper atmosphere. Aerospace research in Bulgaria, 2009, v.23, pp. 36-49
  6.  Lizunov, G., M. Hayakawa. Atmospheric gravity waves and their role in lithosphere-troposphere-ionosphere interaction. IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, 2004, vol. 124, No 12, pp. 1109-1120
  7.  Mayr, H.G., I. Harris, F.A. Herrero, N.W. Spencer, F. Varosi, and W.D. Pesnell. Thermospheric gravity waves: observations and interpretation using the transfer function model (TFM). Space Science Reviews, 1990, v. 54, p. 297-375
  8.  Вайсберг, О.Л. К определению пространственной шкалы в движущейся плазме. Космические исследования. 1985. Т. ХII. Вып. 6., с. 947-949
  9.  Корепанов, В. Є., В.М. Івченко, Г.В. Лізунов, О.П. Федоров, Ф.Л. Дудкін, А. М. Попель. “Варіант” – перший міжнародний науковий експеримент на борту українського супутника. Космічна наука і технологія, 2007, т. 13, № 4, с. 3-9
  10.  Корепанов В.Є., Є.І. Крючков, Г.В. Лізунов, А.К. Федоренко, Ф.Л. Дудкін. Експеримент “Варіант” на супутнику “Січ-1М” - перші результати. Космічна наука і технологія, 2007, т. 13, № 4, с. 10-17
  11.  Крючков, Є.І., Г.В. Лізунов, П.О. Усенко, В.Й. Глемба. Систематизація та первинна обробка даних експерименту “Варіант” на супутнику “Січ-1М”. Космічна наука і технологія, 2007, т. 13, № 4, с. 18-24
  12.  Лизунов Г.В., Кузьмич А.А. Спектральный анализ спутниковых измерений атмосферных гравитационных волн. Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». Тематический выпуск «Радиофизика и ионосфера», 2010, в печати
  13.  Лизунов Г.В., Скороход Т.В. Планетарное распределение среднемасштабных атмосферных гравитационных волн по данным спутниковых измерений. Космічна наука і технологія, 2010, т. 16 № 1. с. 36–41
  14.  Лизунов Г.В., Федоренко А.К. Генерация АГВ солнечным терминатором по данным измерений на спутнике “Atmosphere Explorer - E”. Радиофизика и радиоастрономия, 2006, т.11, №1, с. 49-62
  15.  Скороход Т.В. Морфологическая структура и возможные источники АГВ в ионосфере. Космічна наука і технологія, 2010, принято в печать
  16.  Фаткуллин М. Н., Заруцкая Е. В., Фаткуллина В. А. Глобальные пространственные характеристики среднемасштабных волнообразных неоднородностей на высотах области F ионосферы при различных уровнях геомагнитной активности // Препринт № 41 (926). М.: ИЗМИРАН. 1990
  17.  Федоренко А.К. Энергетический баланс акустико-гравитационных волн над полярными шапками по данным спутниковых измерений. Геомагнетизм и аэрономия, 2010, т.50, №1, с. 111-122.
  18.  Федоренко А.К. Спутниковые наблюдения среднемасштабных акустико-гравитационных волн над полярними шапками. Космічна наука і технологія, 2008, т.14, №5, с. 65-73.
  19.  Федоренко А.К., Г.В. Лизунов, Х. Роткель. Спутниковые наблюдения квазиволновых возмущений атмосферы на высотах области F, вызванных мощными  землетрясениями. – Геомагнетизм и аэрономия, 2005, т. 45, № 3, с. 403-410
  20. Пьянкова Е.В., Лизунов Г.В., Крючков Е.И.  Каталогизация данных проекта «Вариант». Сборник тезисов 10-й украинской конференции по космическим исследованиям. – Национальный центр управления и испытаний космических средств, Евпатория, Крым, Украина, 30 августа-3 сентября 2010 г, c.24
  21. Ямпольский Ю.М., А.В. Зализовский, Л.Н. Литвиненко, Г.В. Лизунов, K. Гровс, M. Moлдвин. Вариации магнитного поля в Антарктике и сопряженном регионе (Новая Англия), стимулированные циклонической активностью. - Радиофизика и радиоастрономия, 2004, т.9, №2, 130-151
You are here: Наукові напрями та концептуальні основи діяльності Супутникові проекти Проблемно-орієнтоване оброблення даних супутникових експериментів