Мониторинг ионосферных возмущений

когерентными сигналами СДВ радиостанций

Докладчик: аспирант Полетаев А.С.Научный руководитель: к.ф.-м.н. Ченский А.Г.

Цель и задачиЦель и задачи Цель эксперимента: изучение нижней

ионосферы методом наклонного зондирования в СДВ диапазоне.

Задачи: 1) Создание аппаратно-программного

комплекса для проведения долговременного мониторинга нижней ионосферы.

2) Проведение долговременных измерений амплитуды и фазы СДВ сигналов, накопление экспериментальных данных для проведения статистической обработки.

3) Изучение условий и факторов, влияющих на распространение сверхдлинных волн в сферическом волноводе Земля-ионосфера.

4) Создание сети наземных приемных станций. 5) Изучение фазовых и амплитудных

аномалий в период подготовки землетрясений.

2

Принимаемые станцииПринимаемые станции

3

№ Станция IDЧастота,

кГц

Мощность передатчика,

кВт

Скорость передачи данных,

бод

Ширина главного лепестка спектра,

Гц

Длина трассы по большому кругу, км

Азимут прихода волны, град.

Максимальный радиус 1 зоны Френеля, км

1 Novik, Norway JXN 16,4 45 100 150 4 859,74 325 149,3

2Vijayanarayanam, India

VTX3 18,2 100 200 300 5 448,81 216 150,0

3 Rosnay, France HWU 18,3 200 200 300 6 850,27 311 167,7

4 Anthorn, UK GBZ 19,58 500 100 150 6 402,64 320 156,7

5North West Cape,Australia

NWC 19,8 1000 200 300 8 260,80 171 177,0

6Isola-di-Tavolara, Italy

ICV 20,27 43 200 300 6 849,25 301 159,3

7Sainte-Assise, France

FTA 20,9 23 200 300 6 633,31 311 154,4

8Lualualei, Hawaii, USA

NPM 21,4 566 200 300 8 621,12 71 173,9

9 Ebino, Japan JJI 22,2 200 225 337,5 3 081,41 126 102,2

10Rhauderfehn, Germany

DHO38 23,4 500 200 300 6 028,42 312 139,1

В ИрГТУ мониторинг нижней ионосферы начали проводить в 2010г. Для приема выбраны 10 ОНЧ станций по критериям: соотношение сигнал/шум, направления прихода сигналов, протяженность трассы, расположение станций на разных широтах.

Расположение трасс Расположение трасс распространенияраспространения

4

Приемник СДВ сигналовПриемник СДВ сигналов

5

2м

1.5м

N ~ 100 витков

OP27

MAX27516 – 24 кГц

16 бит48 кГц

• Цифровые полосовые фильтры Баттерворта 4-го порядка с полосой пропускания

• Определение среднеквадратичного значения

Предобработка данныхПредобработка данных

6

Буфер

…

ПФ1

ПФ10

…

RMS

ПФ2 RMS

RMS

Массив Сохра-нение

• Накопление данных в буфере• Интервал выборки – 1 секунда• 48 000 отсчетов в выборке

ГцfН 50

• Формирование массива данных (таблица из 10 столбцов)

• Сохранение в формате *.txt

• Каждый файл – данные за 1 час

• 24 файла/сутки (~ 10Мб)

Суточный ход амплитуды СДВ Суточный ход амплитуды СДВ сигналовсигналов

Станция JJI (22.2 кГц, Япония)

7

Отражение ночью от E-слоя (95−120 км). Переходные интервалы утром. Поглощение в образующемся D-слое и модовая интерференция. Отражение днем от D-слоя. Электронная концентрация определяется углом падения

ионизирующего излучения Солнца. Дневной максимум - в момент верхней кульминации. Вечерний переходный интервал. Рекомбинация электронов. Поглощение в D-слое.

Интерференционные минимумы и максимумы.

17-19.03.2011

8

Суточный ход амплитуды СДВ Суточный ход амплитуды СДВ сигналовсигналов Наиболее заметно интерферренционное взаимодействие мод для трасс большой протяженности (6 000 км и более).

Днем доминирует одна мода (отражение от середины трассы), ночью -2 моды.

Станция ICV (20.27 кГц, Италия)5-7.04.2011

Сезонные вариации Сезонные вариации амплитудыамплитуды

9

Станция JJI (22,2 кГц). Время кульминации соответствует времени дневного максимума, а увеличивающаяся продолжительность дня – ширине кривой дневного участка.

Днем доминирует одна мода, характеризующаяся отражением от ионосферы в точке над серединой трассы.

На интервале времени с 5:00 по 7:00 UTC+8 наблюдается изменение величины и положения во времени интерференционных минимумов и максимумов.

№

Время кульминации в точке

на середине трассы

Значение угла в

точке на середине трассы ,

град.

Продолжи-тельность дневного интервала

, часов

1 12:13 31,3 8,32 12:09 43,4 10,03 12:04 48,9 10,74 12:00 54,3 11,4

Солнечные вспышкиСолнечные вспышки

10

На рисунке ниже на примере станции DHO38 хорошо видны «всплески» амплитуды сигнала во время серий солнечных вспышек. Подобные эффекты характерны для всех станций. Время амплитудного всплеска совпадает со временем вспышки, а величина прироста пропорциональна мощности рентгеновского излучения Солнца и зависит от угла падения лучей в момент вспышки.DHO38 (23.4 кГц, Германия)

11

Солнечные вспышкиСолнечные вспышки На графике на примере станции JJI (22.2 кГц, Япония) хорошо видны скачки

амплитуды даже во время слабых вспышек С-класса ( С1.5 и выше)

Магнитные бури и высыпание Магнитные бури и высыпание энергичных частицэнергичных частиц

12

В результате вспышек происходит выброс плазмы, которая, достигая магнитосферы Земли приводит к ее возмущению. Во время магнитных бурь и суббурь происходит проникновение энергичных частиц в ионосферу, что вызывает изменение электронной концентрации D-слоя. При этом наблюдается поглощение волны в этой области.

Изменение амплитуды сигналов станций DHO38 (Германия) и FTA (Франция) 1 марта 2011 (буря G2)

13

Магнитные бури и высыпание Магнитные бури и высыпание энергичных частицэнергичных частиц Изменение амплитуды сигналов станций DHO38 и FTA 6 апреля 2011 (буря G2)

Ночное поглощение: FTA (20.9 кГц, Франция), ICV (20.27 кГц, Италия) Ночное усиление: DHO38 (23.4 кГц), HWU (18.3, Франция) Станции NPM (Гавайи), NWC (Австралия), JJI (Япония), VTX3 (Индия), середины трасс

которых южнее 60 градусов, аномального изменения амплитуды в указанные дни не имеют.

Направления работыНаправления работы

14

НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Регулярные измененияСуточный ход (вращение Земли вокруг своей оси) – день, ночь, переходные интервалы.Сезонные изменения (вращение Земли вокруг Солнца).Зависимость от угла падения ионизирующего излучения.Изменение высоты и проводимости отражающего слоя.Многомодовое распространение СДВ радиоволн, интерференция мод.

Случайные измененияБыстрые изменения интенсивности ионизирующего излучения Солнца. Солнечные вспышки (SID) и солнечные затмения.Магнитные бури, широтные аномалии. Высыпания заряженных частиц: из радиационных поясов (свистящие атмосферики), солнечный ветер.Грозы и атмосферные разряды. Молнии, эльфы, спрайты, синие струи (Lightnings, Elves, Sprites, Blue Jets).Атмосферные помехи. Атмосферики (Sferics), свистящие атмосферики (Whistlers), рассеянные атмосферики (Tweeks), утренние хоры (Chorus), шипящие помехи (Hiss).Искусственные неоднородности. Нагрев ионосферы (радиокомплекс «Сура»).Предвестники землетрясений. Ионосферные аномалии перед землетрясением.

НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАИзмерение фазыАппаратно-программный комплекс для проведения измеренийСоздание интерферометра - сети приемных станций

15

Спасибо за Спасибо за внимание!внимание!