Статистичні характеристики НВЧ сигналів на трансатмосферних трасах під час сонячних протонних подій

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ

ІМ. О.Я. УСИКОВА

УДК 621.371.029.65

СТАТИСТИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ НВЧ СИГНАЛІВ

НА ТРАНСАТМОСФЕРНИХ ТРАСАХ

ПІД ЧАС СОНЯЧНИХ ПРОТОННИХ ПОДІЙ

01.04.03 - радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Гончаренко Юрій Вікторович

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки їм О.Я.Усикова Національної академії наук України

НАУКОВИЙ КЕРІВНИКдоктор фізико-математичних наук, професор Ківва Фелікс Васильович, Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова Національної академії наук України, завідувач відділом поширення радіохвиль у природних середовищах.

ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИдоктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Ситнік Олег Вікторович, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України, старший науковий співробітник відділу радіофізичної інтроскопії.

кандидат физико-математичних наук , старший науковий співробітник Сініцин Віктор Георгійович, Радіоастрономічний інститут Національної академії наук України, старший науковий співробітник відділу радіофізики геокосмосу, м. Харків.

ПРОВІДНА ОРГАНІЗАЦІЯ: Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Міністерства освіти і науки України, кафедра космічної радіофізики.

Захист відбудеться “ 2 “ листопада 2006 р. о 16:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України (61085, м. Харків-85, вул. ак. Проскури, 12).

З дисертацією можна ознайомиться в науковій бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. А.Я. Усикова Національної академії наук України (61085, м. Харків-85, вул. ак. Проскури, 12).

Автореферат розісланий “ 29 “ вересня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованної

вченої ради О.Я. Кириченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертація присвячена вивченню впливу сонячної активності на параметри трансатмосферного надвисокочастотного (НВЧ) каналу зв'язку.

Актуальність теми. У періоди максимуму сонячної активності кількість і потужність сонячних спалахів значно перевищує середній рівень. При цьому кількість геомагнітно-збурених днів може становити до 10-15% від загальної кількості часу спостережень [1]. У цій ситуації статистичні характеристики НВЧ сигналів, випромінених телекомунікаційними або навігаційними штучними супутниками Землі (ШСЗ), можуть значно відрізнятися від відомих характеристик, отриманих під час відсутності сонячно-спалахових подій [2]. Таким чином, інформація про варіації статистичних характеристик НВЧ сигналів під час сонячних спалахів необхідна для оцінки надійності ліній зв'язку “супутник-земля” у періоди підвищеної сонячної активності.

Джерелом такої інформації можуть бути результати експериментального вивчення цього явища, дані якого дозволять здійснити верифікацію та (або) доробку відомих моделей сонячно-тропосферних зв'язків. Це дасть можливість підвищити точність довгострокових метеопрогнозів у роки підвищеної сонячної активності, а також дозволить прогнозувати надійність роботи радіосистем різних класів під час сонячних спалахових подій, коли спостерігається викид у космічний простір високоенергетичних сонячних протонів (сонячно-протонна подія (СПП)).

Таким чином, актуальність досліджень, проведених у дисертаційній роботі, визначається необхідністю подальшого розвитку фізичних уявлень про тропосферне та іоносферне поширення радіохвиль НВЧ діапазону, оцінки ступеня впливу сонячної активності на параметри ліній зв'язку “ШСЗ-Земля” і накопиченню експериментальних даних про вплив сонячної активності на параметри тропосфери.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати досліджень, представлені в роботі, отримано в рамках НДР, проведених в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України: “Радіофізичні дослідження атмосфери морських акваторій і суші для завдань радіолокації, океанографії, екології, ліквідації наслідків природних і техногенних катастроф”, шифр “Октан” (2000-2003 р., номер держ. реєстрації 0100U4006444, “Дослідження поширення електромагнітних і акустичних хвиль у середовищах із просторово-тимчасовою дисперсією й поглинанням”, шифр “Цетан” (2004-2006 р.), номер держ. реєстрації 0103U002266.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є вивчення особливостей поширення радіохвиль НВЧ діапазону в умовах підвищеної сонячної активності та одержання статистичних характеристик НВЧ сигналів сантиметрового діапазону на трансатмосферних трасах під час сонячних спалахів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

- на підставі існуючих даних розробити методику вимірюваннь і визначити вимоги до комплексу вимірювальних систем, призначених для прийому НВЧ сигналу, випроміненого геостаціонарним ШСЗ;

- розробити і створити автоматичний комплекс вимірювальної апаратури НВЧ діапазону, а також розробити програмне забезпечення (ПЗ) для керування цим комплексом і попередньої обробки сигналу в режимі реального часу;

- провести теоретичні та експериментальні дослідження поширення радіохвиль НВЧ діапазону до, під час, та після сонячно-спалахових подій для одержання просторово-часових характеристик прийнятих сигналів;

- на основі отриманих даних зробити порівняльний аналіз моделей впливу сонячної активності на поширення радіохвиль НВЧ діапазону та основних моделей сонячно-земних зв'язків.

Об'єктом дослідження є поширення радіохвиль на трасі “ШСЗ-Земля” під час сонячно-спалахових подій, які можуть змінювати радіофізичні параметри іоносферної та тропосферної ділянки ліній зв'язку.

Предметом дослідження є енергетичні, статистичні, часові та спектральні характеристики радіохвиль НВЧ діапазону під час СПП.

Методи дослідження.

Узагальнення результатів вивчення проблеми сонячно-земних зв'язків, виконаних у попередній період, особливо за останнє десятиліття.

Експериментальне дослідження статистичних характеристик трансатмосферних НВЧ сигналів, випромінених з супутників, видимих з місця прийому під малими кутами відносно горизонту. Оцінка впливу потужних сонячних спалахів на параметри каналу зв'язку проводилась за допомогою методу накладених епох.

Теоретичний аналіз існуючих моделей сонячно-земних зв'язків і оцінка їхнього впливу на параметри каналу зв'язку під час потужних сонячних спалахових події.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна результатів дисертаційної роботи полягає в наступному:

Уперше виявлено істотне зростання глибини завмирань НВЧ сигналу “С” діапазону на ковзних трансатмосферних телекомунікаційних трасах у під час сонячних протонних подій. Оцінено мінімальну потужність СПП, що істотно впливає на параметри каналу зв'язку.

Отримано закони розподілу флуктуацій амплітуд прийнятого НВЧ сигналу “С” діапазону під час сильних сонячних протонних подій, що дозволяють припустити інтерференційну природу завмирань сигналу.

Уперше оцінений розмір часток водного аерозолю, що може утворюватися під впливом високоенергетичних протонів під час сильної сонячної протонної події та ступінь його впливу на висотний температурний профіль середньої і верхньої тропосфери;

Практичне значення одержанних результатів.

Отримано експериментальні дані, що характеризують функціонування трансатмосферної траси під час потужних сонячних протонних подій та дозволяють оцінити надійність ліній зв'язку “ШСЗ - Земля”, що працюють у „С” - діапазоні, у роки підвищеної сонячної активності. Ця інформація може бути корисна при проектуванні нових і оцінці надійності існуючих НВЧ ліній зв'язку. Отримані дані можуть бути також використані при верифікації відомих або побудові нових моделей сонячно-земних зв'язків.

Особистий внесок здобувача. Здобувач у колективі виконавців брав участь у створенні комплексу вимірювальної апаратури, у розробці методик і проведенні систематичних експериментальних досліджень поширення радіохвиль НВЧ діапазону під час сонячних спалахових подій, результати яких наведені в роботах [11, 12, 13, 14, 18, 20, 21]. Здобувачем створене програмне забезпечення для керування автоматизованим вимірювальним комплексом, попередньої обробки отриманих даних у режимі реального часу і їхньої пост-обробки по закінченню експерименту. У роботах [13, 20] здобувачем запропоновані схема та варіант реалізації приймально-вимірювального комплексу для виявлення шаруватих неоднорідностей в атмосфері, оцінені його чутливість і стабільність, що дозволяють здійснювати пошук цих неоднорідностей. У роботах [12, 14, 21] здобувачем зроблені огляд і порівняльний аналіз відомих моделей сонячно-земних зв'язків на основі експериментальних даних 1960-70-х років, отриманих в ІРЕ НАНУ, зроблена попередня оцінка впливу сонячно-спалахових подій на метеопараметри тропосфери і параметри тропосферної ділянки лінії зв'язку “геостаціонарний ШСЗ - Земля”. У роботах [15, 17] здобувачем проведена теоретична оцінка діаметра та концентрації часток водного аерозолю, що може з'являтися у верхній тропосфері під впливом потоку високоенергетичних сонячних протонів. Показано, що очікуваний середній діаметр аерозолю відповідає максимуму розподілу “Н” Димерджана для тропосферних і стратосферних серпанків. У роботах [16, 18, 19] представлені результати досліджень по прийому НВЧ сигналу, випроміненого геостаціонарним ШСЗ. Проаналізовано іоносферні й тропосферні механізми впливу СПП на параметри каналу зв'язку.

Апробація результатів дисертації. Основні результати, наведені в дисертаційній роботі, представлені на Міжнародній науково-практичній конференції “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я” (м. Харків, 2002р), всеукраїнській конференції з радіофізики „Еврика” (м. Львів, 2002р.), Iinternational conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (Київ, 2002р.), 13-й міжнародній Кримській конференції “НВЧ-техника та телекомунікаційні технології” (Севастополь, 2003р), Fifth International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (Харків, 2004р.), XXI Всеросійській науковій конференції “Поширення радіохвиль” (Йошкар-Ола, Росія, 2005р).

Публікації. Основні матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 6 статтях у наукових журналах і в 6 збірниках робіт наукових конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку та містить 128 сторінок основного тексту, 51 рисунок, список використаних джерел з 126 найменувань на 12 сторінках. Загальний обсяг дисертаційної роботи 140 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дано загальну характеристику дисертації, обґрунтовано актуальність досліджень процесу поширення радіохвиль НВЧ діапазону під час сонячних спалахів різної інтенсивності. Показано зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Сформульовані мета та завдання роботи, наукова новизна отриманих результатів, їхня практична значимість. Визначено особистий внесок здобувача, наведено відомості про апробацію й публікації результатів дисертаційної роботи. Схематично викладений зміст дисертації.

У першому розділі за матеріалами літературних джерел розглянуто вплив метеорологічних параметрів тропосфери на поширення НВЧ радіохвиль. Проаналізовано та систематизовано відомі експериментальні дані, що показують зв'язок між варіаціями сонячної активності й змінами основних (температура, тиск, вологість) і додаткових (хмарність, хімічний склад, іонна концентрація, грозова діяльність і ін.) метеопараметрів тропосфери. Показано наявність довгострокових (кліматичних) і короткочасних (метеорологічних) залежностей зміни параметрів тропосфери від сонячної активності. Розглянуто відомі моделі сонячно-тропосферних зв'язків: динамічна, оптична й електрична. Показано механізми, за допомогою яких різні фактори, що відбивають сонячну активність, можуть впливати на основні та додаткові метеопараметри тропосфери.

Зроблено попередній аналіз експериментальних даних по далекому тропосферному поширенню радіохвиль (ДТП) і радіометричному прийому сонячного випромінювання при сході та заході Сонця під час сонячних спалахів 1966-1969 р.р. Показано, що основними недоліками розглянутих вимірюваннь були низька роздільна здатність за часом і неможливість визначення координат та обсягу атмосфери, у якому з'являлися шаруваті або інші об'ємні неоднорідності.

У другому розділі визначено мету експерименту, розглянуто методику вимірюваннь і розроблений здобувачем програмно-апаратний вимірювальний комплекс, що складається з високочутливого приймача та блоку реєстрації і керування, реалізованого за допомогою персонального комп'ютера. Розроблене програмне забезпечення здійснює автоматичне керування комплексом, попередню обробку, стискання і реєстрацію інформації в режимі реального часу.

У розділі проведено оцінку впливу варіацій властивостей поверхні, що підстилає, на амплітуду прийнятого супутникового сигналу. Показано, що зміна відбиваючих властивостей підстилаючої поверхні на характеристики трансатмосферного каналу зв'язку впливає незначно. Висунуто припущення, що імпульсному процесу на Сонці відповідає відгук в довкіллі, який також можна розглядати як імпульсний процес і застосовувати до нього відповідні алгоритми обробки.

У третьому розділі представлено результати статистичної обробки прийнятого сигналу методом накладених епох, у якому за опорну позицію приймався початок реєстрації високоенергетичних сонячних протонів на орбіті Землі (початок сонячної протонної події).

Загальна тривалість проведених вимірів - 405 діб. За цей час відбулося 16 сонячних протонних подій різної інтенсивності, під час яких збільшувалася щільність і швидкість потоку сонячних часток і відбувалося збурювання магнітного поля Землі (магнітна буря). На рис 1. представлено гістограму розподілу сонячних протонних подій (СПП), що відбулися за час спостереження, за значеннями максимального збільшення щільності потоку сонячних протонів відносно незбуреного стану (p.f.u. - proton flux units), побудовану за даними [1].

Показано, що після початку сильного СПП з p.f.u.>250 сигнал, випромінений з геостаціонарного супутника, піддається завмиранням, які можуть бути викликані інтерференцією між прямим променем і променями, пов'язаними із тропосферними та іоносферними неоднорідностями (багатопроменеве поширення).

На рис. 2 показані імовірності зменшення амплітуди прийнятого сигналу нижче фіксованого рівня під час потужних СПП. Дані отримані в результаті обробки 7 СПП за допомогою методу накладених епох.

За опорну позицію взято час початку реєстрації високоенергетичних сонячних протонів на орбіті Землі. Як видно з рисунка імовірність зменшення амплітуди сигналу на 2дБ менше середнього рівня під час спалаху істотно не змінилася, тоді як імовірність зменшення амплітуди сигналу на 4дБ і більше збільшилася в 5-10 разів через 6-10 годин після початку реєстрації СПП із p.f.u.>250 (поз. 1 на рис. 2).

Через 42-54 години після початку СПП імовірність зменшення сигналу на 4дБ і менше від середнього значення приймає первісне, доспалахове, значення.

На рис. 3 представлено результати аналогічної обробки для ансамблю з 7 слабких СПП із p.f.u < 250. З рисунка видно, що слабкі СПП не впливають помітно на статистичні характеристики прийнятого сигналу.

На рис. 4 та рис. 5 показано, що частота та тривалість глибоких завмирань також значно зростає під час потужного СПП.

Відсутність впливу слабких СПП на умови поширення НВЧ радіохвиль можна пояснити в такий спосіб. Оцінки показують, що для проникнення в тропосферу Землі в середніх широтах енергія протонів повинна бути вище енергії геомагнітного відтинання, що для широти 50о становить 400-600 МеВ [1]. Таким чином, більшість протонів, що проникають у верхню тропосферу в місці вимірів, мають енергії Е>400-600 МеВ. З рис. 6 видно, що потік високоэнергетичних сонячних протонів з Е>400-600 МеВ під час відсутності СПП значно менше потоку первинних галактичних протонів і порівнюється з ним під час СПП із p.f.u 250. Отже, повний потік високоэнергетичних протонів у верхній тропосфері на широті місця спостереження (м. Харків 50о, п.ш.) може збільшуватися в 2 і більше разів тільки під час сильних СПП із p.f.u > 250. Під час більш слабких СПП щільність потоку протонів незначно змінюється. Цим можна пояснити відсутність помітних змін сигналу під час слабких СПП.

Закон розподілу флуктуацій прийнятого сигналу (рис. 7) до початку СПП апроксимується нормальним законом розподілу. Такий закон справедливий при наявності на трасі великої кількості різномасштабних неоднорідностей. Після початку СПП закон розподілу змінюється за рахунок появи швидких завмирань і може бути апроксимировано законом розподілу виду P(о<Y) ~ Y4, що має місце на трасах з малою кількістю відбивачів [4].

У четвертому розділі розглянуто механізми впливу потужних СПП на умови поширення радіохвиль НВЧ діапазону в іоносфері та тропосфері.

Ефект Фарадея. При поширенні в намагніченій плазмі лінійно поляризована електромагнітна хвиля зазнає повороту площини поляризації, обумовленого ефектом Фарадея. Це може викликати завмирання сигналу при прийомі на антену з лінійною поляризацією. Оцінки показують, що навіть у максимумі сонячної активності зміни рівня прийнятого сигналу, пов'язані з поворотом площини поляризації, не можуть перевищувати 1-1.5дБ.

Вплив шаруватої структури іоносфери. Зареєстровані в експерименті завмирання можуть бути наслідком інтерференції між прямим променем та променями, пов'язаними з неоднорідністями, розташованими в шарах F, E і Es, у яких можуть спостерігатися значні коливання електронної концентрації. У роки підвищеної сонячної активності максимальна зміна коефіцієнта переломлення середовища на частоті ~4 ГГц, пов'язана з просторово-тимчасовими варіаціями електронної концентрації іоносфери, не може перевищувати 0,5-0,75 N-одиниць для шару Е и 1,5-2 N-одиниць - для шарів Es, F1, F2. Такі варіації коефіцієнта переломлення не можуть робити істотного впливу на процеси переломлення та відбиття НВЧ хвиль в іоносфері та призводити до появлення глибоких завмирань сигналу, які були зареєстровані протягом експерименту.

Вплив іоносферних неоднорідністей. Іоносферні факели, що складаються з неоднорідністей розміром 0.5-3км, які швидко переміщуються, реєструються під час сильних магнітних бурь як в екваторіальній, так і в средньоширотній іоносфері на висотах 100-1000км. Вони обумовлені просторово-часовими варіаціями коефіцієнта переломлення іоносфери, що досягають 3-5 N-одиниць. У результаті інтерференції між прямим променем і променями, пов'язаними з такими неоднорідністями, прийнятий сигнал може зазнавати завмирання, що перевищують 20 дБ в L-діапазоні (1.6 -1.8 ГГц) [5] і 5-10 дБ у С-діапазоні (3.2-4.2ГГц).

Вплив варіацій електронної концентрації. Збільшення електронної концентрації під час сонячних спалахів приводить до зменшення коефіцієнта переломлення іоносфери та зміни електричної довжини траси, що може досягати 10-15л. Це може привести до зміни траєкторії поширення радіохвиль і появи глибоких завмирань, що були зареєстровані в експерименті. Даний механізм впливу СПП на параметри каналу зв'язку необхідно враховувати при аналізі отриманих експериментальних даних. Надалі, поряд з можливим впливом іоносфери, розглянуто зміни статистичних характеристик прийнятого сигналу, як результат зміни його умов поширення в тропосфері.

Вплив варіацій метеорологічних параметрів тропосфери. Проходження через трасу поширення радіохвиль активних атмосферних фронтів може збільшувати нестійкість атмосфери. У роботі показано, що під час шести потужних СПП (більше 70% від загального числа розглянутих подій) метеоумов, які могли б впливати на параметри каналу зв'язку геостаціонарний супутник-земля, зареєстровано не було.

Вплив конденсаційних аерозолів. У результаті взаємодії високоэнергетичних сонячних протонів з молекулами атмосферних газів у верхній тропосфері можливо значне збільшення концентрації іонів і молекул гідрофільних з'єднань, що можуть бути ядрами конденсації для водяної пару навіть при відсутності пересичення [6]. Грунтуючись на даних про зміни висотного температурного профілю середньої й верхньої тропосфери [7] під час сильних СПП, зроблено оцінку розмірів водного аерозолю. Показано, що середній радіус часток аерозолю (0.2мкм) відповідає максимуму розподілу “Н” Димерджана для висотних і стратосферних аерозолів [8]. Аерозольний шар на висоті 8-10 км може викликати зміну висотного профілю температури за рахунок розсіяння частини сонячної енергії нагору. При цьому повітря під шаром, що розсіює, буде охолоджуватися, а над шаром - нагріватися. Наслідком цього є зміна висот ізобаричних поверхонь і збільшення загальної нестійкості атмосфери [9]. Потужні повітряні течії, що безупинно існують у тропопаузі, є бар'єром, що перешкоджає масопереносу із тропосфери в стратосферу та у зворотній бік. Однак внаслідок збільшення нестійкості атмосфери в тропопаузі можуть виникати умови, що сприяють прориву стратосферних повітряних мас через тропопаузу у верхню тропосферу [10]. Більші маси сухого повітря з нижньої стратосфери проникають на висоти 5-7км і нижче. Вміст води в повітрі, що перебуває в стратосфері на висотах більше 12 км, значно (в 3-6 разів) менше, ніж у повітрі, що перебуває у верхніх шарах тропосфери. Отже, навіть із урахуванням збільшення температури й щільності повітря, які будуть відбуватися в міру його опускання, індекс рефракції повітря, що вторгається, на 5-10 N-одиниць менше індексу рефракції навколишнього повітря. Інтенсивність сигналу в місці прийому, що перебуває за такими неоднорідністями, можна обчислити в наближенні френелівскої дифракції. Оцінки показують, що в цьому випадку флуктуації НВЧ сигналу можуть досягати 15-20%.

У висновках сформульовані основні результати досліджень.

ВИСНОВКИ

У роботі проведено експериментальне вивчення нового явища - впливу потужних СПП на поширення радіохвиль НВЧ діапазону в трансатмосферному каналі зв'язку.

Основні результати експериментальних і теоретичних досліджень поширення радіохвиль НВЧ діапазону на трасі геостаціонарний ШСЗ - Земля під час сонячних спалахових подій полягають у наступному:

Отримано статистичні характеристики прийнятого сигналу до, під час і після СПП різної інтенсивності. Виявлено, що спостережувані ефекти умовно можна розділити на два класи: ефекти, що спостерігаються під час слабких спалахів, коли щільність потоку високоенергетичних сонячних протонів (p.f.u.- proton flux units) на навколоземній орбіті збільшується менш ніж в 200..250 разів, та ефекти, що спостерігаються під час спалахів з p.f.u.>200..250, коли потік сонячних протонів у верхній тропосфері стає порівнянним з потоком галактичних космічних променів (ГКП), виміряний на тих же висотах.

Виявлено, що під час відсутності та під час слабких СПП із p.f.u.<200..250 закон розподілу флуктуацій НВЧ сигналу можна задовільно апроксимувати нормальним законом розподілу, що може служити підставою для припущення про існування в зоні, істотній для поширення радіохвиль, великої кількості порівнянних дрібномасштабних неоднорідністей. Через 6-8 годин після початку потужних СПП із p.f.u.>250 закон розподілу завмирань сигналу деформується та може бути апроксимовано залежністю P(о<Y) ~ Y4, що має місце для трас із невеликою (n < 3..5) кількістю локальних розсіювачів (інверсійних шарів, глобулярних неоднорідністей, плазмових факелів та ін.).

Вперше встановлено, що під час потужних СПП з p.f.u.>250 імовірність появи глибоких завмирань НВЧ сигналу “C” діапазону, випромененого з геостаціонарного супутника, видимого із точки прийому під малим (<5o) кутом місця, різко зростає. Імовірність появи завмирань глибиною 4-9 дБ збільшується в 5-10 разів у порівнянні з доспалаховим станом. За час 5-10 годин кількість завмирань досягає максимуму, а потім повільно зменшується й досягає доспалахових значень приблизно через дві доби після початку СПП.

Для визначення ступеня впливу СПП на параметри атмосфери вперше оцінено розмір часток аерозолю, що може утворюватися у верхній тропосфері на висотах 7-10км. Ядрами конденсації для такого аерозолю можуть бути іони, що утворяться в результаті взаємодії высокоенергетичних сонячних протонів з нейтральними молекулами атмосферних газів. Встановлено, що середній радіус часток аерозолю (близько 0.2мкм) відповідає максимуму розподілу Дейрмиджянa для висотних і стратосферних серпанків. Показано, що поява під час СПП у верхній тропосфері аерозольних шарів може впливати на енергетичний баланс тропосфери шляхом зменшення інтегрального потоку енергії від Сонця на величину 5-10%.

Проведено аналіз геофізичних ефектів, що потенційно впливають на статистичні характеристики досліджуваного сигналу. Показано, що вплив інверсійних шарів і глобулярних неоднорідністей, які можуть з'являтися у верхній тропосфері під час СПП, приводять до завмирань амплітуди НВЧ сигналу, що не перевищують 1-3 дБ. Ефект Фарадея, зміна електронної та іонної концентрації в іоносферних шарах E, Es, F, варіації ТЕС (total electron contents), пов'язані із впливом продуктів СПП на атмосферу Землі, можуть також приводити до завмирань амплітуди НВЧ сигналів, глибина яких не перевищує 1-2дБ.

СПИСОК ЦИТОВАНИХ ДЖЕРЕЛ

[1] Report ”Solar Proton Events Affecting the Earth Environment. January 1976 - November 22, 2003” // U.S. Department of Commerce, NOAA, Space Environment Center.

[2] Erkki T. Salonen, Jouni K. Terveonen, W. J. Vogel Scintillation Effects on Total Fade Distribution for Earth-Satellite Links //IEEE Antennas and Propagation - Jan 1996. - pp23-27.

[3] Fulks G.J. Solar modulation of galactic cosmic ray electrons, protons and alphas // J. Geophys. Res. - 1975 - v.80 - pp. 1701-1706.

[4] Горбач Н.В., Шарапов Л.И., Гутник В.Г. Особенности статистических характеристик радиоволн трехмиллиметрового диапазона при распространении над взволнованной морской поверхностью // Радиофизика и астрономия. - 2002. - Т.7, №1, - С5-10.

[5] Афраймович Э.Л., Астафьева Э.И., Бернгардт О.И., Демьянов В.В., Кондакова Т.Н., Лесюта О.С., Шпынев Б.Г. Среднеширотные амплитудные мерцания сигналов GPS и сбои функционирования GPS на границе аврорального овала. // Изв. Вузов. Радиофизика. - 2004. - №7. с

[6] Дас Гупта Н.Н., Гош С.К. Камера Вильсона и ее применение в физике // М.: Гос. Изд-во иностр. лит. - 1947.-162c.

[7] Пудовкин М.И., Дементьева А.Л.. Вариации высотного профиля температуры в нижней атмосфере во время солнечных событий // Геомагнетизм и аэрономия. - 1997.- Т. 37. - №3. - C.84-91.

[8] Айвазян Г.М. Распространение миллиметровых и суб-миллиметровых волн в облаках // Л: Гидрометеоиздат, 1991-479с.

[9] Мустель Э.Р. О реальности воздействия солнечных корпускулярных потоков на нижние слои земной атмосферы // Астрон. Совет АН СССР. Научные информации - вып. 24 -с. 5-55.

[10] Reiter R. Increased influx of stratospheric air into the lower troposphere after solar Hб and X-ray flares // J. Geophys. Res. - v.78 - p.6167.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

[11] Yu.V.Goncharenko, F.V.Kivva, V.G. Gutnik. Certain Features of UHF Propagation during Solar Proton Events // Geomagnetism and Aeronomy - 2006 - Vol. 46, - №2 -P.230-235.

[12] Шапиро А.А. Гончаренко Ю.В. Экспериментальные исследования распространения радиоволн в тропосфере в условиях солнечных вспышечных событий // Геомагнетизм и аэрономия. - 2003. - Т. 43, - №5, - С.669-672.

[13] Гончаренко Ю.В., Воронин А.А Радиометрический приемник для обнаружения слоистых неоднородностей в атмосфере // Вестник Харьковского Политехнического университета “ХПИ”. - 2002г - Т.5, - №9, - С. 21-24.

[14] Ківва Ф.В., Гончаренко Ю.В. Деякі моделі впливу сонячних спалахових подій на умови далекого тропосферного розповсюдження радіохвиль // Вісник Львів. ун-ту, серія Фізична. - 2003. - Вип.36 - С.128-133

[15] Кивва Ф.В. Гончаренко Ю.В. О размерах частиц атмосферного аэрозоля в отражающих слоях, появляющихся после сильных солнечных вспышек // Радиофизика и электроника. - 2002. - Т.7, - №3, - С. 509-512.

[16] Гончаренко Ю.В., Гутник В.Г., Кивва Ф.В. Экспериментальные исследования флуктуаций сигнала СВЧ диапазона во время солнечных протонных событий // Радиофизика и электроника. - 2005. - Т.10, - №1, - С.62-69

Матеріали конференцій:

[17] Kivva F., Goncharenko Yu. Evaluation of the atmospheric aerosol particle size in the reflective layer produced by strong solar flares // International conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (MMET'02). - 2002. - Р. 620-622

[18] Кивва Ф.В. Гончаренко Ю.В. Исследование воздействия сильных солнечных вспышек на структуру верхней тропосферы // Материалы 13-й международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. - Севастополь, - 2003. - С.781-783.

[19] Гончаренко Ю.В., Кивва Ф.В., Виленчик Л.С. Особенности тропосферного распространения радиоволн СВЧ диапазона во время солнечных протонных событий // Сборник докладов ХХI всероссийской конференции “Распространение радиоволн”. - Йошкар-Ола. - 2005. - С. 323-327.

Тези конференцій:

[20] Гончаренко Ю.В., Воронін А.А Радіометрична система для виявлення шаруватих неоднорідностей у тропосфері // Доповіді міжнародної науково-практичної конференції “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я”. - Харків. - 2002. - С.422-423.

[21] Кивва Ф.В., Гончаренко Ю.В. Дослідження змін параметрів каналу ДТП в умовах сонячних спалахових подій // Збірник тез всеукраїнської конференції ЕВРІКА. - 2002. - С.173-174.

АНОТАЦІЯ

Гончаренко Ю.В. Статистичні характеристики НВЧ сигналів на трансатмосферних трасах під час сонячних протонних подій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук, за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика - Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, Харків, 2006.

Дисертацію присвячено експериментальним дослідженням умов поширення радіохвиль НВЧ діапазону на трансатмосферних лініях зв'язку під час сонячних протонних подій різної інтенсивності.

Вивчено вплив сонячних протонних подій на статистичні характеристики прийнятого супутникового сигналу. Показано, що тільки потужні СПП, під час яких щільність потоку сонячних протонів збільшується більш ніж в 250-300 разів, впливають на параметри каналу зв'язку. Під час таких подій імовірність появи глибоких завмирань зростає в 5-10 разів щодо значень отриманих під час відсутності СПП.

Оцінено розмір часток водного аерозолю, що може утворюватися під впливом високоенергетичних протонів під час сильної сонячної протонної події й ступінь його впливу на висотний температурний профіль середньої й верхньої тропосфери.

Проведено аналіз геофізичних ефектів, що потенційно впливають на статистичні характеристики досліджуваного сигналу. Показано, що при використанні існуючих подань про атмосферні процеси, що відбуваються під час сонячних спалахів, розглянуті ефекти не роблять істотного впливу на параметри трансатмосферного каналу зв'язку.

Ключові слова: канал зв'язку, сонячні протонні події, сонячно-земні зв'язки.

сигнал супутниковий подія протонний

АННОТАЦИЯ

Гончаренко Ю.В. Статистические характеристики СВЧ сигналов на трансатмосферных трассах во время солнечных протонных событий. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук, по специальности 01.04.03 - радиофизика - Институт радиофизики и электроники имени А.Я. Усикова НАН Украины, Харьков, 2006.

Диссертация посвящена экспериментальным исследованиям условий распространения радиоволн СВЧ диапазона на трансатмосферных линиях связи во время солнечных протонных событий различной интенсивности.

Изучено влияние солнечных протонных событий на статистические характеристики принимаемого спутникового сигнала. Показано, что только мощные СПС, во время которых плотность потока солнечных протонов увеличивается более чем в 250-300 раз оказывают заметное влияние на параметры канала связи. Во время таких событий вероятность появления глубоких замираний возрастает в 5-10 раз относительно значений полученных в отсутствие СПС.

Обнаружено, что в отсутствие и во время слабых СПС с p.f.u.<250..300 закон распределения флуктуаций СВЧ сигнала можно удовлетворительно аппроксимировать нормальным законом распределения, что может служить основанием для предположения о существовании в зоне, существенной для распространения радиоволн, большого количества соизмеримых мелкомасштабных неоднородностей. Через 6-8 часов после начала мощных СПС с p.f.u.>250 закон распределения замираний сигнала деформируется и может быть аппроксимирован зависимостью P(о<Y) ~ Y4, имеющей место для трасс с небольшим (n < 3..5) количеством локальных рассеивателей

Для определения степени влияния СПС на параметры атмосферы впервые оценен размер частиц аэрозоля, который может образовываться в верхней тропосфере на высотах 7-10км. Ядрами конденсации для такого аэрозоля могут являться ионы, образующиеся в результате взаимодействия высокоэнергетичных солнечных протонов с нейтральными молекулами атмосферных газов. Установлено, что средний радиус частиц аэрозоля (r 0.2мкм) соответствует максимуму распределения Дейрмиджянa для высотных и стратосферных дымок. Показано, что появление во время СПС в верхней тропосфере аэрозольных слоев может оказывать влияние на энергетический баланс тропосферы путем уменьшения интегрального потока энергии от Солнца на величину 5-10%.

Проведен анализ геофизических эффектов, потенциально влияющих на статистические характеристики исследуемого сигнала. Показано, что при использовании существующих представлений о атмосферных процессах, происходящих во время солнечных вспышек, рассмотренные эффекты не оказывают существенного влияния на параметры трансатмосферного канала связи.

Ключевые слова: канал связи, солнечные протонные события, солнечно-земные связи.

ANNOTATION

Goncharenko Yu.V. Statistical characteristics of transatmospheric UHF signals obtained during strong solar proton events. - Manuscript.

Thesis in partial fulfillment of requirements for the Ph.D. degree in physics and mathematics, speciality 01.04.03 - Radiophysics. Usikov Institute of Radiophysics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, 2006.

Solar protonic events influence on statistic properties of received satellite signal has been studied. It has been shown that only powerful Solar proton events (SPE), when density of the Solar proton flow increases more than in 250-300 times, has essential influence on parameters of a communication channel. During such events probability of deep fadings occurrence increases in 5-10 relatively to values, obtained in absence of SPEs.

An averaged size of aerosol particles, arising in upper troposphere layers during powerful SPEs, has been estimated. It has been stated that averaged radius of the particles (r 0.2 мm) corresponds to the Demirjan distribution maximum for high-altitude and stratospheric hazes. It has been shown that aerosol layers occurrence in upper troposphere during SPEs may have influence on energetic balance of troposphere by decreasing of integral energy flow from the Sun on 5-10% magnitude.

Geophysics effects analysis having potential influence on statistic properties of the considered signal has been performed. It is shown, that in the framework of current conception about processes, taking place during Solar flare, the considering effects have no essential influence on parameters of the transatmospheric communication channel.

Key words: communication channel, solar proton events, solar-terrestrial connections.

Размещено на Allbest.ru