ИСТИНА

Предложена модель мелкомасштабных флуктуаций показателя преломления тропосферы и нижней стратосферы, обобщающая ранее опубликованные данные экспериментальных наблюдений и теоретического моделирования. Проведено численное моделирование распространения радиосигналов глобальной спутниковой системы GPS с учетом флуктуаций показателя преломления в тропосфере и нижней стратосфере. Оценены ошибки восстановления высотного профиля показателя преломления нижней атмосферы радиозатменным методом. Проведено моделирование скользящего отражения радиоволн от спорадических слоев ионосферы. Рассмотрено влияние мелкомасштабных флуктуаций плотности ионосферной плазмы. В настоящее время большое распространение для исследования вертикальных профилей рефракции тропосферы и нижней стратосферы получил радиозатменный (рефрактометрический) метод [1]. К числу причин осложняющих его практическое применение, относится отражение волн от шероховатой земной поверхности, а также различные факторы, нарушающие справедливость приближения геометрической оптики (ГО) для описания распространения радиоволн в атмосфере и ионосфере. В число объектов, нарушающих указанное приближение, входят мелкомасштабные случайные неоднородности тропосферы и ионосферы, инверсии температуры в приземном слое атмосферы, аномальные распределения влажности, спорадические слои области E ионосферы и другие нерегулярные образования. Целью настоящей работы является моделирование рассеяния радиосигналов радионавигационных систем на таких объектах с учетом эффектов дифракции и анализ их влияния на ошибки реконструкции высотных профилей метеопараметров по данным радиозатменных экспериментов. Как тропосфера, так и нижняя стратосфера Земли характеризуется сложной неоднородной структурой поля коэффициента преломления, обусловленной целым рядом факторов, в том числе турбулентностью воздушных течений в атмосфере, неравномерным распределением водяного пара в атмосферном воздухе, орографическими возмущениями ветровых потоков и т.д. и т.п. Сделанные в различное время теоретические и экспериментальные оценки [2,3] перечисленных возмущений регулярной атмосферы позволяют сделать вывод о наличии в тропосфере и нижней стратосфере широкого спектра неоднородностей с характерным пространственным масштабом сотни метров - единицы километров, что сравнимо с размером зоны Френеля для диапазона длин волн, используемых в системе GPS и подобных. Абсолютная величина значения возмущения регулярного показателя преломления, связанная с указанными неоднородностями, может достигать нескольких N-единиц, что составляет единицы процентов от характерных значений регулярного показателя преломления земной атмосферы. С появлением в последнее время мелкомасштабных наземных сетей приемников GPS были опубликованы первые реконструкции трехмерной структуры неоднородного распределения водяного пара в атмосфере [4]. Систематического исследования влияния мелкомасштабной структуры нижней атмосферы на характеристики распространения сигналов по касательным трассам до сих пор не проводилось. Методы теории переноса излучения также не позволяют получить простого решения для углового распределения интенсивности излучения в связи с пространственно-неоднородными статистическими характеристиками неоднородности коэффициента преломления и наличием регулярной рефракции. С другой стороны, элементарные оценки на основе малоуглового приближения теории переноса излучения дают значение оптической толщины неоднородной атмосферы вдоль касательной трассы порядка нескольких единиц, в то время как характерные углы рассеяния излучения могут оказаться сопоставимы с углами регулярной рефракции. Этот факт согласуется с хорошо известными трудностями наблюдения нижних слоев атмосферы радиозатменным методом в связи со значительными флуктуациями амплитуды и фазы сигнала, частично связанными также и с рассеянием сигналов на сложном рельефе поверхности Земли. По этим причинам, исследование вопроса в настоящее время является весьма актуальным [5]. В докладе на основе большой совокупности ранее опубликованных данных построена модель неоднородного поля коэффициента преломления тропосферы и нижней стратосферы. Для построенной модели неоднородной среды решено параболическое уравнение дифракции в параксиальном приближении. Показано, что влияние мелкомасштабной неоднородности не описывается приближением геометрической оптики, и большую роль в распространении сигнала играют дифракционные эффекты. Флуктуации амплитуды сигнала за счет рассеяния в нижней атмосфере весьма значительны и сравнимы с флуктуациями, созданными ионосферой. В то же время, эти флуктуации не приводят к полному разрушению когерентной структуры сигнала на расстоянии орбиты типичного низкоорбитального спутника. Проведено моделирование рассеяния сигналов на спорадических слоях ионосферы. Показано, что на частотах сигналов GPS диффузное малоугловое рассеяние преобладает над квазизеркальным отражением волны даже при малых скользящих углах (рис. 1). Вопрос о влиянии рассеяния на рельефе поверхности, не затронутый в настоящей работе, остается пока открытым. Рис. 1. Отражение радиоволн от спорадического слоя Es при скользящем падении. Длина слоя 50 км, толщина слоя 500 м, максимальная плотность возмущения плазмы 1012 электронов/м3. Рис. 2. Возмущение вертикального профиля показателя преломления регулярной слоистой атмосферы в приподнятом циклоне (реконструкция радиозатменным методом, численная модель). Сплошная кривая – моделирование параболическим уравнением дифракции, пунктирная кривая – приближение геометрической оптики (ГО), штрихпунктирная кривая – исходное возмущение показателя преломления. Большая погрешность вблизи поверхности (сплошная кривая) обусловлена влиянием дифракции на лимбе. Проделано моделирование распространения сигналов GPS по касательным трассам при наличии неоднородности регионального масштаба (модель приподнятого циклона) в приближении геометрической оптики (ГО) и параболического уравнения дифракции. Показана возможность образования каустик, обусловленных наличием неоднородности. Проведены модельные реконструкции вертикальных профилей показателя преломления в приближении локальной сферической симметрии атмосферы (рис. 2). Оценена точность восстановления распределения показателя преломления в приподнятом циклоне. Настоящая работа была частично поддержана грантами РФФИ 05-05-65145 и 06-05-64988. Список литературы [1] Phinney, R. A., Anderson, D. L. On the radio occultation method for studying planetary atmospheres. J. Geophys. Res., 1968, 73, p.1819-1827. [2] J. Y. N. Cho and R. E. Newell Anomalous scaling of mesoscale tropospheric humidity fluctuations. Geophys. Res. Lett. GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, 2000, 27, p. 377-380. [3] van de Kamp, M. M. J. L., Tervonen, J. K., Salonen E. T., and Poiares Baptista J. P. V. Improved Models for Long-Term Prediction of Tropospheric Scintillation on Slant Paths.IEEE Trans. Ant. And Prop. 1999, 47, p. 249 [4] Braun, J.J, Rocken, C. Water vapor tomography within the planetary boundary layer using GPS. International Workshop on GPS Meteorology - GPS Meteorology: Ground-Based and Space-Borne Applications - Tsukuba, Japan, 2003. [5] Ilyushin Ya.A. Fluctuations of the GPS signals on the tangential paths in the low terrestrial atmosphere: influence of the small-scale structure. J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. (accepted for publication)