XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
1
Scyntylacje jonosferyczne a pogoda kosmiczna
Andrzej W. WernikCentrum Badań Kosmicznych PAN, Warszawa
Scyntylacje jonosferyczne a pogoda kosmiczna
Andrzej W. WernikCentrum Badań Kosmicznych PAN, Warszawa
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
2
Amerykański Program Pogody Kosmicznej wymienia pośród priorytetowych zadań zrozumienie:
• związków między termosferą, jonosferą i magnetosferą, które mają wpływ na powstawanie i ewolucję nieregularności koncentracji plazmy o rozmiarach od 10 km do 50 m i które wywołują scyntylacje
• związków między tymi nieregularnościami i wpływem scyntylacji na określone systemy [nawigacji, łączności itp.]
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
3
Co to są scyntylacje?
2
2224
I
IIS
Typowe odbiorniki gubią sygnał gdy C/N0 <27-28 dB
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
4
Najważniejsze wydarzenia w historii badań scyntylacji
Hey, Parsons i Phillips, 1946
Odkrycie fluktuacji radioźródeł
Booker, Ratcliffe i Shinn, 1950; Hewish, 1952; Ratcliffe, 1956
Teoria dyfrakcji na ekranie fazowym i pierwsza praca przeglądowa na jej temat
1957 Umieszczenie na orbicie pierwszego sztucznego satelity Ziemi wyposa-żonego w nadajnik emitujący koherentne sygnały
Kent, 1959; Yeh i Swenson, 1959
Pierwsze publikacje w ogólnodostępnej literaturze na temat scyntylacji sygnałów radiowych sztucznych satelitów
Tatarski, 1959, 1960; Chernov, 1960
Ścisła teoria propagacji fal w ośrodkach statystycznie niejednorodnych
Craft i Westerlund, 1972 Odkrycie scyntylacji jonosferycznych na częstotliwościach 4 i 6 GHz
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
5
Parametry scyntylacji i co one mówią o nieregularnej strukturze jonosfery
Parametry scyntylacji Parametry nieregularności
Wysokoczęstotliwościowa część widma amplitudy scyntylacji
Kształt widma nieregularności o rozmiarach od
rozmiarów I strefy Fresnela z do V0/fmax, gdzie jest długością fali, z – jest odległością między odbiornikiem i warstwą nieregularną, V0 – jest prędkością skanowania nieregularności wiązką sygnału i fmax jest maksymalną częstotliwością w widmie scyntylacji
Widmo scyntylacji fazy Kształt widma nieregularności o rozmiarach od V0/fmin do V0/fmax, gdzie fmin i fmax są, odpowiednio, maksymalną i minimalną częstotliwością w widmie scyntylacji
Maksimum na częstotliwości Fresnela w widmie scyntylacji amplitudy
Prędkość skanowania V0, a jeżeli prędkość skanowania jest znana to transwersalna prędkość dryfu nieregularności lub odległość do warstwy nieregularnej, w założeniu, że drugi parametr jest znany lub założony
Kształt niskoczęstotliwościowej części widma scyntylacji amplitudy
Kształt nieregularności (stopien ich wydłużenia w kierunku pola magnetycznego)
Funkcja koherencji wzajemnej Wariancja fluktuacji koncentracji elektronów scałkowanej wzdłuż drogi propagacji iskala zewnętrzna turbulencji (o ile znana jest prędkość skanowania)
Analiza korelacyjna sygnałów odbieranych na rozstawionych antenach
Średnia prędkość dryfu, jej wariancja istopień wydłużenia nieregularności
Współczynnik scyntylacji i wariancja fazy
Intensywność i morfologia nieregularności
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
6
After K. Groves, Monitoring Ionospheric Scintillation with GPS, Colloquium on Atmospheric Remote Sensing using GPS, 20.06-2.07.2004, Boulder, CO,
After S. Datta-Barua et al.
Wpływ scyntylacji na pomiary GPS
L1 – 1575.42 MHz (19.05 cm)
L2 – 1227.60 MHz (24.45 cm)
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
7
Zniekształcenie impulsu GPS wywołane scyntylacjami
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
8
Głębokość zaniku sygnału w paśmie L
Basu, Su. et al., Radio Sci., 23, 363, 1988
Mapy zaników sygnału w okresie maksimum i minimumaktywności słonecznej
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
9
Związek scyntylacji z „obłokami” koncentracji elektronów
Coker, C. et al., Radio Sci., v. 39, RS1S15,doi:10.1029/2002RS002833,2004
De Francesci, G. et al., JASTP (in print)
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
10
Nieregularności równikowe
powyżej 350 km p 1 dla kilometrowych nieregularności i p 3.2 dla nieregularności metrowych
pojawiają się zaraz po zachodzie Słońca, gdy prędkość wznoszenia się jonosfery przekracza 15-20 m/s (w okresie maksimum aktywności Słońca 30-45 m/s)
tworzą struktury przypominające pióropusze osiągające wysokość ponad 1000 km
scyntylacje są obserwowane jeżeli grubość warstwy z nieregularnościami jest wystarczająco duża
zmiany sezonowe i z długością geograficzną (w Huancayo maksymalna częstość występowania w okresach równonocy i w grudniu, w Kwajalein – latem)
w kierunku pionowym forma falowa nieregularności przypomina szoki; w poziomie forma falowa jest sinusoidalna lub przypadkowa
poniżej 300 km 1D p 2 dla nieregularności o rozmiarach 1-10 km i p 2.6 dla rozmiarów 200-700 m
duże (pierwotne) nieregularności są generowane niestabilnością Rayleigh’a-Taylor’a instability mechanism; mniejsze nieregularności są generowane w hierarchii niestabilności, z których najważniejsze są niestabilności ExB i dryfowa
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
11
Nieregularności na dużych szerokościach
zimą widma mocy w czapie polarnej są bardziej płaskie; czas życia unoszonych konwekcją struktur jest długi i dynamika nieregularności zależy od dynamiki magnetosfery
szeroki zakres rozmiarów nieregularności od setek km do kilku cm o wyjątkowej dynamice związanej z ruchem konwekcyjnym kontrolowanym międzyplanetarnym polem magnetycznym
w obszarze kaspu i nocnej części owalu zorzowego, niejednorodności strumienia wysypujących się cząstek generują struktury o rozmiarach większych niż około 50 km
w sprzyjających warunkach struktury te są niestabilne i, w rezultacie oddziaływań fala-fala i kaskad typowych dla turbulencji, mogą powstawać mniejsze nieregularności
wielkoskalowe struktury mają długi czas życia i konwekcja może je przenosić na duże odległości
konwekcja odgrywa większą rolę na półkuli zimowej
w lecie, duże przewodnictwo elektryczne obszaru E spowalnia tempo narastania niestabilności i umożliwia dyfuzję plazmy w kierunku poprzecznym do pola magnetycznego; w rezultacie małe struktury znikają wkrótce po utworzeniu i nieregularności w czapie polarnej mają małą amplitudę a ich widma są strome
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
12
Model scyntylacji jonosferycznych WBMOD
• Brasilia
• Dar es Salaam
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
13
Model scyntylacji na dużych szerokościach wykorzystujący pomiary in situ DE-2
Dane satelitarne: N, Ns, hs, dd, t
Model rozkładu koncentracji elektro-nów: Ne (, dd, t, Kp , IMF etc.)
Parametry geofizyczne: Kp , IMF etc. (dd, t)
N/N=const
p=const
Model ekranu fazowego
Kształt nieregularności
Parametry scyntylacji fazy i amplitudy: S4 itp.
Maksymalna koncentracja, odpowiadająca jej wysokość, grubość warstwy nieregularnej
Mapy S4
Widma mocy: p i Cs
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
14
Przykład
)2/12/(/)12/(8 10
22/3 ppqNC pss
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
15
Parametr intensywności turbulencji
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
16
Dobowe zmiany scyntylacji
Su. Basu et al., Radio Sci, v. 20, 347, 1985
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
17
SCIntillation Network Decision Aid (SCINDA)
SCINDA jest programem komputerowym przy pomocy którego będzie możliwe przewidywanie przerw w łączności satelitarnej nad równikiem wywołanych scyntylacjami jonosferycznymi
Automatycznie mierzone i zapamięty-wane są scyntylacje na dostępnych łączach satelitarnych oraz dryf jonosferyczny. Dane te odzyskiwane są co 15 minut i wykorzystywane wraz z empirycznym modelem dynamiki nieregularności równikowych do konstruowania map obszarów w których istnieje zagrożenie zakłóceniami wywołanymi scyntylacjami.
Groves, K.M. et al., Radio Sci., 32, 2047-2064, 1997
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
18
Wnioski
Teoria scyntylacji jest wystarczająco zaawansowana
Pomiary scyntylacji z powodzeniem mogą być używane do badania
nieregularnej struktury jonosfery
Jednoczesny odbiór sygnałów GPS w kilku punktach pozwala na badanie
zmian czasowo-przestrzennych nieregularności jonosferycznych
Konieczne jest doskonalenie modeli klimatycznych scyntylacji, zarówno opartych pomiarach scyntylacji jak i satelitarnych
Systemy typu SCINDA pozwolą na prognozowanie scyntylacji niemal w czasie rzeczywistym
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
19
Dziękuję za uwagę
XII Spotkania Bieszczadzkie, Dwerniczek, 14-17 czerwca 2007
20
1 2
2
2 2
Niestabilność Rayleigha-Taylora
Warunek konieczny:
g·n0 < 0
Tempo narastania:
=g/Lin