Яковлев О.И., Павельев А.Г., Матюгов С.С. Спутниковый мониторинг Земли:
Радиозатменный мониторинг атмосферы и ионосферы. Изд. стереотип.

Оглавление

Предисловие

В настоящее время актуально развитие и применение разных методов регулярного контроля состояния поверхности, атмосферы и ионосферы для всех районов Земли. Использование спутниковых радиометодов показало их высокую эффективность при глобальном мониторинге нашей планеты. Применяются три таких метода: радиолокация поверхности, использующая особенности отражения радиоволн, радиометрия, анализирующая тепловое излучения, и радиозатменный метод, применяющий просвечивание сред.

Эта книга посвящена спутниковому радиозатменному методу зондирования атмосферы и ионосферы Земли. Этот метод использует радиотрассы спутник–спутник, когда спутник – приемник сигналов заходит за горизонт по отношению к спутнику-передатчику. При движении спутников лучевая линия радиоволн осуществляет "разрез" ионосферы и атмосферы. Под влиянием этих сред происходят изменения амплитуды, частоты и фазы сигналов, что позволяет определять высотные профили температуры, давления, влажности, оценивать степень турбулентности и волновой активности атмосферы и находить распределение электронной концентрации в ионосфере. Цель книги – дать систематическое изложение задач, особенностей метода, результатов исследований и возможностей радиозатменного глобального мониторинга атмосферы и ионосферы.

В первой вводной главе дано краткое описание принципа радиопросвечивания сред на трассах спутник–спутник, изложены этапы развития этого метода исследования атмосферы и ионосферы и приведены краткие характеристики международной системы затменного мониторинга. Вторая глава посвящена теоретическому анализу особенностей распространения радиоволн через атмосферу и ионосферу на трассах спутник–спутник на основе лучевых представлений. Находятся выражения для изменений амплитуды, фазы, частоты и угла рефракции радиоволн.

Рассматривается обратная задача затменного радиопросвечивания сред, т. е. обосновывается метод определения атмосферных и ионосферных параметров по радиоданным. Показано, как по атмосферным или ионосферным изменениям сигналов определить угол рефракции радиоволн и далее найти высотные профили температуры или электронной концентрации ионосферы. В третьей главе рассматривается задача радиопросвечивания сред с использованием волновых представлений. Обсуждается ограниченность и выясняются условия применимости лучевых представлений. Показывается как по зарегистрированным значениям характеристик электромагнитного поля, т. е. по амплитуде и фазе волны найти угол рефракции и определить параметры сред. В этой главе затменное радиопросвечивание рассматривается как задача радиоголографии. Четвертая глава посвящена возможностям и результатам изучения атмосферных характеристик: дается оценка достигнутой точности определений высотного профиля температуры, описываются возможности изучения турбулентности и атмосферных волн. В пятой главе рассмотрены возможности радиозатменного мониторинга ионосферы: показано как по ионосферным изменениям сигналов на трассах спутник–спутник определяются высотный профиль электронной концентрации, находятся параметры спорадических структур и мелкомасштабной неоднородности плазмы. В краткой шестой главе проанализированы особенности отражения радиоволн поверхностью Земли.

Необходимо отметить, что в новом направлении исследований часто используются для одних и тех же понятий разные термины: "радиозатменный метод", "радиопросвечивание" и "радиоголография". Мы будем использовать эти термины как синонимы, подразумевая всегда, что речь идет о просвечивании сред на трассах спутник–спутник.

Авторы – совместно с коллегами в 1971–1984 гг. осуществили радиозатменные исследования атмосфер и ионосфер Марса и Венеры с помощью искусственных спутников планет МАРС-2, 4, 6 и ВЕНЕРА-9, 10, 15, 16. В 1990–1998 гг. мы использовали трассы орбитальная станция МИР – геостационарные спутники для изучения возможностей затменного метода мониторинга атмосферы и ионосферы Земли. В metricconverterProductID2001аг2001 г. нам представилась возможность продолжить радиозатменные исследования, когда благодаря усилиям германских специалистов, был создан исследовательский спутник CHAMP, который принимал сигналы навигационных спутников GPS. Радиозатменная система CHAMP – GPS позволила получить большой экспериментальный материал затменного мониторинга атмосферы и ионосферы. Создание другой затменной системы COSMIC/FORMOSAT – GPS способствовало международному сотрудничеству специалистов разных стран, развитию и внедрению в практику результатов этого нового метода глобального мониторинга атмосферы и ионосферы.

Мы выражаем благодарность руководителям радиозатменных миссий CHAMP и COSMIC доктору Й. Викерту – Центр геофизических исследований (Германия, Потсдам) и профессору И. Лиу – директору Центра дистанционного зондирования и космических исследований (Тайвань, Тайпей) за предоставление радиоданных и плодотворное сотрудничество. Мы благодарны также О. М. Ракитиной и В. А. Ануфриеву за помощь при подготовке текста и изготовлении рисунков.

Об авторах

Яковлев Олег Изосимович

Профессор, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, лауреат двух Государственных премий СССР.