- Разработаны новые методы расчета и алгоритмы построения решения задач распространения радиоволн ДВ и СДВ диапазонов в трехмерном горизонтально-неоднородном волноводном канале Земля-ионосфера.
- Разработан метод миграционного преобразования с использованием параксиальной аппроксимации для восстановления параметров сейсмической среды.
- Промоделировано состояние нижней ионосферы (области C и D) на основе развития классической модели, принятой в качестве государственного стандарта
- Оценена чувствительность климатической системы к вариациям солнечной активности.
Исследованы температурные данные (база данных http://www.columbia.edu) со станций, распределенных географически по всей планете. Изучается вопрос о возможном воздействии внешних факторов на климат Земли (вулканической деятельности и солнечной активности). Использованы современные методы поиска квазипериодических сигналов: вейвлет и кросс-вейвлет анализ, разложение по эмпирическим модам (EMD).
- Проведены исследования нижней ионосферы в условиях внезапных ионосферных возмущений (ВИВ), вызываемых солнечными вспышками. Осуществлен анализ внезапных фазовых аномалий (ВФА) сигналов в диапазоне СДВ на протяженных трассах распространения. Проведено исследование высотного распределения электронной концентрации для условий ВИВ, а также и для спокойных условий.
Количественно исследовано сильное аномальное возмущение ионосферы от 30 апреля 1992 г. Анализ показал, что эффективная высота спорадического D-слоя ионизации изменяется от невозмущенного состояния 60 км до максимально возмущенного 40 км, что на 5 км ниже, чем аномально низкое значение эффективной высоты в случае вторжения протонов. Модуль коэффициента отражения 1-ого ионосферного луча при описываемом возмущении уменьшился почти в 2 раза. При вторжении протонов он в пределах погрешностей анализа остается постоянным.
Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики
Для повышения точности дистанционного зондирования атмосферы в результате работ по проекту создана усовершенствованная наземная спектроскопическая аппаратура для измерений рассеянного в зенит солнечного УФ и видимого излучения для определения общих содержаний озона и двуокиси азота. Аппаратура работает в автоматическом режиме, что позволяет в течение светового дня осуществлять непрерывный мониторинг атмосферы (до 1500 измерений в день).
На основе разработанных алгоритмов и программ интерпретации измерений спектров нисходящего теплового излучения атмосферы создано специализированное программно-математическое обеспечение (ПМО).
Новая априорная информация для реализации спутниковых методов измерений различных параметров атмосферы создана на основе использования многочисленных натурных измерений вертикальных профилей температуры, влажности и содержания озона.
Радиационные модели атмосферы в различных областях спектра основаны на данных измерений в лабораторных и натурных условиях и теоретическом моделировании процессов переноса излучения в земной атмосфере.
Для получения новых данных о температурном режиме атмосферы, газовом и аэрозольном составе широко использовались данные измерений различных российских и международных спутников.
Алгоритмы решения обратных задач атмосферной оптики (интерпретация данных измерений прибора SAGE III и восстановление микрофизических параметров стратосферного аэрозоля и полярных стратосферных облаков) используют апробированный метод статистической регуляризации.
Определение общего содержания озона по данным измерений космического прибора SEVIRI осуществлено на основе синергетического использования различной информации об уходящем излучении Земли и данных о температурном состоянии атмосферы и поверхности (измерения спутникового прибора AIRS). При решении обратной задачи использовался метод искусственных нейронных сетей. Предложенные алгоритмы протестированы на реальных данных спутниковых измерений.
Для изучения физических параметров средней атмосферы используется новый оригинальный комплексный метод интерпретации, учитывающий нарушения локального термодинамического равновесия (ЛТР).
Для определения достоверности (валидации) результатов дистанционного спутникового зондирования параметров атмосферы широко привлекались независимые наземные (радиозонды, озонозонды, лидары и т.д.) и спутниковые измерения международных космических программ.
Для задания фоновых атмосферных полей при изучении тропосферно-стратосферного обмена использованы атмосферные модели, а также результаты реанализа метеорологических данных. При выполнении исследований вертикальных потоков озона в тропо-стратосфере использованы одновременные измерения японским МУ-радаром и озонозондами в Шигараки, Япония, в апреле 1998 г.
Для изучения характеристик аэрозоля использовано уникальное оборудование для измерения оптических свойств обводненной фракции дымового аэрозоля, не имеющее мировых аналогов.
При изучении изменений климата Земли использованы различные современные численные методы анализа рядов данных.
При изучении состояния ионосферы использован исходный экспериментальный материал из банка данных о 800 событиях ВФА, зарегистрированных в Инубо (Япония) для сигналов радиостанций G, C радионавигационной системы “Омега” на частоте 13.6 кГц. Банк дополнен аналогичными данными, полученными на трассе Новосибирск – Краснодар по сигналам системы “Альфа” на частоте 11.9 кГц (около 600 событий).
Степень внедрения
Результаты исследований содержания озона, двуокиси азота и характеристик аэрозолей, полученных в ходе выполнения российско-американского космического эксперимента с аппаратурой SAGE III, переданы для использования различные организации РАН и Гидрометеослужбы РФ (ИФА РАН, НИЦ «Планета», ГГО и т.д.). Для пользователей создан специальный сайт в Интернете с соответствующей базой данных. Полученные в СПбГУ данные использовались в международной программе по анализу качества различных дистанционных методов и различной аппаратуры.
Новые данные о пространственно-временных вариациях интегральных параметров стратосферного аэрозоля переданы в ряд организаций для проверки и совершенствования численных моделей атмосферы (Российский гидрометеорологический университете, ИФА РАН, ГГО, Институт метеорологии Макса Планка, ФРГ и т.д.).
Разработанный метод описания нелинейной динамики электромагнитного импульса в волноводном канале, характеризующемся сильной неоднородностью в поперечном сечении, слабой неоднородностью в продольном направлении и слабой пространственной кривизной, доведен до уровня методики, позволяющей рассчитывать параметры электромагнитных импульсов в среде, зависимость диэлектрической проницаемости которой имеет различные масштабы в продольном направлении и в поперечном сечении волноводного канала. Упрощенная модель слабой продольной неоднородности доведена до программного модуля, с помощью которого проведены расчеты формы огибающей чирпированного импульса. Разработанные модели доведены до программной реализации. Соответствующие программные модули могут быть использованы в других исследованиях по смежным вопросам.
Основные результаты исследований введены в курсы лекций для бакалавров и магистров («Введение в теоретическую атмосферную оптику», «Физические основы дистанционных измерений», «Экспериментальные методы атмосферной динамики», «Физика магнитосферы», «Радиофизические методы исследования ионосферы»).
Рекомендации по внедрению
Новые данные по состоянию озоносферы в 2002-2005 гг. рекомендуется использовать для анализа процессов восстановления озонного слоя Земли, совершенствования численных моделей озоносферы, осуществления прогнозов динамики озонного слоя, подготовке национальных документов для международных организаций (ООН, ВМО и т.д.).
Данные наземного мониторинга содержания озона и двуокиси азота рекомендуется использовать для проверки моделей тропосферной химии, совершенствования численных моделей атмосферы, анализа загрязнений в северо-западном регионе России, создания сценариев антропогенного влияния на газовый состав атмосферы, сопоставления с локальными измерениями, валидации результатов международного спутникового мониторинга атмосферы. На основе полученных результатов создается база данных для передачи в научные учреждения, специализирующиеся на проблемах исследования атмосферной динамики, химии и климата, а также на проблемах дистанционного зондирования атмосферы со спутников.
Новые данные по микрофизическим характеристикам стратосферного аэрозоля рекомендуется использовать для анализа трендов фонового стратосферного аэрозоля, влияния на озоносферу антропогенных факторов, совершенствования численных атмосферных моделей и прогнозов изменений климата Земли.
Исследования по тропосферно-стратосферному обмену могут использоваться при разработке и совершенствованию моделей общей циркуляции атмосферы.
Результаты лабораторных исследований микрофизических и оптических характеристик атмосферного аэрозоля рекомендуется использовать в радиационных моделях атмосферы и оценках радиационного воздействия сажевого аэрозоля на погоду и климат Земли.
Полученные результаты по описанию нелинейной динамики электромагнитного импульса в волноводном канале могут быть применены для исследования электромагнитных волновых процессов любого диапазона, если только среда распространения может быть охарактеризована двумя различными масштабами неоднородности в двух взаимно ортогональных направлениях. Разработанная методика аналитического описания нелинейных волновых процессов в средах с различными масштабами неоднородности представляет несомненный интерес с точки зрения фундаментальной подготовки специалистов-физиков и будет включена в спецкурсы по теории волн, читаемые студентам кафедры радиофизики.