Риометрический способ определения жёсткости геомагнитного обрезания

Изобретение относится к способам определения «жесткости геомагнитного обрезания» (ЖГО) - одного из геофизических параметров, который используется для мониторинга радиационной обстановки и распространения коротких радиоволн в магнитосфере и ионосфере высоких авроральных широт после мощных солнечных вспышек в период повышенного аномального поглощения радиоволн в полярных районах (в период так называемого «Поглощения типа Полярной Шапки» - ППШ). Риометрический способ определения жесткости геомагнитного обрезания содержит этапы, на которых измеряют поглощение с помощью риометра на выбранной станции авроральной зоны с одновременным измерением интенсивности потоков солнечных протонов с помощью детекторов, установленных на геостационарном спутнике, рассчитывают известным методом поглощение радиоволн, сравнивают это значение с измеренным и в случае их несовпадения увеличивают значение нижней границы энергетического спектра потоков солнечных протонов, производят новый расчет поглощения, повторяя процедуру до совпадения расчетного поглощения с измеренным, и в этом случае значение нижней границы энергетического спектра потока солнечных протонов пересчитывают известным способом в единицы жесткости. Технический результат - получение более точных и оперативных значений ЖГО для исследования ППШ. 2 ил.

 

Предлагаемый риометрический способ относится к способам определения «жесткости геомагнитного обрезания» (ЖГО) - одного из геофизических параметров, который используется для мониторинга радиационной обстановки и распространения коротких радиоволн в магнитосфере и ионосфере высоких авроральных широт после мощных солнечных вспышек в период повышенного аномального поглощения радиоволн в полярных районах (в период так называемого «Поглощения типа Полярной Шапки» - ППШ). ЖГО характеризуется минимальной энергией спектра потоков солнечных протонов, проникающих в рассматриваемую точку магнитосферы.

В настоящее время используют 3 способа определения ЖГО: траекторный, спутниковый и ракетный.

Известен траекторный способ определения ЖГО [1, 2, 3], при котором рассчитывают траектории движения в модели магнитосферы солнечных протонов различных энергий, проникающих в рассматриваемую точку, выбирают протоны с минимальной энергией и пересчитывают энергию в единицы жесткости.

Недостатком траекторного способа является неточность значений ЖГО на высотах около 70 км (высоты формирования основного слоя поглощения ППШ [4]), вследствие того что в модельной магнитосфере не учитываются процессы, влияющие в реальной магнитосфере на динамику солнечных протонов и на величину ЖГО на этих высотах [3].

Известен также спутниковый способ определения жесткости геомагнитного обрезания [5, 6, 7, 8], при котором во время ППШ детекторами, установленными на спутнике с полярной орбитой, измеряют интенсивность потоков солнечных протонов в различных диапазонах энергий в определенной точке орбиты спутника, выбирают потоки протонов с минимальной энергией и пересчитывают энергию в единицы жесткости.

Основным недостатком спутникового способа является невозможность получить ЖГО на высоте около 70 км, вследствие того что спутниковые значения ЖГО определяются на полярных спутниках с высотой орбиты около 800 км [9]. Вторым недостатком спутникового метода являются большие временные интервалы между моментами определения значений ЖГО над рассматриваемым пунктом (через 6-8 часов), что обусловлено периодом движения полярного спутника по орбите и прецессией орбиты [9].

Известен также ракетный способ определения ЖГО [5, 8], при котором в период ППШ детекторами, установленными на метеорологической ракете, измеряют интенсивность потоков солнечных протонов в различных диапазонах энергий в определенной точке на рабочем отрезке траектории движения ракеты, который находится на высотах 50-90 км, выбирают потоки протонов с минимальной энергией и пересчитывают энергию в единицы жесткости.

Недостатком ракетного способа является большая временная дискретность в получении значений ЖГО, так как вследствие высокой стоимости ракетное зондирование проводится с большими интервалами (часы, дни, недели) и не всегда совпадает с явлениями ППШ.

Цель предлагаемого риометрического способа [10] заключается в том, чтобы получать значения ЖГО на высоте около 70 км (высота формирования основного слоя поглощения ППШ [4]), которые позволяют более точно и оперативно (в режиме близком к реальному времени) исследовать морфологию явлений ППШ на авроральных широтах, чем это возможно при наличии значений ЖГО, полученных указанными выше способами.

Для решения задачи повышения точности необходимо получить величины ЖГО, которые удовлетворяют следующим требованиям: соответствовать геомагнитной широте, на которой расположена станция; соответствовать высоте около 70 км, где располагается слой, обуславливающий наибольшее поглощение во время ППШ; учитывать факторы, влияющие на ЖГО на этой высоте. Для решения задачи повышения оперативности необходимо обеспечить определение ЖГО через короткие временные интервалы.

Описанные выше аналоги предлагаемого риометрического способа не позволяют определять значения ЖГО, удовлетворяющие в полной мере перечисленным требованиям (по высоте, учету особенностей динамики солнечных протонов на малых высотах и оперативности получения значений ЖГО).

Технический результат предлагаемого риометрического способа состоит в определении значений ЖГО на высоте около 70 км с учетом влияния на ЖГО всех факторов, от которых зависит динамика потоков протонов на этой высоте, а также в сокращении (до нескольких минут) временных интервалов между моментами определения значений ЖГО.

Указанный технический результат достигается тем, что для определения ЖГО используются данные непрерывных измерений поглощения ППШ риометрами, установленными на авроральных станциях [4], и данные непрерывных измерений потоков солнечных протонов детекторами, установленными на геостационарных спутниках [8].

Использование данных по поглощению ППШ связано с тем, что для исследования ППШ необходимо знать величину ЖГО на высотах около 70 км с учетом тех особенностей динамики солнечных протонов в реальной магнитосфере на этих высотах, которые влияют на величину ЖГО. Кроме того, непрерывные наблюдения поглощения обеспечивают возможность более частого определения значений ЖГО.

Использование данных по интенсивности потоков солнечных протонов связано с необходимостью определения расчетного поглощения ППШ, которое сопоставляется с измеренным, что составляет основу предлагаемого риометрического метода.

Связь между поглощением ППШ и ЖГО объясняется следующим образом. Значение ЖГО характеризует нижнюю границу диапазона энергетического спектра потоков солнечных протонов, который ионизует атмосферу на высотах около 70 км. Диапазон энергетического спектра и интенсивность потоков каждой энергии обуславливают величину поглощения ППШ. При увеличении (уменьшении) ЖГО диапазон ионизующего спектра уменьшается (увеличивается), что соответственно вызывает уменьшение (увеличение) поглощения. На авроральных широтах ЖГО в течение суток меняется. Суточная вариация ЖГО имеет наибольшие значения в местные дневные часы. Поэтому на авроральных станциях поглощение ППШ в местные дневные часы уменьшается. Такое понижение поглощения называется эффектом полуденного восстановления [4]. Таким образом, при наличии риометрических данных по поглощению во время ППШ с эффектом полуденного восстановления можно определить значения суточной вариации ЖГО на рассматриваемой авроральной станции.

Для решения указанных задач по определению значений ЖГО, которые можно использовать при исследовании ППШ, предлагается риометрический способ, не содержащий ни один из существенных признаков рассмотренных выше способов.

Основные принципы предлагаемого риометрического способа заключаются в сопоставлении измеренных значений поглощения ППШ с расчетными и в подборе значений нижней границы диапазона энергетического спектра потоков солнечных протонов, используемого при расчетах поглощения ППШ. При совпадении расчетного поглощения с измеренным значение энергии нижней границы спектра рассматривается как искомая величина ЖГО (после пересчета энергии в единицы жесткости).

Предлагаемый риометрический способ реализуется следующим образом. Во время ППШ на выбранной высокоширотной авроральной станции риометром измеряют значение поглощения в определенный момент местного времени в период эффекта полуденного восстановления. В этот же момент времени детекторами, установленными на геостационарных спутниках, измеряют интенсивность потоков солнечных протонов в диапазоне энергий от минимальных (Емин) до максимальных (Емакс) значений. Данные по потокам протонов во всем диапазоне энергий вводят в формулу (1) и далее по формулам (2)-(5) приведенного ниже алгоритма вычисляют значение поглощения ППШ в определенный момент времени на выбранной станции.

Поглощение вычисляется в 3 этапа: сначала рассчитывается скорость ионизации (Q), затем - электронная концентрация (N) и далее - поглощение (А) [4]. Формула скорости ионизации имеет следующий вид [11]:

где F(E) - дифференциальный энергетический спектр потоков протонов; ε(Е, Р) - потери энергии протона на ионизацию (МэВ/(г/см3); Е - энергия протона (МэВ); Р - давление (г/см3); QЭ - энергия для образования 1 электрона за 1 с (36 эВ); φ, θ - азимутальный и зенитный углы протонов (град); - имеет пределы: Емин, соответствующий ЖГО в данном пункте, и Емакс, соответствующий максимальной энергии спектра потоков протонов, вызывающих поглощение ППШ.

Электронная концентрация (N) определяется исходя из уравнения баланса электронов в ионосфере при действии двух процессов - образования и рекомбинации электронов [4]:

где N - электронная концентрация (см-3); dN/dt - скорость изменения количества электронов (см-3с-1); Q - скорость образования электронов (скорость ионизации) (см-3с-1); αN2 - скорость рекомбинации электронов (см-3с-1); α - эффективный коэффициент рекомбинации электронов (см3с-1).

При установившемся равновесии, когда dN/dt=0, электронная концентрация определяется по формуле:

Поглощение определяется по формуле магнитоионной теории неотклоняющего поглощения радиоволны в нижней ионосфере (в слое Д) [12]:

где А - полное поглощение (дБ); ν - частота соударений электронов с молекулами (с-1); е - электрический заряд электрона; me - масса электрона; с - скорость света (м/с); ω - круговая частота падающей волны, равная частоте риометра.

Частота соударений электронов с нейтральными молекулами описывается формулой [13]:

где ν - частота соударений (с-1); n - концентрация частиц нейтральной атмосферы (част/см3); Те - электронная температура (град Кельвина).

После проведения вычислений сравнивают расчетное и измеренное значения поглощения. При их несовпадении увеличивают нижнюю границу диапазона энергетического спектра (Емин) и заново вычисляют поглощение. Процедуру повторяют до совпадения расчетного поглощения с измеренным. В случае совпадения значение (Емин), выраженное в единицах кинетической энергии протона, пересчитывают в единицы жесткости по формуле: Rжго=[(1.876+Еминмин]1/2, где Емин - кинетическая энергия протона, соответствующая нижней границе спектра потоков протонов (в ГэВ), Rжго - жесткость протона (в ГВ). Эта величина Rжго характеризует ЖГО на геомагнитной широте, на которой располагается выбранная авроральная станция в определенный момент местного времени и на высоте около 70 км.

Практика применения риометрического способа показала, что цикл определения одного значения ЖГО составляет несколько минут, поэтому риометрический способ позволяет в течение суток вычислить около 100 значений ЖГО.

Возможность осуществления предлагаемого риометрического метода обеспечивается наличием высокоширотной сети риометрических пунктов наблюдений на авроральных широтах [4], где производится непрерывная регистрация поглощения космического радиоизлучения, что позволяет иметь в любой момент измеренные значения поглощения; наличием серии геостационарных спутников [8] с детекторами, регистрирующими потоки солнечных протонов, что позволяет иметь в любой момент времени интенсивность потоков солнечных протонов, используемых при вычислении поглощения ППШ; наличием алгоритмов для вычисления поглощения ППШ [4].

На фиг. 1 представлены ежечасные значения ЖГО на ст. Диксон, полученные риометрическим, спутниковым и траекторным способами (обозначено соответственно цифрами 1, 2 и 3) [10]. Видно, что имеется заметное различие между риометрическими значениями ЖГО (обозначено 1) с одной стороны и спутниковыми и траекторными значениями (обозначено соответственно 2 и 3) - с другой.

Эти значения ЖГО были использованы при вычислении поглощения во время нескольких явлений ППШ. Расчетные данные по поглощению ППШ были сопоставлены с измеренными. На фиг. 2 представлены величины разности между измеренными и расчетными значениями поглощения, вычисленными с использованием риометрических (фиг. 2а), спутниковых (фиг. 2б) и траекторных ЖГО (фиг. 2в) [10]. Эти разности обозначены на фиг. 2а, 2б и 2в соответственно цифрами 4, 5 и 6. Видно, что наименьший разброс величин разности относительно нулевой линии существует при использовании в расчетах риометрических значений ЖГО (фиг. 2а).

Расчетные данные на фиг. 1 и 2 показывают, что риометрический способ позволяет получить значения ЖГО, более адекватные для исследования явлений ППШ, чем другие способы.

Предлагаемый риометрический способ соответствует целям и задачам получения более точных и оперативных значений ЖГО для исследования явлений ППШ. Имеются технические и вычислительные возможности для внедрения этого способа в систему мониторинга состояния авроральной магнитосферы и ионосферы во время явлений ППШ.

Источники информации

1. Smart, D.F, Shea, М.А. and R. Gull. / The daily variation of trajectory-derived high - latitude rigidities in a model magnetosphere. // J. Geophys. Res., V. 74, №19, P. 4731-4738, 1969.

2. Smart D.F. and M.A. Shea. / Geomagnetic Cutoff Rigidity Computer Program. Theory, Software Description and Example. // Center for Space Plasmas and Aeronomic Research The University of Alabama in Huntsville, Alabama 35889, 196 p., 2000.

3. Smart D.F., M.A. Shea and E.O. Fluckiger. / Magnetospheric Models and Trajectory Computations. // Space Science Reviews, V. 93, №1-2, P. 305-333, 2000.

4. Дриацкий B.M. /Природа аномального поглощения космического радиоизлучения в нижней ионосфере высоких широт. // Гидрометеоиздат, Ленинград, 1974.

5. Кондратьев К.Я. / Метеорологические исследования с помощью ракет и спутников. // Ленинград, 1962.

6. Bingham R.G., D.М. Sawyer, J.F. Ormes, W.R. Webber / Direct Measurement of geomagnetic cutoffs for cosmic-ray particles in the latitude range 45° to 70° using ballons and satellites. // Canadian Journal of Physics, V. 46, №10, P. S1078-S1081, 1968, (doi: 10.1139/p 68-422).

7. Fanselow J.R. and E.C. Stone. / Geomagnetic cutoffs for cosmic-ray protons for seven energy intervals between 1.2 and 39 MeV. // J. Geophys. Res., V. 77, P. 3999-4009, 1972.

8. С.И. Авдюшин, E.A. Гинзбург, В.И. Денисова, В.А. Крутов, А.А. Нусипов. П.М. Свидский, Г.Ф. Тулинов, И.С. Юдкевич. / Российская гелиогеофизическая служба - мониторинг и прогноз потоков энергичных частиц в околоземном космическом пространстве. // Космонавтика и ракетостроение. №1 (30), С. 25-31, 2003.

9. Мантуров А.И. / Механика управления движением космических аппаратов: Учебное пособие. // Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева, 62 с., 2003.

10. Ульев В.А., И.В. Москвин, М.И. Тясто, О.А. Данилова. Риометрический метод определения жесткости геомагнитного обрезания спектра потоков протонов. // Проблемы Арктики и Антарктики, №1, с. 132-138, 2009.

11. Велинов П., Несторов Г., Дорман Л. / Воздействие космических лучей на ионосферу и распространение радиоволн. // Болг. Акад. Наук, София, 312 с., 1974.

12. Sen S.K. and A.A. Wyller.. / On the generalization of the Appleton-Hartree magnetoionic formulas. // J. Geophys. Res, V. 65, №12, P. 3931-3950, 1960.

13. Patterson J.D., Armstrong T.P., Laird С.М., Detrick D.L. and Weatherwax А.Т. / Correlation of solar energetic protons and polar cap absorption. // J. Geophys. Res, V. 106, № A1, P. 149-163, 2001.

Риометрический способ определения жесткости геомагнитного обрезания, отличающийся тем, что измеряют поглощение с помощью риометра на выбранной станции авроральной зоны с одновременным измерением интенсивности потоков солнечных протонов с помощью детекторов, установленных на геостационарном спутнике, рассчитывают известным методом поглощение радиоволн, сравнивают это значение с измеренным и в случае их несовпадения увеличивают значение нижней границы энергетического спектра потоков солнечных протонов, производят новый расчет поглощения, повторяя процедуру до совпадения расчетного поглощения с измеренным, и в этом случае значение нижней границы энергетического спектра потока солнечных протонов пересчитывают известным способом в единицы жесткости.



 

Похожие патенты:

Использование: для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Сущность изобретения заключается в том, что устройство ПЭТ включает в себя детекторную матрицу, включающую в себя отдельные детекторы, которые принимают события излучения из области визуализации.

Изобретение относится к формированию спектральных изображений. Сущность изобретения заключается в том, что система формирования изображений содержит источник излучения, который испускает излучение, которое проходит область обследования и часть субъекта в ней; детекторную матрицу, которая обнаруживает излучение, которое проходит через область обследования и часть субъекта в ней, и генерирует сигнал, указывающий на это; дающее рекомендации по параметрам объемного сканирования устройство, которое рекомендует, по меньшей мере, одно значение параметра спектрального сканирования для объемного сканирования части субъекта на основе спектрального разложения первой и второй 2D проекций, полученных с помощью источника излучения и детекторной матрицы, причем первая и вторая 2D проекции имеют разные спектральные характеристики; и консоль, которая использует рекомендованное, по меньшей мере, одно значение параметра спектрального сканирования для выполнения объемного сканирования части субъекта.

Изобретение относится к области регистрации излучения. Способ детектирования излучения содержит этапы, на которых регистрируют событие; генерируют инициирующий сигнал, ассоциированный с регистрацией события; генерируют первую метку (TS1) времени для инициирующего сигнала с использованием первого аналого-цифрового преобразователя времени (TDC); генерируют вторую метку (TS2) времени для инициирующего сигнала с использованием второго TDC, имеющего фиксированное смещение по времени относительно первого TDC; и связывают метку времени с событием на основе первой метки времени, второй метки времени и сравнения разницы по времени между второй меткой времени и первой меткой времени и фиксированного смещения по времени.

Изобретение относится к системам позитронной эмиссионной томографии (PET), в частности с использованием калибровки сканера PET. При калибровке сканера позитронной эмиссионной томографии (PET) радиоактивный калибровочный фантом сканируют в течение периода нескольких времен полураспада, чтобы получить множество кадров данных сканирования.

Изобретение относится к позитронной эмиссионной томографии (PET) и, в частности, к обнаружению совпадающих событий в процессе времяпролетной (TOF) PET. Сущность изобретения заключается в том, что детектор первого сигнала генерирует первый выходной сигнал, если сигнал фотоприемника удовлетворяет первому критерию сигнала; причем критерий первого сигнала распознает сигнал фотоприемника как показывающий первоначальные во времени сцинтилляционные фотоны, генерируемые сцинтиллятором в ответ на полученные фотоны излучения; детектор второго сигнала генерирует второй выходной сигнал, если сигнал фотоприемника альтернативно удовлетворяет критерию второго сигнала, причем критерий второго сигнала распознает сигнал фотоприемника как показывающий последующие во времени сцинтилляционные фотоны, генерируемые сцинтиллятором в ответ на полученные фотоны излучения; и детектор сигнала излучения оценивает первый и второй выходные сигналы для определения того, получен ли второй выходной сигнал в пределах временного окна приема, причем полученный первый выходной сигнал определяет начальную точку временного окна приема, и если второй выходной сигнал получен в пределах временного окна приема, детектор сигнала излучения распознает сигналы фотоприемника, показывающие излучение, полученное сцинтиллятором; и если второй выходной сигнал не получен в пределах временного окна приема, детектор сигнала излучения не распознает сигналы фотоприемника, показывающие излучение, полученное сцинтилятором.

Использование: для патрульной инспекции и локализации радиоактивного вещества. Сущность изобретения заключается в том, что способ патрульной инспекции и локализации радиоактивного вещества содержит этапы: обеспечение значения фоновой радиоактивной интенсивности среды; сбор значений радиоактивной интенсивности с инспектируемой области посредством детектора во множестве точек пробоотбора на маршруте патрульной инспекции; вычисление распределения радиоактивной интенсивности в инспектируемой области на основе собранных значений радиоактивной интенсивности и значения фоновой радиоактивной интенсивности; и определение позиции радиоактивного вещества на основе распределения радиоактивной интенсивности; разделение инспектируемой области на множество подобластей.

Изобретение относится к средствам поиска и обнаружения источников гамма-излучения и предназначается для оснащения беспилотных летательных аппаратов. Блок детектирования гамма-излучения в составе двух счетчиков сцинтилляционных, контроллера с установленным модулем GPS, аккумуляторной батареи, при этом для связи между блоком детектирования и пультом дистанционного управления используется GSM-канал, образованный размещенным в блоке детектирования модулем GSM и установленным в пульте управления GSM-модемом, а сцинтилляторы выполнены в виде круглых прямых цилиндров с высотой больше диаметра основания, причем сцинтилляторы ориентированы основанием перпендикулярно направлению полета беспилотного летательного аппарата.

Изобретение относится к области радиационного контроля (РК) и предназначено для поиска, обнаружения и локализации источников ионизирующих излучений (ИИИ) наземными или морскими мобильными комплексами РК и стационарными устройствами РК.

Изобретение относится к области детекторов. Модуль (10) детектора излучения для использования во времяпролетном позитронно-эмиссионном (TOF-PET) томографическом сканере (8) формирует триггер-сигнал, указывающий обнаруженное событие излучения.

Изобретение относится к области формирования ядерных изображений, а также находит применение при изучении поглощения совместно с формированием изображений посредством позитронно-эмиссионной томографии (PET).
Наверх