Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Астрономия / Конспекты / Реферат "Изучения поведения отношений электронной и ионной температуры по виду АКФ сигнала некогерентного рассеяния"

Реферат "Изучения поведения отношений электронной и ионной температуры по виду АКФ сигнала некогерентного рассеяния"

Международный конкурс по математике «Поверь в себя»

для учеников 1-11 классов и дошкольников с ЛЮБЫМ уровнем знаний

Задания конкурса по математике «Поверь в себя» разработаны таким образом, чтобы каждый ученик вне зависимости от уровня подготовки смог проявить себя.

К ОПЛАТЕ ЗА ОДНОГО УЧЕНИКА: ВСЕГО 28 РУБ.

Конкурс проходит полностью дистанционно. Это значит, что ребенок сам решает задания, сидя за своим домашним компьютером (по желанию учителя дети могут решать задания и организованно в компьютерном классе).

Подробнее о конкурсе - https://urokimatematiki.ru/


Идёт приём заявок на самые массовые международные олимпиады проекта "Инфоурок"

Для учителей мы подготовили самые привлекательные условия в русскоязычном интернете:

1. Бесплатные наградные документы с указанием данных образовательной Лицензии и Свидeтельства СМИ;
2. Призовой фонд 1.500.000 рублей для самых активных учителей;
3. До 100 рублей за одного ученика остаётся у учителя (при орг.взносе 150 рублей);
4. Бесплатные путёвки в Турцию (на двоих, всё включено) - розыгрыш среди активных учителей;
5. Бесплатная подписка на месяц на видеоуроки от "Инфоурок" - активным учителям;
6. Благодарность учителю будет выслана на адрес руководителя школы.

Подайте заявку на олимпиаду сейчас - https://infourok.ru/konkurs

  • Астрономия

Поделитесь материалом с коллегами:

Ihello_html_13cfd08a.pngII ежегодная научная конференция школьников Иркутской области «Человек и космос»



Реферат


hello_html_m1861f787.gif

















Автор: Шалыгина Юлия

Школьный руководитель: Полякова С. Л1.

Научный руководитель: Командовский Владимир Андреевич2


1: МОУ «Будаговская средняя общеобразовательная школа», Будагово, Тулунский район

2: Институт солнечно-земной физики, Иркутск







Иркутск 2013

Оглавление

Введение 3-4

1.

Солнечно-земная физика.

4-13


1.1

Что послужило развитию Солнечно-земной физики?

4-6


1.2

Солнечный ветер.

6-8


1.3.

Атмосфера Земли.

8-11


1.4.

Ионосфера и история ее исследования.

11-13

2.

Радиофизические методы исследования ионосферы.

13-16

3.

Заключение

16-17


Список использованных источников

18


Приложение

Исследовательская часть

19-20



Введение

Пути, которыми люди проникают в суть небесных явлений, представляются мне почти столь же удивительными, как и сами эти явления.

Иоганн Кеплер


И. С. Шкловский1 писал: «В XVII-XIX веках царило мнение о всеобщей населенности Вселенной. Такие, например, крупные ученые прошлого, как Ньютон, Гершель, считали, что даже на Солнце есть жители, не говоря уже о Луне и планетах. Гершель думал, что поверхность Солнца - твердая кора. То, что мы видим,- облачный покров светила. А темные пятна на сияющем диске Солнца - просто просветы в облаках, сквозь которые солнце-жители могут наблюдать звездный мир. С большим трудом люди отказались от идеи обитаемости Луны и свыклись с тем, что это лишенный воздуха и воды безжизненный мир. XX век принес дальнейшее разочарование. Благодаря космическим полетам установлено, что нет каких бы то ни было форм жизни на раскаленной Венере и крайне маловероятна надежда обнаружить ее на Марсе. Сейчас очевидно, что наша Земля - уникальная планета»

Из всех известных планет только на Земле сложилась уникальная атмосфера, благоприятная для развития жизни.

Поскольку атмосфера очень важна для человечества. Я решила вплотную заняться изучением этого вопроса.

Объект исследования: верхняя атмосфера Земли.

Актуальность темы.

В современных исследованиях верхняя атмосфера рассматривается как часть единой системы Солнце-Земля и играет ключевую роль в процессах взаимодействия ионизованной и нейтральной газовых оболочек Земли. Изучение процессов в верхней атмосфере, оказывающих существенное влияние на техносферу2 и биосферу3 Земли, составляет актуальную проблему солнечно-земной физики. Исследования неоднородной структуры и динамики атмосферы требуют применения современных диагностических средств, самыми информативными из которых являются радары некогерентного рассеяния (РНР).

Цель исследования: в рамках работы найти связь параметров АКФ сигналов НР с отношением температур электронов и ионов.

Задачи:

- познакомиться самой и рассказать другим о том, что является предметом изучения СЗФ4;

- познакомиться самой и рассказать другим об основных источниках получения информации о структуре и динамике ионосферы Земли;

- найти регрессионную зависимость между параметрами АКФ5 и отношением температур. Получить формулу. Сравнить исходные и восстановленные значения температур.

1. Солнечно-земная физика.

СЗФ является одной из древнейших совокупностей наук. Как только человек осознал себя существом разумным, у него немедленно появилась масса вопросов относительно окружающей среды, относительно окружающего мира. Что это за мир, где мы существуем, как он устроен, какие причинно-следственные связи имеют место и как именно они действуют - какие законы управляют окружающей средой, как правильно описать состояние этой среды и как прогнозировать ее поведение? СЗФ и астрономия - сестры-близнецы, но задачи у этих наук разные, и развивалась каждая из них своим путем.

1.1.Развитие Солнечно-земной физики.

Земля получает от Солнца не только свет и тепло, обеспечивающие необходимый уровень освещённости и среднюю температуру её поверхности, но и подвергается комбинированному воздействию ультрафиолетового и рентгеновского излучения, солнечного ветра, солнечных космических лучей. Вариации мощности этих факторов при изменении уровня солнечной активности вызывают цепочку взаимосвязанных явлений в межпланетном пространстве, в магнитосфере, ионосфере, нейтральной атмосфере, биосфере, гидросфере и, возможно, литосфере Земли. Изучение этих явлений и составляет суть проблемы Солнечно-Земных связей. Представления о Солнечно-Земных связях складывались постепенно, на основе отдельных догадок и открытий. Так, в конце XIX в. К.О. Биркелан6 впервые высказал предположение, что Солнце кроме волнового излучения испускает также и частицы. В 1915 г. А.Л.Чижевский7 обратил внимание на циклическую связь между развитием некоторых эпидемий и пятнообразовательной деятельностью Солнца. Синхронность многих гелио- и геофизических явлений (а также форма кометных хвостов) наводила на мысль, что в межпланетном пространстве имеется агент, передающий солнечные возмущения к Земле. Этим агентом оказался солнечный ветер, существование которого экспериментально было доказано в начале 1960-х гг. путём прямых измерений с помощью автоматических межпланетных станций. Открытие солнечного ветра вместе с накопленными данными о других проявлениях солнечной активности послужило основой для исследования физики Солнечно-Земных связей (см. рис.1.(). рыми люди проникают в суть 202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020).

В XVIII-XIX веках были начаты систематические наблюдения за явлениями и процессами на Солнце, состоянием магнитного поля, атмосферным электричеством, сейсмическими процессами. С этого времени за 100-150 лет было получено много наблюдательного материала на глобальной сети обсерваторий по многим дисциплинам СЗФ, что позволило научному сообществу уже в конце девятнадцатого столетия выполнить комплексный анализ этих материалов и сделать ряд выводов, имеющих исключительно важное, фундаментальное значение.

Менялись эпохи, менялся уровень наших знаний об окружающей среде - менялись и названия обсуждаемой совокупности научных направлений: учение о земном магнетизме, геофизика, планетарная геофизика, гелиогеофизика, физика солнечно-земных связей. В конечном итоге совокупность наук, изучающих явления и процессы, происходящие на Солнце, и воздействие Солнца на околоземное космическое пространство и планету Земля назвали СЗФ.

Все изменения в физическом режиме Солнца находят отражение в состоянии околоземного космического пространства и планеты Земля. СЗФ изучает законы и закономерности физики Солнца и проявлений воздействия Солнца на околоземное пространство и планету Земля с целью раскрытия сущности этих явлений, понимания фундаментальных основ мироздания и обеспечения инженерной деятельности на планете и в ближнем космическом пространстве. Круг явлений и процессов, разыгрывающихся в околоземном пространстве, на планете и в ее оболочках под воздействием Солнца, очень велик и разнообразен. Поэтому к числу научных дисциплин, составляющих упомянутую совокупность, относятся еще и теоретическая физика, физика плазмы, космическая физика, физика верхней атмосферы, геомагнетизм, метеорология, климатология, геотектоника и др.

В наши дни научное сообщество располагает глобальной сетью гидрометеорологических, магнитных, ионосферных, солнечных, сейсмических и других станций, обсерваторий и экспедиций, выполняющих непрерывные наблюдения за состоянием электромагнитного поля Земли, состоянием атмосферы на различных высотных уровнях, солнечной активностью, сейсмической активностью и многими другими процессами и объектами СЗФ.


hello_html_3c8829ed.gif

Рисунок 1. Схема солнечно-земных связей.


Исследования по СЗФ проводятся во многих научных учреждениях разных стран. Известное место в этих работах занимает Институт солнечно-земной физики Сибирского Отделения РАН. Изучен большой круг явлений и процессов на Солнце, в ближнем космическом пространстве и атмосфере Земли. Внесен значительный вклад в развитие и становление СЗФ.

1.2. Солнечный ветер.

В конце 50-х годов ХХ века американский астрофизик Юджин Паркер пришел к выводу, что, поскольку газ в солнечной короне имеет высокую температуру, которая сохраняется с удалением от Солнца, он должен непрерывно расширяться, заполняя Солнечную систему. Результаты, полученные с помощью советских и американских космических аппаратов, подтвердили правильность теории Паркера.

В межпланетном пространстве действительно мчится направленный от Солнца поток вещества, получивший название солнечный ветер. Он представляет собой продолжение расширяющейся солнечной короны; составляет его в основном ядра атомов водорода (протоны) и гелия (альфа-частицы), а также электроны с энергией 106 – 109 эВ. Их называют солнечными космическими лучами. Расстояние от Солнца до Земли – 150 миллионов километров – наиболее энергичные из этих частиц покрывают всего за 10 – 15 минут. Частицы солнечного ветра, удаляясь от Солнца с огромной скоростью на многие десятки астрономических единиц – туда, где межпланетная среда Солнечной системы переходит в разреженный межзвездный газ. А вместе с ветром в межпланетное пространство переносятся и солнечные магнитные поля. Таким образом, Солнечный ветер – истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. На уровне орбиты Земли средняя скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число частиц – несколько десятков в 1 см3.

Общее магнитное поле Солнца по форме линий магнитной индукции немного напоминает земное. Но силовые линии земного поля близ экватора замкнуты и не пропускают направленные к Земле заряженные частицы. Силовые линии солнечного поля, напротив, в экваториальной области разомкнуты и вытягиваются в межпланетное пространство, искривляясь подобно спиралям. Объяснятся это тем, что силовые линии остаются связанными с Солнцем, которое вращается вокруг своей оси. Солнечный ветер вместе с «вмороженным» в него магнитным полем формирует газовые хвосты комет, направляя их в стороны от Солнца. Ведущую роль в образовании космических лучей и рентгеновского излучения играют вспышки8.

«А дело в том, что все мы - космонавты, вся наша планета, вся Земля, - корабль в безбрежном космическом океане.

Земля находится в атмосфере Солнца, точнее, в верхней её части, расширяющейся во все стороны солнечной короне »9

Встречая на своем пути Землю, солнечный ветер сильно деформирует ее магнитосферу, в результате чего наша планета обладает длинным магнитным «хвостом», также направленным от Солнца (см. рис. 2.).

hello_html_m3f40de75.png

hello_html_6bf7c126.png

Рисунок 2. Обтекание магнитосферы Земли солнечным ветром

!!!!!!!!!!!!!!!!

Магнитное поле Земли чутко отзывается на обдувающие ее потоки солнечного вещества. Поскольку речь зашла о магнитном поле Земли, немного коснусь вопроса о нем.

Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Движение же электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.

Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, - теория динамо-эффекта - предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.

Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по «направлению». Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того, что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра.

Магнитное поле Земли - удивительное следствие законов физики, защитный щит, ориентир и создатель полярных сияний. Если бы не оно, жизнь на Земле, возможно, выглядела бы совсем иначе.

1. 3. Атмосфера Земли.

Что такое атмосфера? Ответ на этот вопрос очень прост: это газовая оболочка окружающая небесное тело. Атмосферы есть у планет, звёзд, комет и даже крупных астероидов. Характеристики атмосфер различны и зависят от размера, массы, скорости вращения и других параметров небесного тела, которое эта атмосфера окружает.

У планеты Земля также есть газовая оболочка (или геосфера) — земная атмосфера. Внутренняя её поверхность граничит с другими геосферами Земли: гидросферой и литосферой. Внешняя — с околоземным пространством.

Атмосфера Земли неоднородна, в ней выделяют слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу (см. рис. 3). Выделение атмосферных слоев происходит на основании поведения температуры окружающего воздуха.

Самый нижний атмосферный слой — тропосфера, верхняя граница которой, называемая тропопаузой, в зависимости от географической широты различается и составляет от 8 километров в полярных до 20 километров в тропических широтах. В течение года верхняя граница тропосферы испытывает колебания, зависящие от поступления солнечной радиации.

Тропосфера содержит 80% всей массы земного воздуха и 9/10 водяного пара. Здесь сильно развита турбулентность, развиваются облака всех ярусов, формируются циклоны и антициклоны. А благодаря накоплению парниковых газов (углекислый газ, метан, водяной пар), отражённых от поверхности Земли солнечных лучей, развивается парниковый эффект.

С парниковым эффектом связано понижение температуры воздуха в тропосфере с высотой (т.к. нагретая Земля больше тепла отдаёт приземным слоям). Так если у поверхности Земли в районе экватора среднегодовая температура воздуха составляет +26°С то на верхней границе -70°С. Температура в районе тропопаузы над северным полюсом в течение года изменяется от -45°С летом до -65°С зимой.

Стратосфера является вторым слоем земной атмосферы. Стратосферу условно можно разделить на две области. Первая из них, лежащая до высот 25 км. характеризуется почти постоянными температурами, которые равны температурам верхних слоев тропосферы над конкретной местностью. Вторая область или область инверсии, характеризуется повышением температуры воздуха до высот примерно 40 км. Это происходит за счёт поглощения кислородом и озоном солнечного ультрафиолетового излучения. В верхней части стратосферы благодаря этому прогреву температура часто является положительной или даже сопоставима с температурой приземного воздуха.

В стратосфере мало водяного пара. Воздух здесь очень сух, а потому и облаков образуется мало. Лишь, находясь в высоких широтах, можно заметить очень тонкие перламутровые облака, состоящие из переохлажденных водяных капелек. Днём эти облака не видны, зато с наступлением темноты они кажутся светящимися из-за освещения их уже севшим за горизонт Солнцем.

Слой атмосферы лежащий выше стратосферы называется мезосферой.

В пределах мезосферы проходит нижняя граница области активного поглощения рентгеновского и коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. Подобный энергетический процесс получил название лучистый теплообмен. В результате происходит нагревание и ионизация газа, что обусловливает свечение атмосферы.

На высотах 75-90 км. у верхних границ мезосферы были отмечены особые облака, занимающие в полярных регионах планеты обширные площади. Называют эти облака серебристыми из-за их свечения в сумерках, которое обусловлено отражением солнечных лучей от ледяных кристаллов, из которых эти облака состоят.


hello_html_m5d24db13.jpg

hello_html_627c93cf.png

Рисунок 3. Строение атмосферы Земли



Термосфера лежит на высотах от 90 до 600 км. над поверхностью Земли.

Все характеристики термосферы, такие как состав воздуха, его температура, плотность, подвержены сильным колебаниям: в зависимости от географического положения, сезона года и времени суток. Даже верхняя граница этого слоя атмосферы из-за постоянно меняющейся активности Солнца наблюдается на разных высотах.

Самый верхний слой атмосферы называется экзосферой или слоем рассеяния. Его нижняя граница постоянно меняется в очень широких пределах; за среднюю же величину принята высота 600 км. Устанавливается она там, где вероятностью межмолекулярных или межатомных столкновений можно пренебречь, т.е. среднее расстояние, которое преодолеет хаотически движущаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой (т.н. свободный пробег) будет настолько велико, что фактически молекулы с вероятностью близкой к нулю не столкнуться. Слой, где имеет место, сказываться описанное явление называется термопаузой.

Верхняя граница экзосферы лежит на высотах 2-3 тыс.км. Она сильно размыта и постепенно переходит в ближнекосмический вакуум. Иногда, по этой причине, экзосферу считают частью космического пространства, а за её верхнюю границу принимают высоту 190 тыс.км, на которой влияние давления солнечного излучения на скорости атомов водорода превышает гравитационное притяжение Земли. Это т.н. земная корона, состоящая из атомов водорода.

В связи в чрезвычайной разреженностью воздуха экзосферы частицы движутся вокруг Земли по эллиптическим орбитам, не сталкиваясь между собою. Некоторые же из них, двигаясь по разомкнутым или гиперболическим траекториям с космическими скоростями (атомы водорода и гелия) покидают пределы атмосферы и уходят в космическое пространство.

1.4. Ионосфера и история ее исследования.

Особого внимания заслуживает ионосфера - верхняя часть атмосферы Земли, состоящая из мезосферы, мезопаузы и термосферы, сильно ионизирующаяся вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца.

Кстати, явление отражения волн от этого слоя, называемого ионосферой, было открыто не учеными, а радиолюбителями при попытках установить связь на большие расстояния. Только после этого ученые начали изучать явление, дали ему объяснение, показали, на какой волне будет лучшая радиосвязь и т. д. Таким образом, изобретение способа радиосвязи на коротких волнах радиолюбителями позволило ученым открыть наличие ионосферы10. А вот что писал об этом автор, известный специалист в области солнечно-земной физики и популяризатор науки Казимировский Э. С.: «Это было в 1901 г. Передатчик был установлен в Англии, на полуострове Корнуолл, приемное устройство – через океан, на полуострове Ньюфаундленд. С точки зрения теоретиков, это был безнадежный эксперимент. Но, как часто бывает, эксперимент опрокинул теорию – радиосигнал одолел просторы Атлантики, заставив ученых искать объяснение этому «чуду». В результате была открыта ионосфера – один из самых важных в практическом отношении и в то же время один из самых загадочных слоев атмосферы, - обязанная своим существованием нашему светилу». Сообщение, которое принял Маркони11, состояло из трех точек: обозначение азбуки Морзе для английской буквы S. До того, как сигнал достиг Ньюфаундленда, он дважды отразился от ионосферы. Несмотря на все сомнения и кривотолки, которые вызвал эксперимент Маркони, он успешно повторил его год спустя, приняв сигнал в заливе Глэйс, Новая Шотландия, Канада.

Английский физик Оливер Хэвисайд в 1902 году выдвинул гипотезу о возможности распространения радиосигнала вокруг Земли, несмотря на её кривизну. Независимо от Хэвисайда эксперименты по дальнему приёму коротких волн через Атлантику между Европой и Америкой проводил американский инженер-электрик Артур Кеннели. Они предположили, что где-то вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный отражать радиоволны. Его назвали слоем Хэвисайда — Кеннели, а затем — ионосферой12. Возможно, именно предположения Хэвисайда и Кеннели вкупе с законом излучения абсолютно чёрного тела, выведенного Максом Планком, способствовала бурному развитию радиоастрономии с 1932 года (а также послужило отправной точкой при создании высокочастотных систем типа приемник — передатчик).

В 1947 году Эдвард В. Эплтон был удостоен Нобелевской премии по физике за подтверждения существования ионосферы в 1927 году с формулировкой «За исследования физики верхних слоёв атмосферы, в особенности за открытие так называемого слоя Эплтона»

В настоящее время благодаря вышеупомянутым исследованиям, более поздним и современным известно, что ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N2 и кислорода О2) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно увеличивается с удалением от Земли.

Модель ионосферы представляет собой распределение значений характеристик плазмы в виде функции географического положения, высоты, дня года, а также солнечной и геомагнитной активности. Для задач геофизики, состояние ионосферной плазмы может быть описано четырьмя основными параметрами: электронной плотностью13, электронной14 и ионной15температурами и, в силу наличия нескольких типов ионов, ионным составом. Распространение радиоволн, например, зависит исключительно от распределения электронной концентрации.

Неоценима роль атмосферы для нашей планеты. Рентгеновское излучение, солнечные космические лучи не доходят до поверхности Земли, благодаря атмосфере, но могут ионизовать верхние ее слои, что сказывается на устойчивости радиосвязи между отдаленными пунктами, хотя действие частиц этим не ограничивается.

«Ионосфера - это очень важный для нас слой. Во-первых, радиосвязь осуществляется благодаря ионосфере. Радиоволны отражаются от этого слоя и распространяются дальше. Изменения состояния ионосферы влияет на качество передачи. Это только один из многих факторов, которые интересны»16.

Вопросы распространения радиоволн в такой сложной среде, как ионосфера, составляют одну из важнейших радиофизических проблем.

2. Радиофизические методы исследования ионосферы.

Вопрос изучения поведения ионосферы является одним из главных в работе Иркутского института солнечно-земной физики.

Сегодня его обсерватория радиофизической диагностики атмосферы представляет собой уникальную по своим функциональным возможностям сеть экспериментальных установок, объединенных в единый пространственно разнесенный инструмент для исследований верхней атмосферы Земли и распространения радиоволн. Географическое расположение инструментов (от Заполярья до Монголии, от Иркутска до Магадана) позволяет получать данные для контроля атмосферы обширного региона северо-востока России и решения важнейших прикладных задач.

Иркутский радар некогерентного рассеяния (см. рис. 4) предназначен для исследо­вания верхней атмосферы Земли методом некогерентного рассеяния радиоволн, являющимся наиболее информативным и эталонным сред­ством измерений параметров ионо­сферной плазмы.








hello_html_1f27018.jpg













Рисунок 4. Мировая сеть радаров некогерентного рассеяния


hello_html_1f27018.jpg









Рисунок 5. Иркутский радар некогерентного рассеяния

!!!!!!!!!!!!!!!!

Большой энергетический потенциал, чувствительность и современные средства обработки данных ИРНР позволяют проводить на нем измерения электро­нной концентрации, электронной и ионной температур, скорости дрейфа плазмы в диапазоне высот от 100 до 1000 км с высоким пространственным и временным разреше­нием.

Одним из основных источников информации о структуре и динамике ионосферы Земли является вертикальное, наклонное, возвратно-наклонное и трансионосферное радиозондирование. Радиозондирование имеет большое практическое значение, так как создание высокоэффективных систем связи, пеленгации, навигации и радиолокации в коротковолновом и ультракоротковолновом диапазонах невозможно без детального знания механизмов ионосферного распространения радиоволн.

Станции вертикального зондирования представляют собой расположенные рядом передатчик и приёмник, часто использующие общую антенну. Передатчик работает в импульсном режиме и за время одного сеанса его настройка пробегает диапазон от 0,5 до 20 МГц. При этом автоматически обеспечивается непрерывная настройка приёмника на плавно изменяемую частоту передатчика. На выходе приёмника помещается регистрирующее устройство, позволяющее измерять и фиксировать зависимость времени запаздывания отраженного от ионосферы импульса от постепенно изменяемой частоты передатчика. Предполагая, что весь путь до точки отражения и обратно радиоволны проходят со скоростью света в пустоте, при помощи формулы

hello_html_mded309a.gifhello_html_107ad64a.gif (1)

по времени запаздывания hello_html_m1ffc4960.gif можно вычислить действующую высоту расположения ионизированных слоёв. Эти высоты называются действующими, так как формула (1) не учитывает того обстоятельства, что в ионизированной атмосфере радиоимпульсы распространяются с групповой скоростью, которая меньше скорости света. Выраженная графически зависимость hello_html_m347c2219.gifносит название ионограммы или высотно-частотной характеристики (ВЧХ).

Ионограммы позволяют не только определять высоты расположения отражающих слоёв, но и дают возможность измерить значения критических частот для импульсов, отраженных от отдельных ионизированных областей.

В ионосферных станциях наклонного зондирования передатчик и приёмник разнесены, т.е. находятся в конечных пунктах линии радиосвязи. Применяя меры по синхронизации работы приёмника и передатчика, можно измерить зависимость времени запаздывания от изменяемой частоты передатчика, которое можно пересчитать на дистанцию, проходимую радиоволной. Зависимость дистанции от частоты носит название дистанционно-частотной характеристики (ДЧХ). На линии, которую эти станции обслуживаю, их можно использовать для непосредственного определения оптимальных для связи частот КВ-диапазона.

В станциях возвратно-наклонного зондирования передатчик и приёмник так же, как в станциях вертикального зондирования, расположены в одном пункте. Однако здесь используются антенны, которые излучают энергию под небольшими углами к горизонту. Приёмник регистрирует сигналы, не отраженные от ионосферы, а рассеянные от поверхности Земли в месте падения на неё наиболее крутого отражаемого ионосферой луча. Рассеяние радиоволн от поверхности Земли и обратное возвращение некоторой доли рассеянной энергии к месту расположения станции после вторичного отражения от ионосферы носит название эффекта Кабанова17. Станции ВНЗ работают по принципу станций наклонного зондирования с тем отличием, что здесь передатчик и приёмник находятся рядом и отпадает проблема их синхронизации. Применяя в станциях Станции вертикального зондирования вращаемые антенны, можно получить ДЧХ для любых направлений распространения в горизонтальной плоскости.

3. Заключение

Работа над этой темой мне очень понравилась. Мне пришлось анализировать большой объем информации. Итогом работы стал этот реферат.

Во-первых, я узнала сама и могу рассказать другим, совокупность наук, изучающих явления и процессы, происходящие на Солнце, и воздействие Солнца на околоземное космическое пространство и планету Земля является предметом изучения Солнечно земной физики. Особого внимания заслуживает вопрос, касающийся изучения ионосферы. Ионосфера обладает тем замечательным свойством, что она способна отражать радиоволны. Это ее свойство — просто подарок природы человечеству: наличие ионосферы у нашей планеты обеспечивает нам дальнюю и сверхдальнюю радиосвязь. В верхних слоях земной атмосферы происходят сложные физические процессы, которые трудно, а чаще просто невозможно наблюдать в лабораторных условиях на Земле. По существу, ионосфера — это большая естественная лаборатория, которая позволяет людям исследовать процессы взаимодействия разреженных газов с ионизирующими излучениями, различного рода фотохимические реакции, динамику неоднородных газов. Знать свойства ионосферы — на каких высотах она располагается, сколько заряженных частиц она содержит, какова температура, скорость и направление их потоков, как все эти свойства меняются в зависимости от широты (у полюсов, на экваторе, в средних широтах) и долготы, ото дня к ночи, от зимы к лету и т. п.— стало сейчас не только интереснейшей научной задачей, но и практической необходимостью.

Во-вторых, я познакомилась сама и могу и рассказать другим об основных источниках получения информации о структуре и динамике ионосферы Земли.

И, в-третьих, я вникла в суть проблем и методов научного исследования ионосферы. Состояние ионосферной плазмы может быть описано четырьмя основными параметрами: электронной плотностью, электронной и ионной температурами и, в силу наличия нескольких типов ионов, ионным составом.

Обычно модель ионосферы — это компьютерная программа. Она может быть основана на физических законах, определяющих распределение характеристик плазмы в пространстве (учитывающих взаимодействие ионов и электронов с солнечным излучением, нейтральной атмосферой и магнитным полем Земли). Также, она может представлять собой статистическое усреднение большого количества экспериментальной информации.

Я нашла регрессионную зависимость между параметрами АКФ и отношением температур. Получила формулу, по которой можно найти отношение температур. Сравнила исходные и восстановленные значения температур.

Проблема исследования мне кажется весьма интересной, и я серьезно задумываюсь над тем, чтобы посвятить свою дальнейшую деятельность более серьезному изучению этих вопросов.


Список использованных источников

1. Большая Советская энциклопедия: [В 30 т.]/ Гл. ред. А. М. Прохоров. Издание 3-е. — М.: Сов. энцикл., 1969-1978.

2. Демидович Б. П., Марон И. А. Основы вычислительной математики. М. Из-во: Наука, 1970.

3. Казимировский Э. С. Планета в космической плазме. – Л. Изд-во: Гидрометеоиздат 1990г.

5. Петрович Н Беседы об изобретательстве. – М. Изд-во: Молодая гвардия 1982 г.

6. Левитан Е.П., Учебник астрономии для 11-х классов. – М. Изд-во: Просвещение, 1994 г.

7. Энциклопедия для детей. Астрономия. – М. Изд-во: Аванта+, 1997 г.

8. Брюнелли Б. Е., Кочкин М. И., Пресняков И. Н., Терещенко Е. Д., Терещенко В. Д. Метод некогерентного рассеяния радиоволн. Л. Изд-во: Наука, 1979 г.

9. Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М. Изд-во: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988г.

10. Космическая среда вокруг нас, А. Н. Зайцев, http://www.izmiran.ru/pub/izmiran/space-around-us/









Исследовательская часть

В результате измерений методом некогерентного рассеяния получают либо спектр сигнала, либо его автокорреляционную функцию. Они однозначно связаны, и при помощи некоторых преобразований можно перейти от спектра к АКФ и обратно.

Моя исследовательская работа состоит в том, чтобы из характеристик спектра или АКФ получить характеристики среды (в моем случае отношение температур электронов и ионов).

Мы нашли определённые параметры спектра и АКФ – величину провала спектра pr и отношение ta/to АКФ (см. рис. 6).

hello_html_mf610540.png

Рисунок 6. Спектр сигнала некогерентного рассеяния.

Здесь провал между двумя горбами это pr.

Нашли их регрессию на отношение температур. Это оказался полином третьей степени (кубическая парабола). В результате у нас есть функция, по которой можно найти отношение температур.

Tr=62,5504·(Ta/To)3 – 259,9460· (Ta/To)2 + 366,0257· (Ta/To) – 173,7838·100 =

И проанализировав её, мы можем сказать, что ошибка составляет менее 1%.


hello_html_m11ca28a3.gif

Рисунок 7. Автокорреляционная функция сигнала некогерентного рассеяния.


Здесь 1nol это to. tauA это ta. Чтобы получить использованные в работе значения надо величины, отложенные по оси x, умножить на 1000000. Тогда у нас шкала будет от 0 до 700 микросекунд.

Я провела численное моделирование спектра и АКФ для различных температур. Получила параметры для регрессии. Нашла регрессию этих параметров на отношение температур электронов и ионов.

Чем это может быть полезно? Мы из эксперимента получаем параметры (pr и ta/to). Используем свои формулы. И получаем отношение температур. Таким образом, обосновывается полезность моих результатов.


1 И. С. Шкловский - основатель школы современной астрофизики — отдела радиоастрономии Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга (ГАИШ) Московского университета и отдела астрофизики Института космических исследований АН СССР (ныне Астрокосмический центр ФИАН). Автор девяти книг и более трехсот научных публикаций. Известен также как автор работ по проблемам существования внеземных цивилизаций и научно-популярных статей.

2 Техносфера - искусственная среда обитания.

3 Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими.

4 СЗФ - Солнечно-земная физика

5 АКФ - автокорреляционные функции. Автокорреляция позволяет оценить среднестатистическую зависимость текущих отсчетов сигнала от своих предыдущих и последующих значений (так называемый радиус корреляции значений сигнала), а также выявить в сигнале наличие периодически повторяющихся элементов.

6 Кристиан Олаф Бернхард Биркеланд (1867-1917) — норвежский физик, член Норвежской АН. Прославился как первый человек, который сумел объяснить суть явления полярного сияния.

7 А.Л.Чижевский - советский ученый, один из основателей космического естествознания, основоположник космической биологии и гелиобиологии, биофизик, основоположник аэроионификации, электрогемодинамики, изобретатель (электроокраска), философ, поэт, художник

8Вспышки – самые мощные взрывоподобные процессы, наблюдаемые на Солнце, точнее в его хромосфере.

9 Казимировский Э. С. Планета в космической плазме. – Л. Изд-во: Гидрометеоиздат 1990г.

10 Петрович Н Беседы об изобретательстве. – М. Изд-во: Молодая гвардия 1982 г.


11 Гулье́льмо Марко́ни (25 апреля 1874, Болонья — 20 июля 1937, Рим) — маркиз, итальянский радиотехник и предприниматель, один из изобретателей радио; лауреат Нобелевской премии по физике за 1909 г., автор описанного эксперимента.


12 В 1926 году шотландский физик Роберт Уотсон-Ватт ввел термин ионосфера в письме, опубликованном только в 1969 году в журнале Nature:

В последнее время термины для описания слоев атмосферы, такие как ‘стратосфера’ и ‘тропосфера’ все прочнее входят в лексикон научного сообщества ... Термин ‘ионосфера’, относящийся к области атмосферы с высокой ионизацией и большими длинами свободных пробегов заряженных частиц, кажется, хорошо подходит в этот ряд.

13 Электронная плотность - плотность вероятности обнаружения электрона в данной точке конфигурационного пространства.

14 Электронная температура - кинетическая температура электронов плазмы, твердого тела и др.

15 Ионная температура - условный параметр, характеризующий среднюю кинетическую энергию хаотичного движения ионов в плазме. Удобно применять его в тех случаях, когда функция распределения ионов по скоростям близка к максвелловской.

16 Язев С. - директор обсерватории ИГУ

17 В ноябре 1947 года астрономы ожидали редкое явление — метеорный дождь. Для наблюдения за ним Н. Кабанов впервые для этих целей использовал радиолокатор. Дальность этого локатора при обнаружении самолетов не превышала 20 километров. Так как размеры метеоров куда меньше самолета, то предполагалось, что удастся обнаружить только близколетящие метеоры, удаленные значительно меньше, чем на 20 километров. Каково же было изумление, когда удалось обнаружить метеоры за несколько сот, а иногда и тысяч километров. Оказалось, что метеоры таким образом рассеивают падающую на них энергию радиоволн, что часть ее возвращается назад, к антенне радиолокатора, с очень больших расстояний. Это навело Н. Кабанова на мысль, что поверхность Земли тоже может производить подобное рассеивание при использовании так называемых коротких волн. Радиосвязь на этих волнах осуществляется благодаря тому, что они отражаются от ионизированного слоя, расположенного на высоте нескольких сот километров над Землей. В 1947 году Н. Кабанов экспериментально подтвердил свою гипотезу.

Сигнал проделал колоссальное путешествие «туда и обратно»: посланный передатчиком, он отразился от ионосферы, достиг поверхности Земли на расстоянии более двух тысяч километров, отразился от нее, некоторая часть его энергии достигла снова ионосферы, отразилась от нее и была принята приемником в точке передачи. Открытое явление известно теперь как «эффект Кабанова».

Автору выдан диплом на открытие с приоритетом от 15 марта 1947 года со следующей формулой открытия: «Радиоволны, отраженные от ионосферы, при падении на землю частично рассеиваются ее поверхностью, причем некоторая доля рассеянной энергии возвращается к источнику излучения, где может быть зарегистрирована». «Эффект Кабанова» послужил основой для ряда изобретений. Например, были созданы так называемые радиостанции возвратно-наклонного зондирования (ВНЗ) ионосферы, позволившие экспериментально подбирать наилучшую волну для радиосвязи на данной трассе в данное время.



20


Самые низкие цены на курсы профессиональной переподготовки и повышения квалификации!

Предлагаем учителям воспользоваться 50% скидкой при обучении по программам профессиональной переподготовки.

После окончания обучения выдаётся диплом о профессиональной переподготовке установленного образца (признаётся при прохождении аттестации по всей России).

Обучение проходит заочно прямо на сайте проекта "Инфоурок".

Начало обучения ближайших групп: 18 января и 25 января. Оплата возможна в беспроцентную рассрочку (20% в начале обучения и 80% в конце обучения)!

Подайте заявку на интересующий Вас курс сейчас: https://infourok.ru/kursy



Автор
Дата добавления 17.10.2015
Раздел Астрономия
Подраздел Конспекты
Просмотров204
Номер материала ДВ-069938
Получить свидетельство о публикации

УЖЕ ЧЕРЕЗ 10 МИНУТ ВЫ МОЖЕТЕ ПОЛУЧИТЬ ДИПЛОМ

от проекта "Инфоурок" с указанием данных образовательной лицензии, что важно при прохождении аттестации.

Если Вы учитель или воспитатель, то можете прямо сейчас получить документ, подтверждающий Ваши профессиональные компетенции. Выдаваемые дипломы и сертификаты помогут Вам наполнить собственное портфолио и успешно пройти аттестацию.

Список всех тестов можно посмотреть тут - https://infourok.ru/tests


Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх