Г.Н. Крылов, СПбГУ
Ю.П. Вербин, СПбГМТУ

Теоретические исследования задачи о распространении электромагнитных волн ОНЧ диапазона в волноводном канале Земля – ионосфера были заложены в работах акад. В.А. Фок и проведены проф. П.Е. Краснушкиным. Модель ионосферы была однородной и геомагнитное поле вертикально. Только в этом случае справедлив метод разделения переменных и удается построить решение. Имеются работы, в которых проводится учет вложенных в волноводный канал образований, что однако не решает возникающие проблемы. Модель ионосферы (точнее ее частный случай) анализируется численно и принятый для реализации метод не учитывает волноводного характера распространения электромагнитных волн в окрестности границы атмосфера – ионосфера (в пограничном слое).

При применении томографических постановка задачи и ее решение существенно изменяются. На границе атмосфера – ионосфера вводится пограничный слой, в котором параметры среды могут изменяться непрерывно, граница атмосфера – ионосфера виртуальна. Вне переходного слоя используются известные решения, которые названы регулярными. Для определения виртуального тока в пограничном слое используется интегро – дифференциальное уравнение. После построения его решения векторы электромагнитного поля определяются истокообразно. Параметры пограничного слоя, его размеры и направление геомагнитного поля произвольны.

Если обсуждать качественную сторону построенного решения: то в нем наличие неоднородностей в переходном слое приводит к виртуальным токам. Поля виртуальных токов имеют обе поляризации и возбуждаются локально на всей радиотрассе. Изложенные методы докладывались на предыдущих симпозиуме и на семинарах “Экология космоса”. Основные теоретические результаты опубликованы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вербин Ю.П., Ивлев Л.С., Крылов Г.Н. Возможности и средства томографического дистанционного контроля слабовыраженных крупномасштабных облачных образований в диапазоне длинных и сверхдлинных радиоволн // В кн. Краткосрочные предвестники землетрясений и чрезвычайных ситуаций. СПб. 2001. С. 17 – 31.



2. Вербин Ю.П., Крылов Г.Н. Вариации ОНЧ - радиоволн на субавроральных радиотрассах в январе – марте 1997 года радиоволн // В кн. Краткосрочные предвестники землетрясений и чрезвычайных ситуаций. СПб. 2001. С. 60 – 83.



3. Вербин Ю.П., Крылов Г.Н., Зарх А.З. Проблема обнаружения электромагнитных предвестников землетрясений в диапазоне очень низких частот // В кн. Краткосрочные предвестники землетрясений и чрезвычайных ситуаций. СПб. 2001. С. 90 – 113.



4. Крылов Г.Н. Электродинамические характеристики слабовыраженного природного или техногенного крупномасштабного облачного образования, расположенного в атмосфере, ионосфере или космическом пространстве // Международная конференция – Естественные и антропогенные аэрозоли. СПб. 2001. С.38.



5. Крылов Г.Н. Электромагнитный мониторинг слабовыраженных облачных образований в атмосфере, ионосфере и космическом пространстве (космическая пыль) // Международная конференция – Естественные и антропогенные аэрозоли. СПб. 2001. С.38.



6. Крылов Г.Н. электромагнитная дифракционная томография и дистанционное зондирование // Международная конференция – Естественные и антропогенные аэрозоли. СПб. 2001. С.38.



7. Вербин Ю.П., Крылов Г.Н. Исследование ионосферы методами электромагнитной томографии и волны волноводного типа //Тезисы докладов на 8 – ой конференции по распространению радиоволн. СПб. 2002.



8. Ивлев Л.С., Крылов Г.Н., Щукин Г.Г. Космос и дыхание Земли // Экология космоса (тезисы). СПб. 2002. С. 4.



9. Балов А.В., Вербин Ю.П. Радионавигационная система как инструмент мониторинга слабовыраженных крупномасштабных облачных образований // Экология космоса (тезисы). СПб. 2002. С.6.



10. Балов А.В., Вербин Ю.П., Ивлев Л.С., Крылов Г.Н. Интегральные методы исследования слабовыраженных крупномасштабных атмосферных и ионосферных облачных образований и их реализация // Экология космоса (тезисы). СПб. 2002. С. 6.



11. Вербин Ю.П., Ивлев Л.С., Крылов Г.Н. Попытки мониторинга атмосферы при аварии на Чернобыльской атомной станции при помощи радионавигационной системы // Экология космоса (тезисы). СПб. 2002. С. 8.



12. Вербин Ю.П., Крылов Г.Н. О мифах, связанных с наблюдением краткосрочных предвестников землетрясений в антропогенных полях ОНЧ и альтернативные варианты // Методы обнаружения краткосрочных предвестников землетрясений и спорадических естественных и антропогенных выбросов в атмосферу (АЭС). СПб. 2000. С, 27 – 29.

Г.Н. Крылов, М.И. Беленький, СПбГУ
Ю.П. Вербин, СПбГМТУ

Выбор метода мониторинга зависит от параметров образований и их размеров. Образования могут изменяться от мелкомасштабных и ярко выраженных до крупномасштабных и слабо выраженных. Радиотехнические средства регистрации начинаются с диапазона УКВ (радиолокационные системы) и оканчиваются диапазоном СДВ и ОНЧ (радионавигационные системы). В первом случае электромагнитные волны проникают в образование на глубину, сравнимую с размером слоя скин – эффекта. Во втором - они проходят через образование почти без поглощения. Методы дополняют друг друга, однако процессы получения и обработки информации существенно различны. При проведении предварительного анализа необходимо оценить предельные значения размеров и параметров образований, которые могут быть зафиксированы и предложить методы обработки и интерпретации результатов.

Система использует сигналы одной или нескольких радионавигационных станций, работающих в указанном диапазоне длин волн. Например, для северо–западного региона это радиостанция в г. Петрозаводске. В регионе мониторинга (например, в районе города Сосновый Бор или города Кириши) устанавливаются несколько приемных пунктов, которые синхронизованы во времени и связаны линиями передачи данных с единым контрольным пунктом. Приемные пункты могут быть совмещены, например, с пунктами гидрометеорологической службы. На каждом пункте проводится первичная обработка информации, которая передается далее в единый контрольный пункт.

В штатном режиме радионавигационные системы предназначены для определения координат. Наличие разного рода неоднородностей приводит к изменению фазовой структуры электромагнитного поля. в пространстве, такие изменения учитываются путем введения поправок. Наличие облачного образования также приводит к изменению фазовой структуры электромагнитного поля, но поправки отсутствуют (образования случайны). В нашем случае координаты приемных пунктов известны и имеется возможность определения поправок фазовой структуры электромагнитного поля. Это уже не поправки, они связаны с наличием облачных образований, т.е. являются источником информации.

Если облачное образование находится в зоне Френеля, т.е. на пути радиоволны от передающей к приемной станциям, то возможно применение лучевого метода. Такая ситуация встречается редко, облачное образование подвижно, а положение приемных пунктов фиксировано. Тем более, что число приемных и передающих пунктов может быть произвольно. Поэтому для анализа применен метод электромагнитной томографии. Облачное образование заменяется эквивалентным вторичным виртуальным источником тока. Электромагнитное поле виртуального источника имеет иное направление прихода к приемному пункту, иное запаздывание фазового фронта и иные вертикальную и горизонтальную поляризации. Эти величины и являются источником информации. Для определения виртуальных токов применен метод электромагнитной томографии. Проведенный анализ показал, что наиболее перспективной переменной является вектор виртуального тока..

Для определения виртуального тока необходимо решение интегро – дифференциального уравнения электромагнитной томогроафии. Оказывается, что в случае крупномасштабных слабо выраженных облачных образований применим метод последовательных приближений. После этого составляющие электромагнитного поля определяются истокообразно. В качестве альтернативного предложен метод, который является аналогом (расширением) метода параболического уравнения. Он позволяет перейти от трехмерного интегро – дифференциального уравнения к системе одномерных интегро – дифференциальных уравнений.

Система математического обеспечения состоит из двух независимых частей. В первой части проводится определение виртуальных токов для ряда моделей облачных образований. В реальной ситуации число моделей ограничено и предполагается: что на основе той или иной модели возможна идентификация типа образования. Во второй части проводится обработка информации, поступающей с приемных пунктов и рассматривается гипотеза о наличии или отсутствии облачного образования. Выводы о типе и характере образования (при его наличии) предполагается проводить совместно с иной информацией: которая имеется в системе гидрометеорологической службы. Для этого необходимо разработать систему экспертных оценок.

Для проведения оценок построены некоторые модели облачных образований и для них определены возможные точности. Например, если размеры образования составляют 1 - 2 км (длина волны порядка 3 км) и параметры образования отличны от параметров вакуума (или стандартной атмосферы) в четвертом знаке, то они могут быть зафиксированы. Более точные оценки могут быть получены экспериментально по мере накопления экспериментального материала.

Результаты теоретических исследований и анализ методов построения системы математического обеспечения представлены в виде монографии, состоящей из трех глав (объем порядка 320 стр.). Монография набрана в системе TEX и готова к публикации. Содержащиеся в ней методы носят более общий характер и применимы при анализе более общих приложений. Монография может быть опубликована в кратчайшие сроки при наличии целевого финансирования. В монографии обосновано утверждение, сто использование радиоволн ОНЧ диапазона для настоящих целей не имеет смысла, Волны этого диапазона распространяются в волноводном канале Земля – ионосфера, а на состояние ионосферы существенное влияние оказывают не облачные образования, а солнечно – земные связи.

Коллектив исполнителей начиная с 60 – х годов прошлого века был связан с созданием математического обеспечения для радионавигационных систем разного типа (Российский институт радионавигации и времени, факультет прикладной математики - процессов управления СПбГУ и физический факультет СПбГУ).

ЛИТЕРАТУРА