Метод анализа пространственных вариаций интенсивности свечения верхней атмосферы, регистрируемых цифровыми широкоугольными камерами
Введение
1 Современное состояние исследований пространственно-временных вариаций
интенсивности свечения верхней атмосферы 8
1.1 Собственное свечение в атмосфере Земли 9
1.2 Типы возмущений и основные механизмы их генерации 13
1.3 Методы регистрации возмущений в атмосфере и ионосфере 20
1.4 Обзор параметров волновых возмущений, полученных различными методами 24
1.5 Заключение по первой главе
2 Аппаратура и методы обработки измерений 30
2.1 Оптический комплекс ГФО ИСЗФ СО РАН 30
2.2 Методика обработки изображений широкоугольных оптических систем 33
2.2.1 Алгоритм автоматической идентификации звезд 36
2.2.2 Алгоритм географической привязки 40
2.2.3 Алгоритм автоматической идентификации волновых возмущений 42
2.3 Заключение по второй главе
3 Результаты исследования пространственно-временных вариаций интенсивности
эмиссии 630 нм 48
3.1 Исследование вариаций свечения, обусловленного пролетом метеора 48
3.2 Исследование свечения после пролета ракеты-носителя “Протон-М” со спутником
“Ямал-601” в дальней от места старта зоне 60
3.3 Морфологические характеристики волновых возмущений, зарегистрированных в
эмиссии 630 нм 62
3.4 Заключение по третьей главе 70
Заключение 72
Список сокращений 74
Список литературы 80
Во введении представлена актуальность темы диссертации, сформулирована
постановка задачи и краткая аннотация содержания работы по главам, отмечается научная
новизна, достоверность и практическая ценность полученных результатов, сформулированы
защищаемые положения.
Впервойглавеприведеносовременноесостояниеисследований
пространственно-временных вариаций интенсивности свечения верхней атмосферы.
В разделе 1.1 описываются вариации интенсивности свечения атмосферы Земли,
дающие важную информацию о процессах, происходящих на различных высотах. В
средней атмосфере на высотах мезосферы и нижней термосферы располагаются слои
высвечивания различных эмиссий: молекулы гидроксила (87 км), молекулы кислорода (92
км), атомы натрия (93 км), атомы кислорода – эмиссия 557.7 нм (97 км). На высотах
F-области (250 км) ионосферы наибольшие интенсивности имеют эмиссии атомов
кислорода 630 нм. За многолетний период исследований собственного излучения верхней
атмосферы получены сведения о закономерностях поведения параметров как самих
эмиссий, так и слоев атмосферы, в которых возникают эти свечения. Все компоненты
верхней атмосферы, как нейтральные, так и ионизованные, испытывают воздействие
нижней атмосферы и наземных процессов. Акустико-гравитационные волны- это
низкочастотные продольные волны, образующиеся в случае, когда сила земной гравитации
и возвращающая сила, обусловленная градиентом плотности атмосферы, сравнимы с силой
сжатия.Волны,имеющиепериодыбольшеминимальногопредела-периода
Брента-Вяйсяля, называются внутренними гравитационными волнами (ВГВ) или волнами
плавучести. Период Брента – Вяйсяля вычисляется по формуле (1) и имеет значение
меньше, чем π, деленное на угловую скорость вращения Земли:
γ· · γ
τ = 2 · π2= 2π(γ−1)
,(1)
(γ−1)· · ·
где γ = ν
= 1. 4 – отношение теплоемкостей, k- постоянная Больцмана, g –
ускорение свободного падения, T- температура, M- молекулярная масса, mH – масса атома
водорода, H – высота однородной атмосферы.
В разделе 1.2 рассматривается классификация возмущений в зависимости от
масштабов, описываются механизмы возникновения разных типов волновых возмущений.
Акустико-гравитационные волны играют важную роль в процессе переноса импульса
и энергии из нижних слоев атмосферы в верхние. Исследования распространения волн в
верхней атмосфере начались около середины прошлого столетия и продолжаются в
настоящее время с помощью спутникового зондирования, наземных оптических и
радиофизическихинструментов.Однакомеханизмыформирования,определение
достоверных источников волн и их распространения как из нижних слоев атмосферы, так и
из магнитосферы и относительный вклад каждого из источников до конца не ясен.
Существует достаточно большое количество механизмов генерации АГВ и ВГВ. В
результатемногочисленныхтеоретическихиэкспериментальныхисследований
установлено, что источниками волновых процессов в атмосфере и ионосфере могут быть:
орография, погодные тропосферные фронты, глубокая конвекция, солнечный терминатор,
землетрясения, цунами, торнадо, тропические циклоны, пролеты метеоров, полярная и
экваториальная токовые системы и т. д. Также волновые возмущения могут быть
формироваться за счет поступления энергии из магнитосферы во время магнитной суббури
или бури. Кроме естественных источников АГВ существуют и антропогенные факторы,
такие как запуски космических аппаратов, промышленные, военные и атомные взрывы
большой мощности.
В разделе 1.3описаны известные оптические и радиофизические методы
исследования АГВ и ВГВ, в том числе через их ионосферный аналог – ПИВ и посредством
регистрацииинтенсивностисобственного свечения атмосферы. Расстояние между
соседними пространственными колебаниями (фронтами) называют горизонтальной длиной
волны, причем длина волны, может изменяться внутри одного цуга от фронта к фронту.
РазличаюткрупномасштабныеисреднемасштабныеПИВ.ВпервыеПИВбыли
интерпретированы как проявления АГВ в ионосфере в 60-х годах XX века, когда начались
активные исследования с помощью радиотехнических средств [Hines, 1974]. С развитием
радиофизических методов, в особенности с использованием спутников, такие способы
зондирования атмосферы стали играть ведущую роль в исследовании ионосферных
неоднородностей.
Исследования, проведенные в разных регионах наблюдений, указывают на некоторые
особенности параметров распространяющихся волновых возмущений в зависимости от
широты наблюдений и сезона, а также от местоположения возможных источников
возмущений. Следует отметить, что характеристики волновых возмущений и их проявления
в заряженной компоненте в общем случае могут не совпадать. Например, при
распространении возмущений в различных направлениях относительно геомагнитного
поля, следует ожидать различий в поведении нейтральной и заряженной компонент.
Поэтому важно сделать независимые измерения параметров возмущений на высотах
термосферы, чтобы правильно определить их свойства и поведение. Эти измерения можно
использовать для статистического анализа данных, чтобы определить частоту появления
гравитационных волн, их периоды и факторы, влияющие на их амплитуду и частоту
возникновения.
В ходе данного исследования проанализированы работы по регистрации параметров
ВГВ различными методами с пунктов наблюдений, расположенных в различных
широтно-долготных секторах. Обзор проанализированных работ представлен в разделе 1.4.
Наиболее тщательно исследования волновых возмущений выполнены в средних и
экваториальных широтах на японском меридиане, а также в Северной Америке, в Южной
(преимущественно в Бразилии), в Европе. Ночные среднемасштабные ПИВ, в основном,
распространяются на юг либо юго-запад в северном полушарии. Мелкомасштабные
гравитационные волны в средних широтах в северном полушарии имеют тенденцию
распространяться на восток летом и на запад зимой; предполагается, что волны
фильтруются ветрами в средней атмосфере в зональном направлении – на запад летом и на
восток зимой. Преимущественное направление волновых возмущений во многих работах с
помощью различных методов детектирования показывает сезонную зависимость.
Во второй главе приведено описание оборудования и используемой методики
обработки данных. В данной работе использовались данные оптической системы KEO
Sentinel, расположенной в Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН. В разделе 2.1
описываетсякомплексоптическихинструментовГеофизическойобсерватории.
Широкоугольная оптическая система KEO Sentinel предназначена для регистрации
пространственной картины интенсивности эмиссии 630 нм (высота высвечивания 180-300
км). Основные технические характеристики: направление визирования – зенит, поле зрения
145 градусов, время экспозиции 30 – 60 с, полуширина пропускания интерференционного
фильтра ~2 нм [Сыренова и др., 2021].
До настоящего времени обработка данных, полученных с помощью KEO Sentinel,
производилась в ручном режиме. Но ручная обработка большого объема архивных и
оперативных данных требует значительных затрат времени. К тому же такой метод сильно
зависит от субъективного восприятия и квалификации оператора. В связи с вышесказанным
возникла необходимость автоматической обработки данных с целью детектирования
перемещающихся возмущений по данным широкоугольных камер. Подобная методика была
разработана и апробирована на архиве данных оптической системы KEO Sentinel. В разделе
2.2 описываются три блока, из которых состоит методика, позволяющая в автоматическом
режиме производить выделение и идентификацию звезд на кадрах камер, осуществлять
привязку пикселей изображений к географическим координатам, а также автоматически
идентифицировать волновые структуры и определять их основные характеристики. каждый
из блоков методики можно использовать по отдельности.
Первыйблокметодикипозволяетвавтоматическомрежимевыделятьи
идентифицировать звезды на кадрах широкоугольных камер. Данные, полученные с
помощью широкоугольных камер, имеющих объективы типа “рыбий глаз”, зачастую
сложно верифицировать с точки зрения оценки пространственных параметров, поскольку
такие камеры имеют искажения по краям изображений. Для учета имеющихся искажений
была выполнена геометрическая калибровка камеры. В качестве реперных точек
использовались звезды, идентифицированные на изображениях с помощью автоматического
алгоритма. Затем для каждого объекта были сопоставлены азимут и высота в
горизонтальной системе координат с центром в месте расположения камеры и
соответствующие горизонтальный и вертикальный номер пикселя изображения. Для
сопоставления координат пикселя на изображении с соответствующим углом места и
азимутом использовались выражения:
ϕ( , ) = ( )
−1 − 0
− 0
+ ϕ0(2)
( , ) = + + (3)
=( − 0)2 + ( − 0)2(4)
Выражение (2) определяет азимутальный угол с учетом произвольного поворота
камеры на угол ϕ0, где x, y – пиксельные координаты на изображении, x0, y0 – положение
истинного зенита в этих координатах. Уравнение (2) определяет зенитное угловое
расстояние пикселя, которое удобно записать при помощи расстояния между произвольным
пикселем и истинным зенитом на матрице (3). Приведенная зависимость имеет
квадратичный характер относительно расстояния (4) с постоянным коэффициентами a, b и
c. Связь между координатами (2-4) также можно представить в комплексном виде:
ϕ( , )
= + = ( , ) ,(5)
где зависимости (x,y) и φ(x,y) определяются выражениями (2-4). Используя реперные
координаты звезд в горизонтальной системе и их соответствующие положения на матрице
камеры, постоянные коэффициенты в (2-4) можно найти методом наименьших квадратов,
используя (5) как модельную функцию. Минимизационная задача МНК с использованием
(5) решалась при помощи алгоритма Левенберга-Марквардта [Moré, 1978]. В качестве
функции ошибки использовался модуль разности (6) для угла места и азимута объекта из
каталога PyEphem [https://pypi.org/project/ephem/], и для горизонтальных координат,
полученных из координат пикселя, соответствующего центру этого объекта на изображении
камеры:
φ( , )|
| φ
=0
()
= ∑ | − , |
||
(6)
для угла места и азимута n-го объекта из каталога звезд, и его соответствующих
координат на изображении.
На рисунке 1 показана часть кадра оптической системы KEO Sentinel 3 декабря 2016 г.
Всего на полном кадре идентифицировано 22 звезды, совпавших со звездным каталогом, с
яркостью от -1.44 до 1.98.
Рисунок 1 – Пример работы алгоритма идентификации звезд. Показана часть кадра
оптической системы KEO Sentinel, зарегистрированного 3 декабря 2016 г. Кружком
обозначены области кадра, идентифицированные как звезды, квадратом – совпавшие со
звездным каталогом.
Согласно распределению ошибок при определении углов места и азимутов,
погрешность определения координат звезд по сравнению с каталогом составляет менее 1
градуса (СКО=0.84) для углов места и 1 градус (СКО=1.16) для азимута.
Второй блок методики заключается в сопоставлении каждого пикселя изображения
широкоугольной камеры к широте и долготе Земли. Задавая географические координаты
точки наблюдений и предполагаемый диапазон высот изучаемого события, можно найти
координаты проекции события на земную поверхность, решая геодезическую задачу на
шаре.
Третий блок методики выполняет автоматическую идентификацию периодических
структур на изображениях широкоугольных систем и определяет их основные параметры.
Для обработки выбираются ясные безлунные ночи. Выборка данных возможна как
визуальным методом, так и с помощью автоматического алгоритма оценки прозрачности с
помощью наблюдаемых звезд. Первый этап обработки позволяет выделить на кадре
перемещающиесяструктуры.Дляэтогоиспользуетсямодифицированныйметод
временного дифференцирования (Time Differencing method), описанный в работе [Swenson
and Mende, 1984]. Идея алгоритма обработки заключается в построении картины разности
интенсивностей двухпоследовательных кадров. Впервуюочередь изображения
нормализуются, далее происходит попиксельное вычитание двух кадров, при этом все
неподвижные объекты вычитаются, и на кадре остается картина движения неоднородностей
ночного неба. Далее выбираются продольные и поперечные профили интенсивности кадра,
количество которых зависит от формата кадра. Затем рассчитываются кросскорреляционные
функции между каждым профилем и набором эталонных сигналов, которые представляют
собой два периода гармонического колебания различной частоты. Частоты эталонного
сигнала изменяются в анализируемом диапазоне. Если коэффициент корреляции превышает
пороговое значение, равное 0.7, считается, что идентифицировано волновое событие с
частотой, соответствующей частоте эталонного сигнала. Далее находится фронт волны,
определяется область пространства, в которой детектируется возмущение, и его истинная
частота. В случае нахождения возмущений одинаковой частоты в одной и той же
пространственной области изображения детектированные в двух соседних кадрах
возмущения объединяются в одно событие. По взаимокорреляционной функции между
волновыми возмущениями одного события из кадров, полученных в разное время,
определяются скорость и направление перемещения возмущения. Таким образом, получен
массив параметров возмущений, включающий горизонтальные скорости распространения
периодических структур, направления волновых фронтов, горизонтальные длины волн.
В третьей главе представлены основные результаты исследования пространственных
вариаций интенсивности атмосферных эмиссий по данным широкоугольной оптической
системы KEO Sentinel.
В разделе 3.1 приводится исследование метеорного следа, который наблюдался
18.11.2017 в течение примерно 40 минут с помощью двух оптических инструментов,
разнесенных в пространстве на 150 км. Первая камера всего неба KEO Sentinel. Вторая
широкоугольная цветная камера Allsky-340 производства SBIG расположена в Саянской
солнечной обсерватории ИСЗФ СО РАН, вблизи с. Монды (51.60 с.ш., 100.90 в.д., высота
1992 м). В камере используется RGB фотоприёмник Kodak KAI-340 размером 640×480
пикселей, размер пикселя 7.4 мкм, объектив типа “рыбий глаз” с фокусным расстоянием 4
мм и относительным отверстием 1:4, что обеспечивает угловое поле зрения 1850×1450.
Масштаб изображения в зените составляет 18 угловых минут на пиксель. Длительность
экспозиции 60 с.
Метеорные следы с длительностью несколько десятков минут являются достаточно
редким явлением. Наблюдавшийся нами метеорный след с длительностью около 40 минут
сопоставим с длительностью следа, наблюдавшегося [Kelley et al., 2000].
Рисунок 2 – Кадры изображений, полученные в близкие моменты времени с помощью
оптических систем KEO Sentinel (верхний ряд) и Allsky-340 (нижний ряд) 18 ноября 2017 г.
Длительность экспозиция 60 сек.
С помощью разработанной методики были построены проекции метеора на
поверхность Земли и оценены его пространственные параметры. В результате анализа
пересекающихся частей метеора для различных высот было определено, что метеороид
двигался в северном направлении под углом 600 к горизонту. Метеор загорался на высоте
111 км и погас на высоте 78 км, полная длина трека составляет около 38 км. На проекциях
изображений достаточно отчётливо видна неоднородность метеора, возникшая перед его
гашением, которая возникла, вероятно, вследствие фрагментации метеороида.
Применяя такой же подход к максимально совпадающим по времени снимкам
долгоживущего метеорного следа, была определена его пространственно-временная
динамика. Развитие следа происходило в диапазоне высот 88-106 км. Сразу после гашения
метеора долгоживущий след имел размеры порядка 10 км, а перед окончательной
диссипацией характерные продольные и поперечные размеры след составили 375 км и 140
км, соответственно.
Полученные пространственные координаты различных частей следа указывают на то,
что след имеет форму не плоской дуги, а полувитка спирали, растянутой по высоте.
Рисунок 3 – Проекции изображений двух камер (слева Allsky-340, справа KEO
Sentinel) на поверхность Земли с высоты 94 км в 22:33:38 UT. Пронумерованные точки –
части метеорного следа, для проекций которых на поверхности Земли найдены совпадения
для различных высот.
Характерная форма метеора указывает на то, что во время движения метеороида
произошла его фрагментация, вероятнее всего в результате взрыва. По всей видимости, этот
взрыв привел к образованию облака твердых аэрозольных частиц, которое в процессе
своего движения, вызванного взрывной волной и ветровым полем, приняло форму спирали,
закрученной вокруг вектора нормали к поверхности Земли. Аэрозоль, образованный
взрывной фрагментацией метеороида, был сосредоточен на высотах 88-106 км в течение
времени наблюдения. Первоначально, в первые минуты после взрыва аэрозоль двигался во
всех направлениях со скоростью порядка 100-200 м/с. По прошествии нескольких минут
движениезамедлилось до характерных скоростей ветра на указанных высотах.
Спиралевиднаяформаследаопределяетсявертикальнымсдвигомполяветра,
существующим на этих высотах во время наблюдения долгоживущего метеорного следа.
Это подтверждается наблюдением фоновой динамики нейтральной атмосферы в месте, где
наблюдался долгоживущий след ветра при помощи интерферометра Фабри-Перо и
метеорного радиолокатора.
При исследовании данного события возникла еще одна интерпретация возникновения
эллипсоидной формы следа и причинах его свечения. Согласно этой версии долгоживущий
метеорный след обусловлен формой самого метеора: в процессе его разрушения произошла
фрагментация метеорного вещества, вследствие чего след распространяется, сохраняя
примерную форму метеороида, предположительно, в горизонтальном направлении
[Михалев, 2021].
В разделе 3.2 приведены результаты исследования следа, наблюдающегося после
пролета космического аппарата со спутником Ямал-601, запуск которого был произведен
30.05.2019гскосмодрома“Байконур”.Полученыпространственно-временные
характеристики зарегистрированного следа.
Разработанная методика по автоматическому выделению периодических структур
позволила обработать большой массив данных широкоугольной оптической системы KEO
Sentinel. В результате обработки архива данных были идентифицированы волновые
возмущения и получены их основные параметры, которые представлены в разделе 3.3.
Для поиска волновых возмущений были отобраны данные, наиболее подходящие для
обработки – полученные в ясные безлунные ночи с 2014 по март 2021 года. Общее
количество выбранных для анализа ночей составило 112 (~ 770 часов).
Согласно заданным нами значениям частот эталона, мы получили параметры
периодических возмущений по трем группам, которые обозначим как: короткопериодные –
до 20 минут, среднепериодные – от 20 до 60 минут и длиннопериодные – от 60 минут.
Преимущественное направление распространения короткопериодных возмущений по
результатам обработки – на юго-запад и, в меньшей мере, на восток. Горизонтальная длина
волны данных возмущений лежит в пределах 35-50 км, горизонтальная скорость составляет
в среднем около 70-80 м/с. Для среднепериодных возмущений было выявлено также
преимущественное направление на юг и юго-запад. При этом скорости имеют значения
преимущественно 80 м/с, периоды – в среднем около 25-30 минут, горизонтальная длина
волны составляет около 140-160 км. Азимуты длиннопериодных возмущений имеют три
основных направления – юг, юго-запад и юго-восток, скорости распространения около 40
м/с, основное значение периодов ~100 минут, горизонтальная длина волны лежит в
диапазоне от 200 до 300 км.
Проведено сравнение характеристик ПИВ, полученных по данным радиофизического
комплекса ИСЗФ СО РАН с оптическими данными для близких по значению периодов
(рисунок 4). По данным радиофизического комплекса преобладает распространение ночных
ПИВ на юг, юго-запад и на север. Эти значения аналогичны направлениям, полученным для
возмущений аналогичных периодов по оптическим данным, кроме северного.
Рисунок 4 – Распределения параметров перемещающихся ионосферных возмущений
(ПИВ), полученные на основе данных радиофизического комплекса (синие столбцы) и
параметров возмущений, полученных с помощью KEO Sentinel (красные столбцы): а)
периоды, б) азимуты, в) горизонтальная длина волны, г) горизонтальные скорости.
Наиболее вероятные значения скорости распространения волновых возмущений всех
масштабов, полученные в результате автоматической обработки, составляют около 80 м/с.
Горизонтальные длины волн наблюдаемых возмущений для короткопериодных возмущений
составили ~30-40 км, для средне- и длиннопериодных около 150-160 и 250-380 км,
соответственно. Периоды составляют в среднем 60-120 минут. Преимущественное
направление распространения возмущений одинаковое – на юго-запад, но в оптических
данных отсутствует северное направление, регистрируемое в радиофизических данных.
Полученныеюго-западныеиюго-восточные направленияволновыхвозмущений,
подтверждают глобальную особенность наблюдений в средних широтах северного
полушария многими исследователями, которые использовали также данные оптических
наблюдений эмиссии 630 нм и радиофизические методы.
Дальнейшееиспользованиенакопленнойстатистикиисопоставлениес
радиофизическими данными позволит определить наиболее вероятный механизм генерации
волновых возмущений. Также эти данные будут полезны при исследовании взаимодействия
как между нейтральной и заряженной компонентами в области мезосферы-термосферы, так
и между различными высотными слоями атмосферы в процессах переноса энергии и
импульса.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:
– Разработанаметодикадляавтоматическойобработкиианализаданных
широкоугольных оптических систем с узким спектральным диапазоном. Методика
позволяет в автоматическом режиме выделять и идентифицировать звезды на кадрах
широкоугольной оптической системы, производить географическую привязку пикселей
кадра для произвольной высоты, идентифицировать волновые возмущения и определять их
параметры(периоды,пространственныеразмеры,направлениеискорость
распространения).
– Проведен детальныйанализуникального долгоживущего метеорного следа
длительностью около получаса с использованием данных широкоугольных камер, а также
радиолокационных характеристик, полученных при помощи метеорного радара и
ионозонда. Динамика долгоживущего метеорного следа обусловлена ветром, однако в
первые минуты развития следа возможно присутствие высокоскоростной составляющей,
возникшей вследствие взрыва метеорного тела в атмосфере. Возможным источником
свечения следа является гидроксил, образующийся в результате фотохимических реакций
воды метеорного тела с атомарным кислородом верхней атмосферы Земли.
– С помощью разработанного метода на основе данных о пространственном
распределении интенсивности атомарного кислорода 630 нм за период с 2014 по 2021 годы
полученыморфологическиехарактеристикиволновыхвозмущенийнавысотах
высвечивания эмиссии в регионе Восточной Сибири. Установлено преимущественное
направление распространения возмущений на юго-запад и восток. Средние скорости
распространения составили около 80 м/с. Полученные характеристики имеют как сходства,
так и различия с данными радиофизического комплекса ИСЗФ СО РАН.
С использованием оптических инструментов Национального гелиогеофизического
комплекса ИСЗФ СО РАН и возможностью создания пространственно разнесенной базы
наблюденийисприменениемвышеописаннойметодикивозможнопостроение
стереоизображений событий как регулярного, так и нерегулярного характера, что позволит
получатьнаиболее точную информацию о высотах и других пространственных
характеристиках.
Результатом многочисленных фотохимических процессов, в частности, фотоионизации под
воздействием Солнца в дневное время, люминесценции, вызываемой прохождением
космических лучей, хемилюминесценции, является собственное излучение атмосферы,
существующее как в дневное, так и в ночное время. Состоящее из свечения различных эмиссий
оно является важным индикатором процессов, происходящих во всех слоях атмосферы.
Изучение пространственной картины интенсивности атмосферных эмиссий является удобным
способом получения информации о процессах, происходящих на высотах их высвечивания. С
помощью цифровых камер, регистрирующих свечение атмосферы, можно проследить
пространственно-временную динамику возмущений, в том числе волновых, оценить их
основные параметры. Исследование волновых процессов в атмосфере является важной и
актуальной задачей, поскольку волновые возмущения играют существенную роль в динамике
атмосферы, являясь переносчиком энергии и импульса между высотными слоями атмосферы.
Наиболее вероятным источником возмущений являются акустико-гравитационные волны (АГВ)
и внутренние гравитационные волны (ВГВ), источники которых, в основном, находятся в
тропосфере и литосфере. Важным аспектом является изучение и оценка параметров таких
событий, как следы пролетов метеоров, космических объектов, способных также служить
источником волновых возмущений.
При распространении возмущений из нижних слоев атмосферы в верхние амплитуда волн
увеличивается, поэтому возникает возможность регистрации их проявлений на высотах
мезосферы – термосферы. АГВ и ВГВ исследуются как прямыми методами измерения вариаций
параметров нейтральной атмосферы, так и косвенными наземными оптическими и
радиофизическими методами, позволяющими получать пространственное распределение
параметров атмосферы и ионосферы. Измерение параметров волн радиофизическими методами
проводится через их проявления в заряженной компоненте ионосферы – перемещающиеся
ионосферные возмущения (ПИВ) – неоднородности электронной концентрации, которые могут
наблюдаться как одно либо несколько пространственных колебаний.
Наиболее интенсивной атмосферной эмиссией в видимой части спектра на высотах
F-области (около 250 км) является линия высвечивания атомарного кислорода 630 нм.
Использование разнесенных в пространстве двух и более цифровых камер с широким углом
обзора позволяет строить стереоизображения и получать пространственно-временные
характеристики наблюдаемых волновых структур, авроральных дуг, метеорных следов и т.п.
Целью работы является анализ пространственно-временных вариаций интенсивности
атмосферных эмиссий, в том числе волновой природы, на высотах верхней атмосферы.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Выполнение обзора пространственно-временных характеристик возмущений, в том
числе волновой природы, в верхней атмосфере и ионосфере для различных долготно-широтных
регионов, что позволит в дальнейшем оценить влияние локальных особенностей местности
(рельеф, преобладающие погодные условия) на генерацию и распространение волновых
возмущений.
2. Создание методики анализа данных широкоугольных оптических систем, включающей
автоматическую идентификацию звезд, географическую привязку изображений, автоматическое
выделение волновых возмущений и определение их параметров.
3. Обработка архивных данных с целью получения статистически значимых характеристик
проявлений волновой активности в интенсивности атмосферных эмиссий в области
термосферы.
4. Сравнение характеристик возмущений, зарегистрированных в интенсивности
атмосферных эмиссий, с характеристиками перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ),
зарегистрированных с помощью инструментов радиофизического комплекса ИСЗФ СО РАН.
5. Исследование вариаций интенсивности свечения атмосферы, обусловленных
возможными источниками АГВ и ВГВ таких, как пролеты метеоров, запуски космических
аппаратов и т.п.
Научная новизна работы
1. Впервые для среднеширотной зоны азиатской части Евразии (Тункинская долина,
Республика Бурятия) проведены измерения и накоплена база данных измерений
пространственного распределения интенсивности атмосферной эмиссии атомарного кислорода
630 нм за период 2013-2021 годы.
2. Разработана методика обработки кадров широкоугольных камер с узким спектральным
диапазоном, включающая автоматическую идентификацию звезд на кадрах с оценкой их
относительной интенсивности и географическую привязку пикселей кадров для произвольной
высоты. Данная методика также включает алгоритм, позволяющий в автоматическом режиме
идентифицировать волновые структуры на изображениях широкоугольных камер, получать их
параметры и проводить анализ пространственных характеристик в интенсивности атмосферных
эмиссий на основе стереоскопических наблюдений. Автоматический режим работы методики
позволяет обрабатывать достаточно большие массивы данных.
3. Проведено комплексное исследование пространственно-временных характеристик
долгоживущего метеорного следа, зарегистрированного после пролета болида над Тункинской
долиной 18 ноября 2017 г на основе данных пространственно разнесенных оптических и
радиофизических наблюдений. Получено, что динамика наблюдаемого следа обусловлена
ветровым сдвигом, а возможным источником свечения является гидроксил, образующийся в
результате фотохимических реакций воды метеорного тела с атомарным кислородом верхней
атмосферы Земли.
4. Впервые для средних широт азиатского континента (юга Восточной Сибири) получены
морфологические характеристики волновых структур в излучении атмосферной эмиссии 630
нм. Проведено сравнение с параметрами ПИВ, зарегистрированными инструментами
радиофизического комплекса ИСЗФ СО РАН.
Методы исследования
Данные о параметрах верхней атмосферы Земли получены с помощью инструментов
оптического комплекса Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН. Анализ данных проведен с
помощью разработанной в ходе исследования методики автоматической обработки данных
широкоугольных оптических систем, позволяющей получать и анализировать морфологические
характеристики исследуемых возмущений. Статистические характеристики перемещающихся
ионосферных возмущений получены по данным радиофизического комплекса ИСЗФ СО РАН.
Достоверность и обоснованность полученных результатов
Достоверность полученных результатов обусловлена использованием большого массива
экспериментального материала, сопоставлением с результатами других исследователей,
применением апробированных методов экспериментальных исследований и математических и
статистических методик обработки результатов.
Научная и практическая ценность работы
Разработана методика, позволяющая в автоматическом режиме идентифицировать волновые
возмущения и определять их характеристики на кадрах широкоугольных оптических систем с
узким спектральным диапазоном, а также идентифицировать наблюдаемые звезды и проводить
географическую привязку пикселей кадров для произвольного диапазона высот.
При наблюдениях с помощью пространственно разнесенных камер данная методика
позволит наиболее точно восстанавливать пространственные характеристики таких событий,
как волновые структуры, авроральные дуги, метеорные следы, искусственные образования и пр.
Проанализированы пространственно-временные характеристики долгоживущего метеорного
следа, предположительно обусловленного разрушением тела метеора и ветровым сдвигом.
Свечение следа, вероятно, объясняется фотохимической реакцией воды метеорного тела с
атомарным кислородом атмосферы Земли.
В результате проведенных исследований получены морфологические характеристики
перемещающихся волновых возмущений, зарегистрированных в интенсивности атмосферной
эмиссии атомарного кислорода 630 нм в регионе Восточной Сибири. В дальнейшем с
использованием накопленной статистики возможно провести работу по идентификации
источников наблюдаемых возмущений. Также эти данные будут полезны при исследовании
взаимодействия как между нейтральной и заряженной компонентами в области термосферы, так
и между различными высотными слоями атмосферы в процессах переноса энергии и импульса.
На защиту выносятся:
1. Методика обработки и анализа данных широкоугольных оптических систем с узким
спектральным диапазоном, позволяющая в автоматическом режиме идентифицировать звезды,
проводить географическую привязку для произвольной высоты, идентифицировать
перемещающиеся волновые возмущения и получать их пространственно-временные параметры.
2. Пространственно-временные характеристики долгоживущего метеорного следа,
зарегистрированного после пролета болида над Тункинской долиной 18 ноября 2017 г.
Динамика метеорного следа обусловлена вертикальным сдвигом поля ветра, существующим на
этих высотах во время наблюдения. Высота распространения метеорного следа лежит в
диапазоне 88-106 км. Долгоживущий метеорный след распространялся преимущественно на юг
со средней скоростью 80 м/с.
3. Морфологические характеристики перемещающихся волновых возмущений в
интенсивности свечения атомарного кислорода атмосферы, их особенности для региона
Восточной Сибири. Горизонтальные скорости возмущений лежат в пределах 30-100 м/с,
горизонтальная длина волны – в диапазоне ~20-800 км. Преимущественное направление
распространения возмущений на юго-запад и, в меньшей мере, на юг, юго-восток и восток.
Личный вклад автора
Все представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно либо при
его непосредственном участии. Выносимые на защиту положения основаны на результатах
исследований, проведенных автором самостоятельно либо при его непосредственном участии.
Автор принимал прямое участие в получении, обработке, научном анализе и интерпретации
полученных экспериментальных данных.
Апробация работы
Результаты исследований докладывались на симпозиумах и конференциях: Международная
Школа молодых ученых им. А.Г. Колесника “Физика окружающей среды” (Томск, 2016),
Международный симпозиум “Оптика атмосферы и океана.Физика атмосферы” (Томск, 2016,
Москва, 2021), Всероссийская открытая конференция “Современные проблемы дистанционного
зондирования Земли из космоса” (Москва, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020), Международная
Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике и конференции молодых
ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом» (Иркутск, 2017, 2019), Апатитский
семинар с международным участием “Физика авроральных явлений” (Апатиты, 2019),
Международная ассамблея Европейского геофизического общества (EGU General Assembly,
online) (Австрия, Вена, 2020, 2021), Всероссийская конференция “Распространение радиоволн”
(Калининград, 2021).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 34 печатных работах, из них 8 в
рецензируемых журналах, входящих в список ВАК.
Во введении представлена актуальность темы диссертации, сформулирована постановка
задачи и краткая аннотация содержания работы по главам, отмечается научная новизна,
достоверность и практическая ценность полученных результатов, сформулированы защищаемые
положения.
В первой главе приведено описание наблюдений вариаций интенсивности атмосферных
эмиссий. Приведен обзор теоретических и экспериментальных исследований вариаций
интенсивности свечения в верхней атмосфере. Показана роль возмущений в динамических
процессах атмосферы Земли. Рассматриваются вероятные источники и механизмы возмущений,
в том числе волновых, проявления которых регистрируются оптическими методами. Также
описаны известные оптические и радиофизические способы регистрации возмущений
различного характера, в том числе через их ионосферный аналог – перемещающиеся
ионосферные возмущения.
Во второй главе приводится описание комплекса оптических инструментов Геофизической
обсерватории ИСЗФ СО РАН, приведены основные технические характеристики оптической
системы KEO Sentinel, данные которой использовались в работе. Описывается разработанная
методика обработки данных широкоугольных оптических систем с узким спектральным
диапазоном. Первый блок методики позволяет в автоматическом режиме выделять и
идентифицировать звезды на кадрах широкоугольных камер. Далее, во втором блоке методики
производится привязка пикселей изображений к географическим координатам. Третий блок
предназначен для автоматической идентификации периодических структур на изображениях
широкоугольных систем и определении их параметров: периодов, скорости и направления
распространения, горизонтальной длины волны.
В третьей главе представлены основные результаты исследования
пространственно-временных вариаций интенсивности атмосферных эмиссий по данным
широкоугольной оптической системы KEO Sentinel.
В разделе 3.1 приводятся результаты исследования метеорного следа, который наблюдался
18.11.2017 в течение ~40 минут с помощью двух оптических инструментов, разнесенных в
пространстве на 150 км. Форма следа определяется вертикальным сдвигом поля ветра,
существующим на этих высотах во время наблюдения, а вероятным источником свечения может
являться гидроксил, образующийся в результате фотохимических реакций воды метеорного тела
с атомарным кислородом верхней атмосферы Земли.
В разделе 3.2 представлены пространственно-временные характеристики возмущения,
зарегистрированного в интенсивности атмосферной эмиссии 630 нм после пролета
ракеты-носителя (РН) “Протон-М” со спутником “Ямал-601”, запущенного с космодрома
«Байконур» 30.05.2019 г. По данным камеры KEO Sentinel, расположенной в Геофизической
обсерватории (ГФО) ИСЗФ СО РАН регистрировалась протяженная область свечения вдоль
траектории пролета, которая сформировалась через ~ 2-4 минуты после пролета космического
аппарата над ГФО и сохранялась в течение ~20 минут.
Раздел 3.3 содержит основные результаты анализа архива данных пространственного
распределения интенсивности эмиссии атомарного кислорода 630 нм. Впервые для азиатской
части Евразии получены морфологические характеристики проявлений волновых возмущений в
интенсивности свечения атмосферной эмиссии атомарного кислорода 630 нм (направление и
скорость распространения, период, горизонтальные размеры).
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Публикации автора в научных журналах
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (145 отзывов)
4.8 (37 отзывов)
5 (174 отзыва)
4.6 (92 отзыва)
4.5 (80 отзывов)
4 (15 отзывов)
4.9 (35 отзывов)
5 (18 отзывов)
5 (8 отзывов)
