Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
В ближайшие годы в районе Иркутска планируется строительство радара, сочетающего в себе возможности радаров некогерентного рассеяния (НР) и мезосферно-стратосферно-тропосферных радаров (МСТ) [Жеребцов и др., 2011]. Радар НР-МСТ представляет собой фазированную решетку, состоящую из двух разнесенных антенных полотен, с цифровой многоканальной приемной системой, позволяющей проводить детальную пространственно-временную обработку сигнала обратного рассеяния. Показаны характеристики, конфигурация и возможности антенной и приемопередающей систем радара. Оценивается потенциал радара в основных режимах работы, включающих исследование ионосферы методом НР на высотах более ~100 км и изучение атмосферы с помощью сигналов, рассеянных на флуктуациях показателя преломления, вызванных атмосферными турбулентными неоднородностями, на высотах до 100 км. Моделирование показало, что радар позволит проводить регулярные измерения параметров нейтральной атмосферы на высотах до 26 км, а также наблюдать мезосферное летнее эхо на высотах ~85 км в присутствии заряженных ледяных частиц (при увеличении числа Шмидта) и мезосферное зимнее эхо на высотах ~65 км при повышении фоновой электронной концентрации. Оценка возможностей радара при работе в режиме НР в высотных диапазонах 100–600 и 600–2000 км показала, что в дневных условиях при накоплении 10 мин верхняя граница определения электронной концентрации и температуры ионосферной плазмы составляет ~1500 и ~1300 км соответственно при стандартном отклонении не более 10 %. Верхний предел определения скорости дрейфа составляет ~1100 км при стандартном отклонении 45 м/с. Оценка интерферометрических возможностей радара показала, что он обладает высокой чувстви-тельностью к угловым размерам объекта порядка 7.5 угл. мин, а потенциальная точность определения углов цели может достигать 40 угл. сек.
Радар некогерентного рассеяния, МСТ-радар, фазированная решетка, потенциал атмосферных радаров, ионосфера, атмосфера
ВВЕДЕНИЕ
В рамках проекта Национального гелиогеофизического комплекса планируется создание радара для комплексного исследования атмосферы. Высокая мощность излучения и большая апертура нового радара позволят изучать ионосферу методом некогерентного рассеяния (НР) и нейтральную атмосферу на высотах мезосферы − стратосферы − тропосферы (МСТ). Разработка радара осуществляется Радиотехническим институтом им. акад. Минца (РТИ), имеющим опыт проектирования радиолокационных установок. Проект радара основан на конструкции существующих установок, разработанных РТИ, и модифицируется в соответствии с задачами исследования атмосферы. Необходимо изучить конструктивные особенности нового радара НР-МСТ и оценить его научный потенциал.
Основной задачей радара НР-МСТ является исследование структуры и динамики нейтральной атмосферы и ионосферы, а также взаимодействий между ними. Наблюдения нейтральной атмосферы включают измерение полного вектора скорости ветра, параметров турбулентности и атмосферных слоев на высотах тропосферы, стратосферы и мезосферы. Особый интерес представляют мезосферные эхо-сигналы [Rapp, Lubken, 2004], которые появляются в летнее и зимнее время, иногда сопровождаясь видимыми серебристыми облаками [Romejko et al., 2003]. МСТ-измерения включают также исследования метеоритов на высотах мезосферы и нижней термосферы, рассеяния на тепловых флуктуациях плазмы, атмосферных гравитационных волн и отражающих атмосферных слоев [Hocking, 2011]. Метод НР позволяет получать параметры ионосферной плазмы: электронную концентрацию, температуры ионов и электронов, ионный состав, скорость дрейфа плазмы на высотах 100-2000 км и наблюдать ионосферные неоднородности, когерентные эхо-сигналы, D-слой ионосферы. Таким образом, радар позволит исследовать физические процессы и связи в системе «нейтральная атмосфера − ионосфера − плазмосфера». В задачи радара входят также интерферометрические наблюдения тонкой структуры атмосферных неоднородностей и сосредоточенных целей (спутников, космического мусора и метеоритов), пассивные радиоастрономические наблюдения Солнца и космических радиоисточников. Национальный гелиогеофизический комплекс включает ряд оптических инструментов, которые будут размещаться рядом с радаром НР-МСТ и позволят расширить его диагностические возможности. Так, наблюдения нижней и средней атмосферы совместно с лидарными измерениями позволяют исследовать процессы переноса [Bertin et al., 2001].
Всего в мире насчитывается около десяти радаров НР и двадцать крупных МСТ-радаров. За последние пять лет введены в строй такие инструменты, как МСТ-радар MAASRY в Норвегии [Latteck et al., 2012] и МСТ/НР-радар PANSY в Антарктиде [Sato et al., 2014]. Планируется создание многофункционального радара EISCAT-3D [McCrea et al., 2015]. По своим техническим характеристикам радар НР-МСТ не должен уступать современным установкам мирового уровня. В настоящее время планируется разместить радар вблизи о. Байкал, что позволит исследовать атмосферу и ионосферу над Восточной Сибирью − регионом, где раньше не было диагностического инструмента со столь широким высотным охватом, и дополнить мировую сеть радаров. Кроме того, это даст возможность осуществлять экологический мониторинг атмосферы вблизи озера.
В статье рассматриваются конфигурация антенны и характеристики приемопередающей системы радара, оцениваются рабочий диапазон высот, потенциал при работе в режимах МСТ- и НР-наблюдений и возможности интерферометрических и радиоастрономических исследований.
1. Жеребцов Г.А., Заворин А.В., Медведев А.В. и др. Иркутский радар некогерентного рассеяния // Радиотехника и электроника. 2002. Т. 47, № 11. С. 1339-1345.
2. Жеребцов Г.А., Потехин А.П., Куркин В.И. и др. Радиофизические и оптические инструменты Национального гелиогеофизического комплекса РАН // Распространение радиоволн: XXIII Всеросс. науч. конф. Йошкар-Ола, 23-26 мая 2011 г.: сб. докл. в 3-х тт. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. Т. 1. С. 47-54.
3. Медведев А.В. Развитие методов и аппаратных средств радиофизических исследований верхней атмосферы Земли на Иркутском радаре некогерентного рассеяния: дис. … д.ф.-м.н. Иркутск, 2014. 225 с.
4. Потехин А.П., Медведев А.В., Заворин А.В. и др. Цифровые системы регистрации и управления Иркутского радара некогерентного рассеяния // Солнечно-земная физика. 2008. Вып. 11. С. 77-86.
5. Терещенко В.А., Терещенко В.Д., Черняков С.М. Зимние полярные стратосферные облака 2010 года в высоких широтах // Вестник МГТУ. 2010. Т. 13, № 4/2. С. 1052-1059.
6. Терещенко В.Д., Терещенко В.А., Ковалевич Т.В. Сезонные изменения полярного мезосферного эха средних радиоволн // Труды 20-й Всероссийской конференции по распространению радиоволн. Нижний Новгород, 2-4 июля 2002 г. Нижний Новгород: НИРФИ, 2002. С. 135-136.
7. Bertin F., Campistron B., Caccia J.L., Wilson R. Mixing processes in a tropopause folding observed by a network of ST radar and lidar // Ann. Geophys. 2001. V. 19. P. 953-963.
8. Bowles K.L., Ochs G.R., Green J.L. On the absolute intensity of incoherent scatter echoes from the ionosphere // J. Res. National Bureau of Standards-D. Radio Propagation. 1962. V. 66D, N 4. P. 395-407.
9. Farley D.T. Multiple-pulse incoherent-scatter correlation function measurements // Radio Sci. 1972. V. 7, N 6. P. 661-666. DOI:https://doi.org/10.1029/RS007i006p00661.
10. Fukao S., Sato T., Tsuda T., et al. MU radar: New capabilities and system calibrations // Radio Sci. 1990. V. 25, N 4. P. 477-485. DOI:https://doi.org/10.1029/RS025i004p00477.
11. Gavrilov N.M. Estimates of turbulent diffusivities and energy dissipation rates from satellite measurements of spectra of stratospheric refractivity perturbations // Atm. Chem. Phys. 2013. V. 13. P. 12107-12116. DOI:https://doi.org/10.5194/acp-13-12107-2013.
12. Hagen J.B., Baumgartner H.A. Backscatter gain of aperture antennas // Radio Sci. 1996. V. 31, N 4. P. 693-699. DOI:https://doi.org/10.1029/96RS01095.
13. Hocking W.K. Measurement of turbulent energy dissipation rates in the middle atmosphere by radar techniques: A review // Radio Sci. 1985. V. 20, N 6. P. 1403-1422. DOI: 10.1029/ RS020i006p01403.
14. Hocking W.K. Recent advances in radar instrumentation and techniques for studies of the mesosphere, stratosphere and troposphere // Radio Sci. 1997. V. 32, N 6. P. 2241-2270. DOI:https://doi.org/10.1029/97RS02781.
15. Hocking W.K. A review of mesosphere-stratosphere-troposphere (MST) radar developments and studies, circa 1997-2008 // J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2011. V. 73. P. 848-882. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2010.12.009.
16. Kantha L., Hocking W. K. Dissipation rates of turbulence kinetic energy in the free atmosphere: MST radar and radiosondes // J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2011. V. 73. P. 1043-1051. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2010.11.024.
17. Latteck R., Singer W., Rapp M., et al. MAARSY: The new MST radar on Andøya - System description and first results // Radio Sci. 2012. V. 47. RS1006. DOI: 10.1029/ 2011RS004775.
18. Lübken F.-J. Turbulent scattering for radars: A summary // J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2014. V. 107. P. 1-7. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2013.10.015.
19. Lübken F.-J., Rapp M., Blix T., Thrane E. Microphysical and turbulent measurements of the Schmidt number in the vicinity of polar mesosphere summer echoes // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25, N 6. P. 893-896.
20. Lübken F.-J., Singer W., Latteck R., Strelnikova I. Radar measurements of turbulence, electron densities, and absolute reflectivities during polar mesosphere winter echoes (PMWE) // Adv. Space Res. 2007. V. 40. P. 758-764. DOI: 10.1016/ j.asr.2007.01.015.
21. McCrea I., Aikio A., Alfonsi L., et al. The science case for the EISCAT_3D radar // Progress in Earth and Planetary Science. 2015. V. 2. DOI:https://doi.org/10.1186/s40645-015-0051-8.
22. Murdin J. Errors in incoherent scatter radar measurements // EISCAT Technical Note. 1979. N 79/16. 40 р.
23. Rapp M., Lübken F.-J. Polar mesosphere summer echoes (PMSE): Review of observations and current understanding // Atmos. Chem. Phys. 2004. V. 4. P. 2601-2633. DOI: 10.5194/ acp-4-2601-2004.
24. Rapp M., Strelnikova I., Latteck R., et al. Polar mesosphere summer echoes (PMSE) studied at Bragg wavelength of 2.8 m, 67 cm, and 16 cm // J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2008. V. 70. P. 947-961. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2007.11.005.
25. Romejko V.A., Dalin P.A., Pertsev N.N. Forty years of noctilucent cloud observations near Moscow: Database and simple statistics // J. Geophys. Res. 2003. V. 108, N D8. P. PMR 10-1-10-6. DOI:https://doi.org/10.1029/2002JD002364.
26. Sato K., Tsutsumi M., Sato T., et al. Program of the Antarctic Syowa MST/IS radar (PANSY) // J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2014. V. 118. P. 2-15. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2013.08.022.
27. Shpynev B.G. Incoherent scatter Faraday rotation measurements on a radar with single linear polarization // Radio Sci. 2004. V. 39. RS3001. DOI:https://doi.org/10.1029/2001RS002523.
28. Strelnikov B., Rapp M., Strelnikova I., et al. Small-scale structures in neutrals and charged aerosol particles as observed during the ECOMA/MASS rocket campaign // Ann. Geophys. 2009. V. 27. P. 1449-1456. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-27-1449-2009.
29. Strelnikova I., Rapp M. Studies of polar mesosphere summer echoes with the EISCAT VHF and UHF radars: Information contained in the spectral shape // Adv. Space Res. 2010. V. 45. P. 247-259. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2009.09.007.
30. Von Zahn U., Bremer J. Simultaneous and common-volume observations of noctilucent clouds and polar mesosphere summer echoes // Geophys. Res. Lett. 1999. V. 26, N 11. P. 1521-1524.
31. Watkins B.J., Philbrick C.R., Balsley B.B. Turbulence energy dissipation rates and inner scale sizes from rocket and radar data // J. Geophys. Res. 1988. V. 93, N D6. P. 7009-7014.
32. Zeller O., Zecha M., Bremer J., et al. Mean characteristics of mesosphere winter echoes at mid- and high latitudes // J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2006. V. 68. P. 1087-1104. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2006.02.015.
33. Zrnic D. Estimation of spectral moments for weather echoes // IEEE Trans. Geoscience Electronics. 1979. V. GE-17, N 4. P. 113-128. DOI:https://doi.org/10.1109/TGE.1979.294638.
