Радиозатменное зондирование¶

Радиозатменное зондирование — это метод дистанционного зондирования атмосферы Земли и других планет, основанный на анализе изменений характеристик радиосигнала, проходящего через атмосферу (или ионосферу) при заходе (или восходе) источника сигнала за лимб планеты. Метод позволяет получать вертикальные профили температуры, давления, плотности, влажности (в тропосфере) и электронной концентрации (в ионосфере) с высоким вертикальным разрешением и глобальным охватом.

¶История

Идея использования радиосигналов для изучения атмосферы была впервые реализована в 1960-х годах в ходе космических миссий США и СССР. Первые эксперименты по радиозатменному зондированию проводились при исследовании атмосферы Марса и Венеры с помощью автоматических межпланетных станций. В 1965 году советская станция «Венера-3» впервые передала данные о радиозатменном сигнале, прошедшем через атмосферу Венеры.

В 1970-х годах метод был адаптирован для изучения атмосферы Земли. Первые успешные эксперименты с использованием навигационных спутников (например, системы «Транзит») показали возможность зондирования земной ионосферы. Однако широкое применение радиозатменного зондирования стало возможным только в 1990-х годах с появлением глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), таких как GPS (США), ГЛОНАСС (Россия), Galileo (ЕС) и BeiDou (Китай).

Ключевым проектом, продемонстрировавшим потенциал метода, стала миссия GPS/MET (1995-1997), организованная Университетом штата Аризона и Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA). В ходе этой миссии на низкоорбитальном спутнике MicroLab-1 был установлен приёмник GPS, который фиксировал сигналы от навигационных спутников, заходящих за горизонт Земли. Эксперимент подтвердил возможность получения точных профилей температуры и влажности в тропосфере, а также электронной концентрации в ионосфере.

С 2000-х годов началось активное развёртывание специализированных спутниковых группировок для радиозатменного зондирования. Среди них — COSMIC (Тайвань-США, 2006), GRAS (Европа, 2006), MetOp (Европа, 2006-2018), а также российские проекты, такие как «Метеор-М» (с 2009 года) и «Ионосфера» (планируется). На 2024 год радиозатменное зондирование является одним из основных источников данных для численного прогноза погоды и мониторинга космической погоды.

¶Физические основы метода

Радиозатменное зондирование основано на измерении изменений фазы, амплитуды и частоты радиосигнала при его прохождении через атмосферу. Когда радиоволна распространяется в атмосфере, её скорость и траектория искажаются из-за рефракции (преломления) и поглощения. Эти эффекты зависят от состава, плотности, температуры и влажности воздуха (в тропосфере) или от концентрации свободных электронов (в ионосфере).

¶Принцип измерения

Приёмник, установленный на низкоорбитальном спутнике (высота 500–800 км), непрерывно отслеживает сигналы от навигационных спутников, находящихся на средних орбитах (высота около 20 000 км). Когда навигационный спутник заходит за горизонт Земли (или восходит из-за него), его сигнал проходит через всё более глубокие слои атмосферы. Приёмник фиксирует доплеровский сдвиг частоты, вызванный изменением скорости распространения радиоволны в атмосфере.

Доплеровский сдвиг связан с углом рефракции — углом, на который отклоняется луч при прохождении через атмосферу. Угол рефракции, в свою очередь, зависит от градиента показателя преломления атмосферы на пути луча.

¶Обратная задача

Из измеренных доплеровских сдвигов и амплитуд сигнала восстанавливается профиль показателя преломления атмосферы в зависимости от высоты. Для этого используется преобразование Абеля (интегральное преобразование, связывающее угол рефракции с показателем преломления).

В тропосфере (до высоты 10–15 км) показатель преломления зависит от температуры, давления и парциального давления водяного пара. Для разделения вкладов температуры и влажности требуется дополнительная информация (например, данные с других спутниковых или наземных измерений). В стратосфере (выше 15 км) влажность пренебрежимо мала, и показатель преломления однозначно определяет температуру.

В ионосфере (выше 60 км) показатель преломления зависит от концентрации свободных электронов. Радиозатменное зондирование ионосферы позволяет получать профили электронной концентрации с высоким вертикальным разрешением.

¶Типы радиозатменного зондирования

¶Пассивное зондирование

Используются сигналы от естественных источников — Солнца, Луны или других космических объектов. Этот метод применялся в ранних экспериментах (например, при изучении атмосферы Венеры и Марса). В настоящее время пассивное зондирование используется редко из-за ограниченной точности и сложности интерпретации данных.

¶Активное зондирование

Основано на использовании сигналов от искусственных источников — навигационных спутников (GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou). Активное зондирование обеспечивает высокую точность, глобальное покрытие и возможность непрерывного мониторинга. Именно этот тип зондирования применяется в современных метеорологических и ионосферных исследованиях.

¶Одностороннее и двустороннее зондирование

• Одностороннее зондирование: сигнал проходит от навигационного спутника к приёмнику на низкоорбитальном спутнике. Это наиболее распространённый метод.
• Двустороннее зондирование: сигнал передаётся с одного низкоорбитального спутника на другой через атмосферу. Этот метод позволяет получать данные с ещё более высоким вертикальным разрешением, но требует синхронизации передатчика и приёмника.

¶Применение

¶Метеорология и прогноз погоды

Радиозатменное зондирование предоставляет данные о вертикальных профилях температуры и влажности с глобальным охватом, включая океаны, полярные регионы и труднодоступные районы. Эти данные используются в системах численного прогноза погоды (например, в моделях ECMWF, GFS, COSMO-Ru). Исследования показывают, что включение радиозатменных данных улучшает точность прогнозов на 5–15%, особенно в регионах с дефицитом традиционных наблюдений (например, над океанами).

¶Мониторинг климата

Данные радиозатменного зондирования, накопленные за более чем 20 лет, позволяют анализировать долгосрочные изменения температуры и влажности в тропосфере и стратосфере. Метод обеспечивает высокую стабильность калибровки, что делает его ценным для климатических исследований.

¶Ионосферные исследования

Радиозатменное зондирование позволяет изучать структуру и динамику ионосферы, включая такие явления, как ионосферные бури, спорадические слои E, плазменные пузыри и возмущения, вызванные солнечной активностью. Эти данные важны для обеспечения радиосвязи и работы спутниковых навигационных систем.

¶Планетология

Метод активно применяется для изучения атмосфер других планет. Например, с помощью радиозатменного зондирования были получены данные об атмосфере Марса (миссии «Марс-Экспресс», «Марс-Реконнессанс Орбитер»), Венеры («Венера-Экспресс»), Юпитера («Галилео») и Сатурна («Кассини»). Радиозатменное зондирование позволяет определять состав, температуру и давление в атмосферах этих планет.

¶Технические аспекты

¶Спутниковые группировки

Для радиозатменного зондирования используются как специализированные спутники, так и спутники других систем, оснащённые приёмниками ГНСС. Среди основных группировок:

• COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate) — тайваньско-американская группировка из 6 спутников (запущена в 2006 году). Обеспечивает до 2000 радиозатменных профилей в сутки.
• MetOp (MetOp-A, MetOp-B, MetOp-C) — европейские метеорологические спутники, оснащённые прибором GRAS (GNSS Receiver for Atmospheric Sounding). Каждый спутник даёт около 600 профилей в сутки.
• «Метеор-М» — российские метеорологические спутники (серия «Метеор-М» №1, №2, №3), оснащённые приборами для радиозатменного зондирования. Спутник «Метеор-М» №2-2, запущенный в 2019 году, обеспечивает сбор данных для прогноза погоды.
• TROPICS (NASA, 2022) — группировка из 6 кубсатов для мониторинга тропических циклонов, использующая радиозатменное зондирование.

¶Обработка данных

Данные радиозатменного зондирования проходят несколько этапов обработки:

1. Сырые данные: измерения фазы, амплитуды и доплеровского сдвига сигнала.
2. Расчёт углов рефракции: с использованием модели траектории спутников.
3. Восстановление профилей показателя преломления: с помощью преобразования Абеля.
4. Извлечение метеорологических параметров: температуры, давления, влажности (для тропосферы) или электронной концентрации (для ионосферы).

Для повышения точности используются методы фильтрации шумов, коррекции за влияние ионосферы (для тропосферных профилей) и ассимиляции данных в численные модели.

¶Преимущества и ограничения

¶Преимущества

• Глобальное покрытие: данные доступны для всех регионов Земли, включая океаны и полярные области.
• Высокое вертикальное разрешение: до 0,1–0,5 км в тропосфере и 1–2 км в ионосфере.
• Независимость от погоды: радиоволны проходят через облака и осадки.
• Высокая стабильность калибровки: не требуется сложной наземной калибровки, так как измерения основаны на точных данных о движении спутников.
• Низкая стоимость: использование существующих навигационных спутников снижает затраты.

¶Ограничения

• Горизонтальное разрешение: профиль усредняется по горизонтальной траектории луча (длина пути до 300 км).
• Чувствительность к влажности: в тропосфере требуется дополнительная информация для разделения вкладов температуры и влажности.
• Ограничения по высоте: в нижней тропосфере (ниже 2–3 км) точность снижается из-за сильной рефракции и влияния облаков.
• Зависимость от количества спутников: плотность профилей зависит от числа доступных навигационных и низкоорбитальных спутников.

¶Перспективы развития

На 2024 год ведутся работы по созданию новых спутниковых группировок для радиозатменного зондирования. В России разрабатывается проект «Ионосфера» (запуск планируется на 2025–2026 годы), который будет включать несколько спутников для мониторинга ионосферы и тропосферы. В США и Европе реализуются программы по увеличению плотности радиозатменных наблюдений, в том числе с использованием кубсатов (например, миссия CYGNSS).

Развитие методов машинного обучения и искусственного интеллекта позволяет улучшить обработку данных и повысить точность восстановления профилей. Также ведутся исследования по использованию радиозатменного зондирования для изучения атмосфер экзопланет (путём анализа радиосигналов от далёких звёзд, проходящих через их атмосферы).

¶Источники

• Космическое радиозатменное зондирование атмосферы Земли: метод и результаты / под ред. В. А. Тищенко. — М.: Наука, 2010.
• Курдюков А. П., Павлов А. Н. Радиозатменное зондирование атмосферы Земли с использованием сигналов ГНСС // Успехи современной радиоэлектроники. — 2015. — № 4. — С. 3–18.
• Hajj G. A. et al. COSMIC GPS Ionospheric Sensing and Space Weather // Radio Science. — 2004. — Vol. 39, RS1S01.
• Wickert J. et al. GPS Radio Occultation: Results from the CHAMP and GRACE Missions // Journal of the Meteorological Society of Japan. — 2004. — Vol. 82, No. 1B. — P. 381–399.
• Доклад «Развитие методов радиозатменного зондирования в России» / Институт космических исследований РАН. — 2022.