Специальный практикум Кафедры Физики Атмосферы

   В последнее время в геофизике вообще и в физике атмосферы в частности пристальное внимание уделяется комплексным проблемам, лежащим на стыках различных областей знаний. Физика атмосферы является уникальным объектом научного исследования и обучения студентов различным подходам и методам иследования - от классических схем экспериментального изучения параметров атмосферы и неконтактных (радиометрических) методов определения температуры в лабораторных условиях до изучения климата Земли на компьютерных моделях и использования искусственных спутников Земли в различных геофизических приложениях.
   В связи с этим, в последние годы сложилась концепция развития спецпрактикума кафедры атмосферы, в рамках которой студентов нужно знакомить с самыми современными идеями и методами изучения и моделирования комплексов процессов в атмосфере. Выбранная концепция обсуждалась в ходе активной работы методической комиссии и всего коллектива кафедры.
   Спецпрактикум кафедры физики атмосферы используется для обучения студентов всего геофизического отделения (3, 4 курсов, общее число - около 40 чел.), а не только базовой кафедры - физики атмосферы (количество 'своих' студентов составляет менее 40% от общего числа). В спецпрактикуме проходят педагогическую учебную практику аспиранты кафедры атмосферы. Перечисленные действующие задачи опробованы на студентах кафедры атмосферы и используются при работе со всеми студентами - геофизиками, что позволяет последним получить комплексное представление о состоянии и развитии новых методов изучения атмосферы и различных взаимосвязей в системе планеты Земля.

   Измерения температуры, давления, влажности воздуха и ряда других параметров производятся в одно и то же время на всех метеорологических станциях земного шара. Это дает возможность составить карту погоды, наблюдающуюся в определенный момент на всей Земле, что очень важно для прогнозирования. Для получения адекватного прогноза погоды измерения должны выполняться с достаточно высокой точностью, а показания приборов должны быть приведены к единому международному стандарту.
   Данная задача практикума познакомит студентов с устройством основных типов ртутных барометров, позволит с их помощью выполнить точные абсолютные измерения атмосферного давления, а также даст представление о различных поправках к показаниям ртутных барометров, их физическом смысле.
   Таким образом, целью данной работы является:
  1) Выполнение измерений атмосферного давления по ртутному барометру с проведением оценки точности измерений и сравнения полученных результатов.
  2) Знакомство с практическим применением с методами приведения атмосферного давления к уровню моря.
    Особое внимание при проведении работы уделено физическим аспектам проведения измерений. Задача рекомендована для студентов 3-го курса.

   В ходе выполнения этой, ставшей классической на кафедре, задачи студенты знакомятся с устройством и принципами работы современного радиометра, градуируют его по различным независимым измерениям температуры воды в бассейне, сравнивают полученные результаты.

   
   Радиационный поток от Солнца к Земле, от Земли в космос и перенос энергии от экватора к полюсам являются фундаментальными процессами в климатической системе.
   Эти идеи и были реализованы в одной из первых моделей, предложенной М.И. Будыко и, независимо, А. Селлерсом.
   Студенты имеют возможность провести исследование поведения модельного климата Земли при разных сценариях внешних изменений, разных способах параметризации и по настоящее время дает пищу для плодотворных размышлений о будущем Земли как планеты.
   Предлагаемая задача позволяет изучить изменение среднего климата Земли при изменении баланса солнечной радиации, уходящего излучения и широтного переноса тепла; понять поведение модели при изменении ее параметров.

   Как известно, биосфера Земли в процессе длительного эволюционного развития оказалась приспособленной к определенному уровню ультрафиолетовой (УФ) радиации Солнца, проходящего через атмосферу и достигающего земной поверхности. Увеличение уровня УФ радиации вблизи поверхности Земли может приводить к различным разрушительным последствиям для объектов биосферы (растений, животных и человека).
   Оптимальный для биосферы уровень приземной УФ радиации долгое время определялся достаточной концентрацией слоя атмосферного озона, в существенной мере поглощающим УФ излучение и предохранявшим биосферу Земли от чрезмерного повышения уровня УФ радиации.
   Однако в последнее время, вследствие нарушений состояния озонового слоя Земли, вызванных различными процессами как природного, так и антропогенного происхождения, разрушающее воздействие УФ радиации на различные объекты биосферы существенно увеличивается. Разрушение озонного слоя и связанный с этим рост уровней приземной УФ радиации является в настоящее время одной из важнейших экологических проблем.
   Одним из способов анализа и прогнозирования уровней приземной УФ радиации в настоящее время является численное моделирование режима УФ радиации. При этом под режимом УФ радиации подразумевается спектральное и пространственное распределение составляющих потока УФ радиации в атмосфере.
   В описываемой задаче спецпрактикума кафедры физики атмосферы используется численная модель процесса переноса УФ радиации в атмосфере, позволяющая вычислять режим УФ радиации в зависимости от вышеперечисленных факторов в определенном приближении, и прогнозировать, т.о., уровни разрушающего воздействия УФ радиации на биосферу Земли для различных сценариев нарушений озонового слоя Земли, а также влияния других факторов, определяющих режим УФ радиации в атмосфере.

   Необходимость глобального мониторинга нестационарной и неоднородной ионосферы как части Земли очевидна. Для этой цели создаются национальные сети стационарных станций приема GPS сигналов. В каждой точке земного шара одновременно видно не менее четырех спутников системы GPS и если бы было возможно обладать равномерно распределенной по поверхности земли сетью станций слежения за спутниками, то можно было бы осуществлять глобальный мониторинг атмосферы и ионосферы земли, выделять неоднородные структуры в них, исследовать их характеристики, движение и т.п. К сожалению, география земли такова, что не возможно разместить станции слежения в каждой ее точке, в данный момент в мире существует более 1000 наземных станций, которые довольно широко покрывают Северную Америку, Европу и гораздо хуже Азию. Меньше станций GPS на Тихом и Атлантическом океанах.
Схема размещения станций показана на рисунке.

 
Рис. 1. Схема размещения наземных GPS-приемников.

   На каждой станции находится двухчастотный многоканальный приемник, с помощью которого на двух когерентно-связанных частотах осуществляется высокоточные измерения группового и фазового запаздывания на луче зрения между приемником на земной поверхности и передатчиками на ИСЗ системы GPS. Координаты станции измерены с миллиметровой точностью. Станции могут записывать отдельные или все параметры из следующего списка:
   значение фазы принимаемого сигнала на частотах L1 и L2,
   псевдодальность, восстановленная по C/A-коду на L1 (C1)
   псевдодальность, восстановленная по P-коду на частотах L1, L2 (P1,P2)

   Станции принадлежат различным организациям в разных странах мира, у каждой из которых своя политика относительно методики измерений и доступа к полученной информации. Часть организаций выставляет информацию об измерениях в публичный доступ и записывает данные в стандартном формате - формате RINEX (receiver independence exchange format).
   В мире существует множество национальных ассоциаций обладающих сетью наземных станций слежения. Информация из данных сетей доступна в центре SOPAC. SOPAC - The Scripps Orbit and Permanent Array Center институтов Cecil H. and Ida M. Green Institute of Geophysics and Planetary Physics (IGPP), Scripps Institution of Oceanography (SIO), University of California, San Diego (UCSD). Центр SOPAC содержит архив 250 южно-калифорнийских станций и является ведущим участником в International GPS Service (IGS).
   В рамках работ по инновационному проекту проведена подготовка новой задачи спецпрактикума кафедры физики атмосферы по изучению физики работы и свойств измерительных сигналов спутниковой навигационной системы GPS, ориентированной на приобретаемые навигационные приемники Trimble Total Station 5700.
   Примеры окон при работе с программой приведены ниже.

 
Рис. 2. Визуализация загруженных данных.

   Так, студент имеет возможность визуализовать и исследовать свойства всех наблюдаемых параметров от всех GPS PRN, оценить геометрию их месторасположения относительно приемной станции, выбрать ИСЗ для решения навигационной задачи (т.е. по сути, практически моделировать работу навигационного приемника), рассмотреть влияние ионосферы на точность местоопределения, исследовать временн`ую динамику определения координат приемной станции.

   Задача находится в стадии адаптации к приобретаемой приемной технике, апробируется с использованием различных наборов данных в ходе занятий со студентами 4-го курса.

 
Рис. 3. Имитация работы приемного устройства - анализ спутниковой геометрии.

 
Рис. 4. Примеры выделения ионосферы.

   Результат решения навигационной задачи представлен на рис 5. Видна эволюция местоположения неподвижного маркера (приемной станции) во времени.

 
Рис. 5. Результаты решения навигационной задачи.

   В ходе работ по инновационному проекту осуществлена модернизация задачи в рамках новой естественнонаучной специализации и магистерской программы. Суть проведенной модернизации заключается в адаптации задачи для студентов 3-го курса, что делает возможным ее использование в учебном процессе при подготовке бакалавров. После модернизации в задаче детально рассматриваются физические аспекты геодезических применений системы GPS. При проведении измерений на местности используется одночастотный приемник сигналов GPS Garmin eTrex Vista. Студенты должны определить географические координаты выбранных точек на местности, имеют возможность с помощью специализированной программы рассчитать длину меридиана и параллели на данной широте и сравнить с измеренной на местности. В процессе измерений в разных условиях студенты знакомятся с влиянием атмосферы и ионосферы на результаты измерений. Создано новое описание задачи.

   На кафедре физики атмосферы МГУ совместно с ИЗМИРАН была создана задача спецпрактикума "Обработка ионограмм". Сохранение данных в цифровой форме обеспечивает компактность их хранения и пересылку по компьютерным сетям, что позволяет современному исследователю пользоваться данными геофизических измерений со всего мира. Поэтому представляется важным ознакомить студентов с цифровыми ионограммами и методами их компьютерной обработки.
   Было составлено руководство по выполнению лабораторной работы, создан, записан и постоянно обновляется обширный электронный каталог ионограмм и разработана компьютерная программа для обработки цифровых ионограмм.
   Эта программа позволяет отображать цифровые ионограммы, записанные в графических форматах gif и BMP. Студенты выполняют следующие исследования:
   определение критических частот и действующих высот,
   определение МПЧ и коэффициентов МПЧ (в соответствии со стандартными кривыми передачи для трассы 3000 км),
   аппроксимацию ионограмм кривыми, содержащими логарифмическую особенность, с последующим сохранением полученной высотно-частотной характеристики, а также
   проведение автоматической реконструкции истинных высот по действующим в предположении монотонного роста электронной концентрации с высотой (в том числе при учете магнитного поля).

 
Рис. 6. Измерение критических частот и действующих высот с помощью программы ion.

   Программа ion работает под управлением ОС Windows и обладает развитым удобным пользовательским интерфейсом. На рис. 6 изображено измерение критической частоты обыкновенной волны. Измеряемые частота и действующая высота отображаются в информационной строке в нижней части окна. На рис. 7 показано измерение МПЧ посредством стандартных кривых передачи. В информационной строке указаны: критическая частота, МПЧ и коэффициент МПЧ.
   Возможность аппроксимации ионограммы кривой, содержащей логарифмическую особенность, продемонстрирована на рис. 8. Результат аппроксимации может быть сохранен в файл данных (меню Curve/Save), а также преобразован в значения истинных высот как при учете (меню Curve/Calculate with fH), так и без учета магнитного поля (меню Curve/Calculate), которые также сохраняются в файлы данных. Кривые истинных и действующих высот, соответствующие ионограмме, изображенной на рис. 8., приведены на рис. 9.

 
Рис. 7. Измерение МПЧ.

 
Рис. 8. Измерение действующих высот и вычисление по ним истинных высот.

 
Рис. 9. Действующие высоты и реконструированные по ним истинные высоты при учете и без учета магнитного поля.

   Выполнение лабораторной работы "Обработка ионограмм" позволяет студентам ознакомиться со структурой ионосферы и динамикой ее основных характеристик, основными принципами работы ионозондов, а также с классическими методами зондирования ионосферы.
   Руководство по выполнению лабораторной работы содержит теоретическую часть, в которой изложены основные сведения о структуре ионосферы, модель образования чепменовского слоя, простейшая магнитоионная теория распространения радиоволн в ионосферной плазме, принципы радиозондирования ионосферы. В практической части описывается порядок обработки ионограмм, детально изложены правила работы с программой ion, рекомендации по определению погрешностей измерений. Упражнения выполняются на заданном преподавателем наборе цифровых ионограмм.
   Необходимо отметить, что помимо чисто учебных целей программа обработки ионограмм ion используется в научных исследованиях, проводимых в ИЗМИРАН и на физическом факультете МГУ.