Атмосфера Земли и точность глобального позиционирования Панчук В.Е., Витковский В.В., Юшкин М.В. Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Ставропольский государственный университет

Строение атмосферы Гравитация, химический состав и поток облучения определяют распределение плотности и температуры. Два температурных минимума: в стратосфере и на границе мезосферы и термосферы.

История Существовавшая в СССР система наземного сбора данных об атмосфере, за четверть века сократилась в десятки раз. Обоснованием такого сокращения являлись ссылки на перспективные спутниковые исследования. Техника наземных исследований атмосферы почти не развивалась, исключение составляют лидарные методы активного зондирования. Наземные астрофизические методы, наоборот, активно развивались. За этот же период квантовый выход оптических систем возрос, по крайней мере, на порядок.

При чем тут астрономы? Земная атмосфера – помехи для наблюдений. Современные астрономические обсерватории являются пассивными накопителями информации о состоянии земной атмосферы. Развитая инфраструктура таких обсерваторий, уровень автоматизации спектроскопического эксперимента, доступ к архивам - открывают возможность проводить некоторые исследования оптических свойств атмосферы (как с использованием существующих средств наблюдений, так и с разработкой дополнительных).

Обоснование В системах космической геодезии сигнал проходит сквозь ионосферу и тропосферу. Из-за задержки микроволн на повышенном коэффициенте рефракции расстояния завышаются. Ионосферные процессы и GPS. Лаборатория экспериментальных радиофизических исследований ИСЗФ СО РАН. Концентрация свободных электронов определяется по измерениям на двух частотах. Тропосферная задержка разделяется на две части («сухую» и «влажную»). «Сухую» можно вычислить, зная атмосферное давление. «Влажная» не вычисляется, ее необходимо измерять.

Потеря точности Вариации содержания водяного пара в процессе спутниковых геодезических измерений приводят к существенным ошибкам (в десятки см) определения координат. Геометрия наблюдений такова, что тропосферная задержка втрое понижает точность измерения вертикальной компоненты (по сравнению с горизонтальной компонентой). Т.о., для тех, кто интересуется только координатами X и Y, проблема ошибок по Z не является основной.

Методы измерения Возрастающие требования к точности глобального позиционирования и ограниченные возможности метеорологического моделирования по данным наземных измерений, – заставляют искать способы измерения вариаций влажной компоненты в атмосфере – содержания осажденной воды (W). Используются радиометры водяного пара (WVR), солнечные спектрометры (SS), солнечные фотометры (SPh), радиозонды (RZ) и лидары (L).

Калибровки Работа наземных радиометров водяного пара (WVR) основана на том обстоятельстве, что основная часть солнечного ИК-излучения поглощается парами воды. Интегральный метод. Вертикальное аэрологическое зондирование позволяет непосредственно измерить распределение водяных паров. Но: сложная траектория подъема метеозонда. Лидар – подсвечивание атмосферы в узком диапазоне длин волн, с последующим приемом и экспресс-анализом рассеянного излучения.

Осажденный пар: WVR и GPS Сезонные изменения осажденной воды в атмосфере (мм)

Вариации задержки в зените (влажный компонент, в см), три метода

Геодинамика Измерения сдвига тектонических плит должны выполняться с точностью в несколько мм. Здесь необходима наиболее точная коррекция за тропосферу. Ослабление влияния поправок за счет длительных рядов наблюдений. Микроволновой радиометр–высотомер (AMR) измеряет содержание водяного пара. Но этот высотомер нуждается в независимой калибровке.

Новое направление: GPS-метеорология Точность полуавтоматического определения содержания осажденной воды W по данным GPS-мониторинга составляет около 1-2 мм. Это предельная точность, которую можно получить методом задержки сигнала. Точность, достаточная для нужд метеорологии. Чтобы определить поправки геодезического позиционирования, следует определить количество осажденной воды W в атмосфере точнее, чем это может дать сама система позиционирования.

Видимый и ближний ИК-диапазоны Центры полос водяного пара: 0.54, 0.57, 0.59, 0.63, 0.66, 0.69, 0.70, 0.72, 0.73, 0.79, 0.81, 0.82, 0.85, 0.91, 0.92, 0.94, 0.97, 1.01, 1.11, 1.13, 1.14, 1.20, 1.34, 1.37, 1.38, 1.45, 1.47, 1.87, 1.91, 2.14 мкм. Некоторые окна прозрачности: 0.88, 1.05 мкм. Решение проблемы методами низкого спектрального разрешения возможно в ближнем инфракрасном диапазоне. Полосы видимого диапазона слабее инфракрасных, их можно исследовать только с высоким спектральным разрешением.

При чем здесь САО? Точность в десятые доли мм осажденной воды была получена нами более 30 лет назад, в Специальной астрофизической обсерватории, методом фотометрии в интерференционных фильтрах, центрированных на полосы поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне. Это внутренняя точность метода. В течение года был проведен мониторинг (в каждый ясный и частично ясный день), влагосодержания и прозрачности дневной атмосферы в месте установки БТА.

Дифференциальный фотометр Использовались пары интерференционных фильтров: один центрирован на колебательно-вращательную полосу воды, другой – на соседний участок непрерывного спектра. Пары 0.94/0.88 и 1.13/1.05 мкм. Калибровка по данным аэрологического зондирования.

Солнечный фотометр: сезонные вариации над БТА

САО. Волны влагосодержания перед формированием облачности

САО. Сухая зимняя атмосфера

Низкое и среднее спектральное разрешение Колебательно-вращательные полосы состоят из множества вращательных линий разной интенсивности. Эти линии находятся на различных участках кривой роста и в разной степени чувствительны к изменениям содержания водяного пара. В диапазоне годичных вариаций осажденной воды, некоторые полосы становятся слабо чувствительными к изменениям W. Тогда необходимо произвести замену пары полос. Необходимо измерять отдельные колебательно- вращательные переходы.

Спектрограф высокого разрешения, нм

Изменение контура линии с изменением воздушной массы

Спектр молекулярного кислорода: распределение температуры в атмосфере

Вариации содержания водяного пара

Требования к методу. I. Не создавать помех в деятельности астрономов. Внутренняя точность методов спектроскопического определения содержания осажденного водяного пара W должна быть доведена до 0.1 мм, что достаточно для решения ряда фундаментальных и прикладных задач. Спутниковые измерения: величина геодезической поправки может изменяться со скоростью 30 см за 20 минут. Светосила. Дневная и ночная атмосфера – «две большие разницы». Необходимы разные методы.

Требования к методу. II. Возможность оперативного получения результата. Возможность независимого анализа. Использование ночного инструмента (спектрографа высокого разрешения) днем. Оптоволоконные технологии. Использование вспомогательной оптики астрономических инструментов и обсерваторий. Использование автоматических метеостанций. Использование сетевых технологий.

Пути выполнения требований Создание спектрографа высокого разрешения, подсоединенного при помощи оптического волокна к дневному (солнечному), и ночному (работающему по яркой звезде), телескопам. НИР по фильтрам, изготавливаемым по технологии решеток с объемным фазированием. Разработка портативного метода, сравнимого по стоимости с GPS-приемником. Сравнение измерений, выполненных на разной высоте. Изучение пространственных вариаций W.

Благодарности Наша заявка офи «Сеть мониторинга водяного пара и оперативные поправки глобального позиционирования (ГЛОНАСС)» не поддержана РФФИ. Работа выполняется в лаборатории астроспектроскопии и в отделе информатики в инициативном порядке. Благодарим за внимание.