Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 511, № 1, стр. 105-111

При изучении различных колебательных процессов геосфер первостепенной задачей является поиск их первоисточников. Это позволяет не только их классифицировать и пеленговать, но и определять физические процессы, возбудившие данные колебания. При межгеосферном взаимодействии сложно определить первоисточник, особенно в случае, когда регистрирующие установки расположены в одной из геосфер. В качестве примера существования таких колебаний можно упомянуть результаты, описанные в работе [1], полученные на разных измерителях уровня моря, расположенных в различных точках Тихого океана и Японского моря. Регистрируемые ими колебания естественным образом были приписаны океану/морю без определения первоисточника. Таким первоисточником, кроме океана, могут быть атмосферные процессы. Но также нельзя сбрасывать со счетов литосферные процессы, хотя и в меньшей степени. На всех приемных станциях были выделены максимумы в диапазоне периодов от 51 мин 16.3 с до 5 мин 53.6 с. Выделенные колебания на станциях, находящихся в Японском море, при морском происхождении могут относиться как к инфрагравитационным морским волнам [2], так и к собственным колебаниям (сейшам) Японского моря и его отдельных частей [3]. При анализе данных, полученных на станциях, установленных в Японском море, были выделены общие колебания на периодах в диапазоне 31 мин 58.7 с–30 мин 05.8 с, которые были приписаны одной из мод собственных колебаний Японского моря, что может быть и неверно. Для точного определения первоисточников указанных колебаний необходимы измерительные системы, расположенные в атмосфере на значительном расстоянии от земли и измеряющие колебательные атмосферные процессы.

К одним из подобных измерительных систем можно отнести спутники и станции Глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Ионосфера – важный с точки зрения прохождения ГНСС-сигнала слой атмосферы, т.к. именно в этом слое происходят наибольшие его искажения. Ионосферные искажения являются вторым по величине источником ошибок в определении координат приемника. Для ГНСС-сигнала среда ионосферы является диспергирующей, заряженные частицы, содержащиеся в этом слое, взаимодействуют с сигналом и вызывают его задержку или опережение. Благодаря дисперсионной природе ионосферы, используя двухчастотные приемники ГНСС, можно измерять полное электронное содержание (ПЭС или TEC) – интегральная электронная концентрация, характеризующая количество свободных электронов во всей толще ионосферы на вертикальной трассе. ПЭС измеряется в единицах ПЭС (TECU), 1 TECU = 10¹⁶ электронов на м². ПЭС определяется по задержке (опережении) радиосигнала, проходящего через ионосферу. ПЭС можно определить по формуле [4]:

По сигналам ГНСС, передаваемым на двух различных несущих частотах, ${{f}_{1}}$ и ${{f}_{2}}$, можно рассчитать дифференциальный (относительный) наклонный ПЭС [5]:

где $A = 40.308~$ м³/с², ${{L}_{1}}{{\lambda }_{1}}$ и ${{L}_{2}}{{\lambda }_{2}}$ являются дополнительными путями сигнала, вызванными фазовой задержкой в ионосфере, const – неизвестный начальный фазовый путь, $nL$ – ошибки в определении фазового пути.

Чтобы нормализовать амплитуду ПЭС и избежать влияния низких углов возвышения, наклонный ПЭС можно преобразовать в вертикальный VTEC, применив формулу [5]:

где ${{R}_{z}}$ – радиус Земли, ${{H}_{{{\text{ion}}}}}$ – высота слоя максимальной ионизации, а ${{\theta }_{s}}$ – угол возвышения спутника.

Точность дифференциальной оценки ПЭС по фазовым измерениям составляет около 0.01–0.02 TECU [6].

В дальнейшем при анализе мы использовали данные ГНСС, полученные с помощью спутниковых систем ГЛОНАСС (24 спутника на высотах 18 840‒19 440 км) и GPS (32 спутника на высоте около 20 150 км) по следующим ГНСС-станциям, расположенным в Приморском крае: ARSN, BKM2, DLNG, IMAN, KALV, LESO, NKHD, NOVP, SHUL, SLAV, VLAD, VLDV, ZAPV (рис. 1).

При анализе были обработаны следующие файлы данных: SLAVR22, ARSNR22, SLAVR21, BKM2R17, ARSNR12, BKM2R12, SLAVR11, ARSNR08, KALVR08, BKM2G31, BKM2G31, ARSNG31, ARSNG27, SLAVG26, SHULG26, ARSNG26, BKM2G26, SHULG26, BKM2G19, BKM2G16, ARSNG16, ARSNG08. Где первые четыре буквы (или три буквы с одной цифрой) обозначают наземный пункт приема, далее одна буква обозначает принадлежность спутника к системе ГЛОНАСС (R) или GPS (G), далее номер спутника. В системе GPS и ГЛОНАСС установленные на спутниках высокостабильные эталонные генераторы опорных частот одновременно являются и хранителями точного времени. Каждый спутник имеет 4 цезиевых атомных стандарта частоты с относительной нестабильностью частоты за сутки около 10^–13. Таким образом, спутниковые сигналы обеих систем несут еще и метки времени, при помощи которых осуществляются сверка временных шкал с государственными эталонами и синхронизация часов спутника и аппаратуры потребителя. К сожалению данные, доступные для обработки, не обладали высоким качеством, что не позволило получить файлы данных большой длительности. Максимальная длительность файла составила 430 мин при частоте дискретизации 0.03(3) Гц (30 с). При такой длительности можно получить частотное разрешение 3.87 × 10^–5 с, что явно недостаточно для разделения близлежащих максимумов на очень низких частотах, а первым уверенно значащим колебанием можно считать колебание на периоде около 43 мин. Все полученные экспериментальные данные были профильтрованы полосовым фильтром Хэмминга с граничными частотами 0.016 и 0.000278 Гц, соответствующие периодам 1 и 60 мин, что позволило уверенно говорить о выделении колебаний, лежащих в диапазоне периодов от 55‒60 до 1 мин.

Обработка всех рядов выполнялась с применением быстрого преобразования Фурье, а для уточнения параметров выделенных колебаний дополнительно применялся метод максимального правдоподобия с числом гармоник 20 или 60, в зависимости от длины ряда. Первоначально ряды обрабатывались целиком. Для более точного изучения времени возникновения выделенных колебаний основные ряды делились на две равные половины, которые были подвергнуты описанным выше методам обработки. Минимальная длительность ряда, который делился пополам, составляла 309 мин. Ряды меньшей длительности не делились. В процессе проведенной обработки для каждого спутника были выделены основные энергонесущие максимумы, полученные по трассе “спутник‒приемник”.

Все спутники двигались по сложной траектории, пролегающей над несколькими территориями и акваториями. В качестве характерного примера можно привести треки станция-спутник SLAVR22 и SHULG16, см. рис. 2. Эти спутники пролетали вблизи морских станций, приведенных в статье [1]. Можно предположить, что приемные морские станции, описанные в работе [1] и находящиеся в зоне пролетов спутников, наряды с морскими колебательными процессами, могли записать и атмосферные колебательные процессы. Это может быть как в фоновом режиме, так и при прохождении атмосферного импульса, сгенерированного взрывом вулкана. Треки всех перечисленных выше спутников пролегали над континентальными, островными и полуостровными территориями, окружающими Японское море, выходя частично в Тихий океан, море Бахай и Охотское море. Поэтому данные этих всех спутников могли содержать информацию о колебательных процессах атмосферы в этом регионе исследований, которые могли оказывать нагружающее воздействие на уровень моря/океана, которое регистрировалось приемными станциями, описанными в работе [1]: Preobrazhenije, Vladivostok, Pos’et, Mera, Tosashimizu, Aburatsu, Chichijima, Naha. Конечно, сюда можно добавить и полигон на м. Шульца. В табл. 1 приведем результаты обработки данных указанных измерительных систем, взятых из работы [1].

Далее остановимся на результатах обработки указанных выше рядов спутниковых данных. При спектральной обработке были выделены максимумы, приведенные в табл. 2 и 3. Данные взяты за 15 января 2022 г.

Анализируя данные, приведенные в табл. 2 и 3, можно отметить, что все выделенные максимумы группируются в шесть диапазонов с небольшими отклонениями от среднего по каждому спутнику и каждой станции. Седьмой диапазон выглядит разрозненным, хотя и там можно отметить максимумы на периодах 2 мин 45.1 с‒2 мин 12.3 с, 3 мин 50.4 с‒3 мин 28.8 с. Периоды колебаний отмеченных шести диапазонов легко вписываются в наблюдаемые периоды колебаний морских станций, расположенных в Японском море и в Тихом океане вблизи Японских островов. То есть мы можем утверждать, что периоды колебаний полного электронного содержания, зарегистрированные спутниками на трассе “спутник‒приемник”, с довольно хорошей точностью совпадают с некоторыми периодами колебаний, выделенных на морских станциях япономорского региона, взятых из работы [1]. В качестве характерного примера можно привести спектр, полученный при обработке ряда длительностью 759 (спутник ARSNG08) методом максимального правдоподобия (число гармоник равно 60), см. рис. 3. На нем выделяются мощные максимумы на периодах 30 мин 27.8 с (А = 0.79), 46 мин 20.4 с (А = 0.77).

Указанные совпадения могут указывать на то, что периоды колебаний полного электронного содержания обусловлены собственными колебаниями Атмосферы. Ранее в работе [7] утверждалось, что многие осцилляции, регистрируемые вертикальными сейсмометрами, гравиметрами, деформографами и наклономерами, обусловлены собственными колебаниями Атмосферы. Результаты настоящей работы, а также работ [1, 7] показывают, что многие регистрируемые в воде и на земле колебания в диапазоне периодов обычных атмосферных внутренних гравитационных волн обусловлены собственными колебаниями Атмосферы. Эти собственные колебания Атмосферы, воздействуя на земную кору и водную поверхность морей и океанов, вызывают там колебания соответствующих периодов. Хотя нельзя сбрасывать со счетов воздействие океана на генерацию колебаний аналогичных периодов, на что указано в работе [8].

В заключение можно отметить, что не по всем спутникам наблюдается совпадение выделенных периодов колебаний. Это естественно, так как каждый спутник летит по своей траектории, захватывая различные слои Атмосферы между местом своего нахождения и наземной станцией. Поэтому периоды колебаний даже для одной станции, но для разных спутников должны отличаться в каких-то разумных пределах. Более того, Атмосфера достаточно динамичная среда, в которой периоды собственных колебаний не могут быть неизменными в отличие, например, от собственных колебаний Земли, которые также не неизменные, но в гораздо меньших пределах.