Міністерство освіти і науки України

Національний Університет “Львівська політехніка”

Заблоцький Федір Дмитрович

УДК 528.3+528.28

МОДЕЛЮВАННЯ ВПЛИВУ АТМОСФЕРИ

НА АСТРОНОМОГЕОДЕЗИЧНІ ВИМІРИ В ПОЛЯРНИХ РЕГІОНАХ

Спеціальність 05.24.01 – геодезія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти:

·

Прокопов Олександр Васильович, вчений секретар Харківського державного науково-дослідного інституту метрології, м.Харків;

·

·

Провідна установа: кафедра геодезії і геоінформатики Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України, м.Донецьк.

Захист дисертації відбудеться 9 листопада 2002 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 35.052.13 при Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів – 13, вул. С. Бандери 12, ауд. 518 ІІ навч. корпусу

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою 79013, м.Львів вул. Професорська, 1

Автореферат розісланий 1 жовтня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Савчук С.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сьогоднішній день геодезична наука і практика мають у своєму розпорядженні високоточні кутомірні прилади і лазерні віддалеміри та супутникові радіовіддалемірні системи, що дають можливість визначати місцеположення з високою точністю. Інструментальна здатність віддалемірної техніки сягає міліметрової точності, а кутомірної – десятої долі секунди дуги, проте вплив атмосфери значно знижує цю точність. Головним джерелом похибок вимірювання вертикальних кутів в зенітальних астрономічних спостереженнях і тригонометричному нівелюванні, а також віддалей радіо- і світловіддалемірами і радіовіддалемірними системами є просторово-часова нерівномірність зміни показника заломлення повітря на шляху розповсюдження електромагнітних хвиль.

Дослідженнями астрономічної рефракції доведено, що досягнути точних результатів при спостереженнях на великих зенітних відстанях можна лише при надійному представленні стратифікації атмосфери і, в першу чергу, її граничного шару.

Для визначення висот пунктів найточнішим є геометричне нівелювання, однак воно вельми трудомістке. Тригонометричне нівелювання є менш точним, але найбільш придатним в складних фізико-географічних умовах. Проте вплив вертикальної рефракції є основною перешкодою в досягненні ним точних результатів вимірів.

Одним із основних чинників, що обмежує підвищення точності вимірювання віддалей в радіо- і оптичному діапазоні є нерепрезентативність модельного представлення показника заломлення повітря для електромагнітних хвиль в алгоритмах обробки результатів наземних вимірів, а, особливо, вимірів глобальними позиційними системами (GPS) і супутниковими лазерними віддалемірами (SLR). Причина цього полягає в тому, що аналітичні моделі атмосфери, закладені в програмне забезпечення обробки GPS і SLR вимірів, є глобально усередненими і близькими за своїм представленням до стандартних моделей атмосфери.

Необхідно відзначити, що саме у пошуках оптимальних методів визначення і врахування впливу атмосфери на астрономогеодезичні виміри в середніх широтах чималий внесок до фізики приземного шару зробили за останні десятиліття вчені - астрономи і геодезисти. Це, насамперед, (вчені України і колишнього СРСР) О.Ізотов, Л.Пеллінен, А.Островський, І.Колчинський, М.Прілєпін, М.Міронов, О.Прокопов, І.Куштін, Л.Юношев, Б.Джуман, П.Павлів, А.Нефедьєва, А.Харін, І.Тревого, П.Черняга, Л.Хижак, М.Василенко, М.Нелюбін, Д.Масліч, В.Кірічук, Б.Тлустяк та інші, а також зарубіжні вчені – G. Teleki, F.Bruner, J.Saastamoinen, H.Hopfield, J.Marini, R.Langley, G.Dittrich, S.Meier, A.Niel та інші. Тим не менше, ця проблема ще далеко не вичерпана.

Про актуальність, а також гостроту проблеми точного визначення і врахування впливу атмосфери на результати астрономогеодезичних вимірів у полярних регіонах свідчить те, що сучасні геодезичні технології і, в першу чергу, GPS виміри тут широко починають застосовуватись. Зокрема, в материкових зонах, на островах та архіпелагах арктичного регіону створена мережа GPS пунктів та перманентних станцій. Створена доволі розвинена мережа перманентних GPS станцій в Антарктиді, і все більшого поширення набувають щорічні, тривалістю до одного місяця, GPS кампанії, що охоплюють на сьогодні понад 40 антарктичних станцій. Тут діє також супутникова мережа DORIS станцій, перманентно працюють дві станції наддовгобазисної радіоінтерферометрії та організовуються перманентні SLR станції. З 1996 року Україна започаткувала власні різнобічні наукові дослідження на антарктичній станції “Академік Вернадський ”. Разом з цим, в полярних регіонах, а, особливо, в Антарктиді, питання впливу атмосфери на астрономогеодезичні виміри ще майже не досліджувались.

Отже, проблема точного врахування впливу атмосфери на результати визначення просторового положення пунктів полярних регіонів є не менш актуальною і важливою задачею як для середніх широт, оскільки перші суттєво відрізняються фізико-географічними умовами і, насамперед, структурою тропосфери і нижньої стратосфери.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи узгоджується з Державною програмою досліджень України в Антарктиці на 2002-2010 роки і відповідає науковому напрямку кафедри вищої геодезії та астрономії “Дослідження фігури і гравітаційного поля Землі та їх змін в часі на основі обробки високоточних астрономогеодезичних, супутникових і гравіметричних вимірів ”. Автор був керівником ряду госпдоговірних науково-дослідних робіт, тісно пов’язаних з темою дисертації, а саме: “Вдосконалення і розробка методів астрономогеодезичних вимірів в Арктиці і Антарктиді і дослідження впливу атмосфери на їх результати”, № держ. реєстр. 78047795; “Дослідження профілів показника заломлення електромагнітних хвиль оптичного і радіодіапазонів в граничному шарі атмосфери астрономогеодезичними і метеорологічними методами”, № держ. реєстр. 01880053574; “Експериментальні дослідження рефракції і нерівномірності розповсюдження оптичних хвиль в атмосфері”, № держ. реєстр. 01860123687; “Дослідження рефракції і фазового запізнення електромагнітних хвиль в зоні, близькій до горизонту”, № держ. реєстр. 01860053912, а також договору про творчу співдружність за №463 “Вишукування методів врахування рефракції при астрономогеодезичних вимірах в умовах Крайньої Півночі”.

Мета і задачі дослідження. Основною метою дисертаційної роботи є розробка теоретичних положень і практичних рекомендацій щодо врахування впливу атмосфери на точність астрономічних спостережень, тригонометричного нівелювання, супутникових віддалемірних вимірів в оптичному і радіодіапазонах в полярних регіонах. Для досягнення цієї мети в роботі розв’язуються такі задачі:

- встановлення особливостей просторово-часових змін показника заломлення повітря для електромагнітних хвиль в полярних регіонах;

- встановлення точності врахування астрономічної рефракції за існуючими таблицями при зенітальних астрономічних спостереженнях в полярних регіонах та розроблення регіональних і сезонних моделей атмосфери для визначення астрономічної рефракції;

- вишукування оптимальних методів визначення земної вертикальної рефракції в умовах полярних регіонів;

- встановлення характеру атмосферної затримки при SLR і GPS вимірах та придатності існуючих аналітичних моделей для визначення тропосферної затримки в GPS виміри, розроблення оптимальних моделей для врахування її в полярних регіонах;

- відновлення вертикальних профілів показника заломлення повітря для електромагнітних хвиль в граничному шарі атмосфери.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі вперше:

1. Встановлено просторово-часові зміни показника заломлення повітря для хвиль оптичного і радіодіапазону в атмосфері полярних регіонів та вплив представлення граничного шару атмосфери на величину астрономічної рефракції та атмосферної затримки при супутникових віддалемірних спостереженнях.

2. Проведено аналіз точності існуючих таблиць астрономічної рефракції за даними аерологічного зондування атмосфери на дванадцяти полярних станціях і за вимірами кутів рефракції в Заполяр’ї та на Новій Землі.

3. Розроблено сезонні моделі атмосфери для визначення астрономічної рефракції в районах центральної і берегової Антарктиди.

4. Розроблено спосіб визначення астрономічної рефракції за проходженнями верхнього і нижнього країв диску Сонця через один і той же альмукантарат.

5. Встановлено просторово – часові характеристики земної вертикальної рефракції в полярних регіонах та розроблено новий спосіб визначення коефіцієнта земної вертикальної рефракції лише за наземними метеорологічними і синоптичними вимірами.

6. Проведено експериментальний аналіз аналітичних моделей по визначенню атмосферної затримки при GPS та SLR вимірах для полярних регіонів і для порівняння - окремих районів території України.

7. Встановлено долю вологої складової зенітної тропосферної затримки у нижній стратосфері полярних регіонів та розроблено моделі для визначення цієї затримки в зоні Антарктичного узбережжя.

8. Розроблено алгоритми відновлення приземного значення парціального тиску водяної пари за виміряними значеннями атмосферного тиску і температури повітря в полярних регіонах та вертикального профілю показника заломлення повітря для радіохвиль у нижній тропосфері Центральної Антарктиди.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- точному врахуванні атмосферної рефракції при астрономічних спостереженнях в полярних регіонах і, зокрема, в Антарктиді;

- застосуванні методу визначення астрономічної рефракції за спостереженнями Сонця на великих зенітних відстанях у різних фізико-географічних умовах, що дає можливість достовірно описувати характер аномалій рефракції в зоні близькій до горизонту;

- використанні методів і рекомендацій щодо найбільш сприятливих періодів для проведення тригонометричного нівелювання в полярних регіонах;

- врахуванні і прогнозуванні впливу земної вертикальної рефракції за даними лише наземних метеорологічних та синоптичних вимірів в полярних регіонах;

- визначенні та врахуванні зенітної тропосферної затримки при GPS вимірах в зоні Антарктичного узбережжя;

- точному врахуванні парціального тиску водяної пари в результати наземних і супутникових радіогеодезичних вимірів в полярних регіонах.

Основні результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування при виконанні астрономічних спостережень в Антарктиді і тригонометричного нівелювання на Новій Землі, що проводились підприємством “Сєв.-Зап.Аерогеодезія” (м. Санкт-Петербург), в дослідженнях атмосферної рефракції і нерівномірності розповсюдження електромагнітних хвиль в атмосфері в науково-дослідному інституті радіоелектроніки (м. Москва) і в Інституті оптики атмосфери (м. Томськ) та в навчальних курсах “Фізика Землі з основами геодинаміки” і “Основи геодезичної астрономії”, що викладаються в Національному університеті “Львівська політехніка”.

Основні положення, що виносяться на захист.

1.

- оцінити характер розподілу показника заломлення повітря і на цій основі довести можливість використання радіовіддалемірів для точних вимірів відстаней на горизонтальних трасах в центральних районах полярних регіонів;

- оцінити вплив приземної і піднятої температурної інверсії на величину астрономічної рефракції та зробити критичний аналіз застосування в полярних регіонах існуючих таблиць астрономічної рефракції і розробити сезонні моделі атмосфери для точного визначення її кута в районах Антарктичного узбережжя і Центральної Антарктиди.

2.

3.

4.

5. Алгоритми відновлення приземного значення парціального тиску водяної пари в полярних регіонах та вертикального профілю показника заломлення повітря для радіохвиль у нижній тропосфері Центральної Антарктиди, що дозволяє підвищити точність радіовіддалемірних вимірів.

Особистий внесок здобувача. Із наведених у списку опублікованих праць, виконаних у співавторстві, здобувачу належать: 17, 25 – ідеї та алгоритми нових методів визначення кутів астрономічної та земної вертикальної рефракції; 8, 12, 14, 15, 19, 21, 45 – аналіз існуючих і формування нових моделей астрономічної рефракції; 7, 10, 24 – розроблення програм експериментальних досліджень астрономічної рефракції та аналіз результатів; 27, 34 – розроблення моделей приземного шару атмосфери для визначення, врахування і прогнозування величини земної вертикальної рефракції; 9, 18, 20 – формування програм експериментальних досліджень земної вертикальної рефракції; 11 – розроблення алгоритмів з підготовки ефемерид для визначення астрономічної широти і довготи в Арктиці і Антарктиді; 22, 26 – аналіз матеріалів астрономогеодезичних робіт в антарктичних експедиціях; 41, 43 – моделювання впливу вологості повітря на формування показника заломлення для радіохвиль; 16, 33, 36 – аналіз і оцінка впливу нижньої атмосфери на SLR і GPS виміри; 13, 23, 42, 44 – ідеї та алгоритми відновлення вертикальних профілів складових показника заломлення повітря для електромагнітних хвиль.

Апробація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: Всесоюзній нараді з рефракції електромагнітних хвиль в атмосфері, Томськ, 1983; Всесоюзній науково - практичній нараді з проблем вдосконалення апаратурних засобів і таблиць для визначення рефракції електромагнітних хвиль в земній атмосфері, Іркутськ, 1984;14-й Всесоюзній конференції з поширення радіохвиль, Ленінград, 1984; Всесоюзній конференції “Состояние и перспективы развития геодезии и картографии”, Москва, 1984; Міжнародній конференції з рефракції, Ленінград, 1985; Першій Всесоюзній нараді “Полярная метеорология на службе народного хозяйства”, Мурманськ, 1987; XV-й Всесоюзній конференції з розповсюдження радіохвиль, Алма-Ата, 1987; ІІ-й і ІІІ-й Орловській конференціях “Изучение Земли как планеты методами астрономии, геофизики и геодезии”, Київ, 1988, Одеса, 1992; Х-у Всесоюзному симпозіумі з поширення лазерного випромінювання в атмосфері, Томськ, 1989; Другому, Третьому і Четвертому всесоюзних симпозіумах “Метеорологические исследования в Антарктике”, Ленінград, 1981, 1985, 1990; Всесоюзній нараді з приземного розповсюдження радіохвиль і електромагнітної сумісності, Улан-Уде,1990; XVI-й Всесоюзній конференції з розповсюдження радіохвиль, Харків, 1990; ІХ-у з’їзді Всесоюзного астрономо-геодезичного товариства, Новосибірськ, 1990; Всесоюзній конференції “V совещание по атмосферной оптике”, Томськ, 1991; 3-у Міжнародному семінарі “GPS в Центральній Європі”, Пенс (Угорщина), 1995; Першому Міжнародному симпозіумі з лазерної техніки в геодезії і маркшейдерії, Любляна (Словенія), 1995; Науково-практичній конференції ”Сучасні досягнення геодезичної науки і виробництва в Україні”, Львів, 1996; Міжнародному науково-технічному симпозіумі “Геомоніторинг - 99”, Львів, 1999; Другому і Третьому антарктичних симпозіумах з геодезії і картографії, Варшава, 1999, Санкт-Петербург, 2001; Четвертому, П’ятому і Шостому міжнародних науково-технічних симпозіумах “Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища - GPS i GIS технології”, Алушта, 1999, 2000, 2001; Міжнародних науково-технічних конференціях “Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва”, Львів, 2000, 2002; 3-й Міжнародній науково-технічній конференції “Метрологія в електроніці 2000”, Харків, 2000; 2-й і 3-ій міжнародних конференціях “Кадастр, фотограмметрія, геоінформатика – сучасні технології і перспективи розвитку“, Львів - Краків, 2000, 2001; 2-й Міжнародній нараді “Супутникова навігація в регіоні Центрально-Європейської Ініціативи”, Ольштин (Польща), 2000; XXIII – XXVI-й генеральних асамблеях Європейського Геофізичного товариства, Ніца (Франція), 1998, Гаага (Голландія), 1999, Ніца (Франція), 2000, 2001; Міжнародній конференції “Вивчення геодинамічних процесів методами астрономії, геодезії і геофізики”, Полтава, 1991; 3-й науковій конференції “Вибрані питання астрономії та астрофізики”, Львів, 2002; ІІ-й науково-практичній конференції “Застосування GPS в Україні”, Харків, 2002.

Публікації. Результати досліджень за темою дисертації містяться в 69 публікаціях. Основний зміст роботи опубліковано в 46 роботах, приведених наприкінці автореферату. Серед них: 24 статті у наукових фахових виданнях, 1 авторське свідоцтво, 2 статті депоновано в УкрНДІНТІ, 9 статей у збірниках матеріалів конференцій і 9 – у збірниках тез конференцій, 1 стаття розміщена на Інтернет-сайті.

Структура та об’єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 213 найменувань та додатку. Повний обсяг дисертації становить 266 сторінок, ілюстрації складають 17 рисунків та 84 таблиці. В додатку приведені акти впровадження результатів науково-дослідних робіт за темою дисертації.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі описано сучасний стан наукової проблеми, обгрунтовані актуальність та новизна предмету дослідження, сформульовані мета та основні завдання дисертаційної роботи, практична цінність проведених наукових досліджень і розробок, їх реалізація, впровадження та апробація, структура і об’єм дисертаційної роботи, сформульовані основні положення, що виносяться на захист, дані про публікації, апробацію і впровадження результатів досліджень.

Перший розділ присвячено аналізу особливостей просторово-часових змін показника заломлення повітря для електромагнітних хвиль в полярних регіонах. В підрозділі 1.1 охарактеризовані фізико-географічні особливості полярних регіонів, які обумовлюють складність проведення астрономо-геодезичних робіт. Вперше проведено детальний хронологічний огляд астрономогеодезичних робіт і наукових досліджень, що були виконані в радянських антарктичних експедиціях, започаткованих Другим Міжнародним Геофізичним Роком. Підрозділ 1.2 висвітлює особливості вертикального розподілу температури і вологості повітря в нижній атмосфері полярних регіонів. Результати досліджень просторово – часової динаміки показника заломлення електромагнітних хвиль та його складових, отриманих автором, приведені в підрозділі 1.3. Тут же наведена характеристика вихідних даних, що покладені в основу дисертаційних досліджень.

На основі аналізу просторово-часових змін показника заломлення повітря для ЕМХ встановлено їх особливості порівняно зі середніми широтами. Так, за вертикальними градієнтами індексу показника заломлення оптичного GNL і радіодіапазону GNR у нижній тропосфері встановлено, що при:

- неусталеній стратифікації у всіх регіонах, за винятком Центральної Антарктиди, GNRGNL;

- рівноваговій стратифікації і вертикальних градієнтах вологості повітря, близьких до нуля, GNR GNL;

- усталеній стратифікації GNR GNL, а при значному зростанні інтенсивності інверсії GNR GNL. При надінтенсивних інверсіях температури повітря в зимовий період (станція Восток, Центральна Антарктида) градієнти GNR і GNL в декілька разів перевищують відповідні величини для умов рівновагової стратифікації.

Середній добовий хід показника заломлення повітря для радіо- і світлових хвиль в полярних регіонах, у порівнянні зі середніми широтами, невеликий. Максимальна добова амплітуда в Арктиці припадає на осінній період, а в Антарктиді (за даними станції Мірний, Антарктичне узбережжя) на весняний і не перевищує 6-8 од N. В річному ході показника заломлення (рис.1) в Антарктиді переважає в загальному співвідношення NR NL, що викликано малим вмістом водяної пари в повітрі.

Слід відзначити, що в полярних регіонах, а, зокрема, в Антарктиді, завдяки надзвичайно низькому парціальному тиску водяної пари можуть на відміну від середніх широт широко використовуватись і наземні радіовіддалемірні вимірювання. Крім того, висока прозорість повітря (в Центральній Антарктиді вона близька до прозорості в ідеальній атмосфері) дозволяє значно збільшувати дальність світловіддалемірних вимірювань.

Найбільш достовірним джерелом вивчення будови та динаміки тропосфери і нижньої стратосфери є аерологічне зондування. Але воно, в силу значного кроку відображення метеорологічних параметрів з висотою, слабко представляє нижні шари атмосфери (підрозділ 1.4). Тому нами встановлено вплив представлення їх на формування величин астрономічної рефракції r і віддалемірних поправок S у супутникові лазерні виміри для зенітних відстаней Z 75 (табл.1). При інверсійній стратифікації у повну величину астрономічної рефракції суттєву

Таблиця 1

Вклад (%) шарів атмосфери в повну величину r і S

Восток (серпень)

Z | Шар 3,49 км - | Шар 3,49 км -

3,79 | 4,09 | 5,09 | 10,6 | 80 | 3,79 | 4,09 | 5,09 | 10,6 | 80

Вклад, % | r | Вклад, % | S, м

75 | 14,4 | 18,2 | 28,9 | 66,9 | 182 | 5,3 | 9,3 | 20,7 | 67,2 | 5,8

85 | 15,5 | 19,5 | 30,9 | 69,7 | 518 | 5,1 | 9,8 | 22,8 | 68,0 | 15,8

89 | 25,8 | 32,2 | 47,2 | 81,8 | 1532 | 8,6 | 15,6 | 34,7 | 73,0 | 44,1

частку вносить нижній 300 - метровий шар атмосфери. На зенітній відстані Z = 75 вона складає 14%, а при Z = 89,8 перевищує 50%. Вплив різних шарів тропосфери на величину віддалемірної поправки S є більш рівномірним.

Другий розділ присвячений визначенню астрономічної рефракції та її аномалій в зоні близькій до горизонту, що базуються на трьох основних підходах щодо кількісної оцінки кута рефракції:

числовому - визначенні кута астрономічної рефракції шляхом інтегрування профілів показника заломлення чи густини повітря, отриманих за результатами зондування атмосфери;

модельному - побудові глобальних, зазвичай, моделей земної атмосфери і складанні на їх основі таблиць астрономічної рефракції;

інструментальному – найбільш точному визначенні кута рефракції відповідними вимірювальними засобами і методами.

Числове інтегрування виконувалось за модифікованим нами інтегралом астрономічної рефракції (див. ?ikkоlа S. Employing aerological measurement data for refraction evaluation // Suomen. geod. laitok. tied.- 1979.- №3 –6 p.) та розробленим алгоритмом інтегрування вертикального профілю густини повітря (підрозділ 2.2):

На основі аналізу аномалій астрономічної рефракції, що являють собою різниці між кутами рефракції, визначеними за середньомісячними аерологічними профілями 12-и полярних станцій і за Пулковськими таблицями рефракції 5-го видання, встановлено (підрозділ 2.4):

-

- в діапазоні зенітних відстаней до 800 таблиці дозволяють враховувати рефракцію з похибкою біля 1";

- на великих зенітних відстанях, тобто при Z > 800, жодні таблиці рефракції не забезпечують точного врахування астрономічної рефракції в полярних регіонах.

Однією з основних відмінностей в структурі атмосфери полярних регіонів порівняно зі середніми широтами є переважно усталена термічна стратифікація в граничному шарі атмосфери, тому особлива увага приділена дослідженню впливу приземної інверсії температури на величину астрономічної рефракції при спостереженнях на великих зенітних відстанях (підрозділ 2.5). За трьома зимовими моделями атмосфери станції Восток з однаковими метеорологічними параметрами на нижній границі, але з різною інтенсивністю інверсій температури у різних прошарках нижнього 1,5-кілометрового шару атмосфери встановлено, що на зенітній відстані до 75 різниця в кутах рефракції за різними моделями складає лише 0,02, але зі збільшенням зенітних відстаней вона суттєво зростає і на Z = 89 сягає 1. Встановлено також, що особливо значні аномалії рефракції не лише зимою, а й влітку спричиняє піднесена інверсія температури, яка може охоплювати шар товщиною 100-200 метрів, починаючи з висоти 50-70 метрів від земної поверхні.

Виходячи із зазначених особливостей стратифікації атмосфери в Антарктиді, на основі середньомісячних аерологічних профілів станцій Мірний і Восток були розроблені сезонні та середньорічні моделі атмосфери.

У підрозділах 2.7-2.8 наведено результати інструментальних досліджень аномалій астрономічної рефракції на великих зенітних відстанях, виконаних за участю і під керівництвом автора, за спостереженнями Сонця і яскравих зірок в різних регіонах, а саме: в Заполяр’ї (північ Кольського півострова), в Арктиці (Нова Земля), в Середній Азії (Балхаш) та в Прикарпатті (Львів і Бережани).

За аналізом аномалій, отриманих в Заполяр’ї, встановлено асиметрію астрономічної рефракції в напрямках меридіана і першого вертикала, викликану близькими водяними масами Кольської затоки (табл.2), що розташована на схід і північний схід від пункту спостережень. Подібний, але більш суттєво відмінний характер аномалій рефракції в ранковий і вечірній періоди отримано за спостереженнями Сонця на Новій Землі (див. табл.2), що можна пояснити розташуванням пункту спостережень на східному узбережжі, де в ранковий період світловий промінь проходить над поверхнею холодного Карського моря, що призводить до збільшення кута виміряної астрономічної рефракції.

Таблиця 2

Усереднені за градусними інтервалами по зенітних відстанях

аномалії r за спостереженнями Сонця

Кольський півострів | Нова Земля

схід | захід | 14.08 | 15.08 | 16.08 | 17.08

захід | схід | захід | Схід | схід

85,5

86,5

87,5

88,5

89,5 | +6,0

-6,8

-17,7

-30,2

-44,0 | -23,0

-29,0

-31,3

-34,2

-47,1 | 85

86

87

88

89 | -11,0

-10,3

-6,5

+7,7

+34,0 |

+24,4

+43,4 | -8,8

-9,7

-3,4 |

+15,2

+18,7

+11,5 |

+12,8

+3,8

+4,6

-12,0

За спостереженнями яскравих зірок в районі озера Балхаш та в Прикарпатті також встановлено перевагу додатних аномалій у східній частині неба. З аналізу результатів нічних, ранкових та вечірніх спостережень виявлено дещо менші за абсолютною величиною аномалії рефракції в нічний період, що пояснюється

формуванням більш стабільного стану атмосфери. Згідно результатів спостережень Сонця на астрономічній обсерваторії Львівської політехніки найбільші за величиною аномалії рефракції отримано в зимовий період (грудень-січень). Окрім аномалій рефракції r, отриманих за Пулковськими таблицями, визначались аномалії , що являють собою різниці між кутами рефракції виміряними і обчисленими за даними аерологічного зондування на станції Львів. На основі більш ніж 400 значень аномалій r і , отриманих переважно за спостереженнями Сонця, встановлено, що на зенітних відстанях до 85 аномалії r і практично не відрізняються. При Z>85 аномалії r різко зростають за абсолютною величиною і при Z89 вони перевищують аномалії у 3-4 рази, підтверджуючи, що для достовірного отримання кутів астрономічної рефракції на великих зенітних відстанях необхідно використовувати регіональні моделі атмосфери.

У підрозділі 2.9 описано розроблений спосіб визначення кута астрономічної рефракції на великих зенітних відстанях за спостереженнями верхнього і нижнього країв диску Сонця на одному альмукантараті, що дає можливість отримати середнє значення кута рефракції, вільне від несиметричної деформації диску Сонця:

На основі сумісних експериментальних досліджень астрономічної і земної вертикальної рефракції, результати яких приведені в підрозділі 2.10, встановлено тісну кореляцію між аномаліями астрономічної рефракції і коефіцієнтами земної вертикальної рефракції. Тут же описано розроблений алгоритм для числового інтегрування світлового променя при відомих початкових умовах для випадку, коли показник заломлення повітря є функцією полярних координат. Даний алгоритм дає можливість обчислити в полярних координатах плоску траєкторію візирного променя і кути вертикальної рефракції в початковій і кінцевій точках.

Третій розділ присвячено дослідженню земної вертикальної рефракції і її впливу на точність тригонометричного нівелювання в полярних регіонах.

Встановлено характеристики турбулентності повітря і земної вертикальної рефракції за щогодинними градієнтними вимірами температури повітря і швидкості вітру в нижньому 30-метровому шарі атмосфери на станції Мідзухо (табл.3) в період з 1 січня по 31 травня 1981 року (підрозділ 3.2). Виявлено такі особливості температурно-вітрової стратифікації в цьому шарі:

- згин профілю з мінімумом температури на висоті 1 м, при цьому середній розподіл температури крім шару 0,5 - 1м підпорядковується логарифмічному закону;

-

-

-

Таблиця 3

Середньомісячні рефракційні характеристики на станції Мідзухо

Параметри | Години

2 | 6 | 10 | 14 | 18 | 22

Ri(0,5 – 2м)

t, С

V,м/с

с, C /м

r | 2,65

0,38

0,09

0,40

126 | 0,43

0,17

0,08

0,13

58 | 0,00

0,00

0,12

0,03

31 | 0,22

0,31

0,28

0,21

74 | 0,78

0,24

0,13

0,01

26 | 1,48

0,32

011

0,42

129

Примітка: коефіцієнт Ri – число Річардсона, що характеризує сталість термодинамічного стану приземного шару атмосфери; t і V, відповідно, різниця температури і швидкості вітру на висоті 0,5 і 2 м; с - аномальна частина вертикального градієнта температури на висоті 1 м; r – кут земної вертикальної рефракції.

Визначені величини r для ліній довжиною 10 км і еквівалентної висоти променя 4 м вказують на суттєвий вплив рефракції в умовах Антарктичного схилу навіть в літній період. Особливо він проявляється у нічні години. Встановлено найбільш прийнятний період доби для проведення тригонометричного нівелювання, що охоплює термін з 8 до 18 години за місцевим середнім сонячним часом. Проте, навіть і в цей період зміна коефіцієнта рефракції при довжині лінії в 10 км може викликати помилку в перевищенні близькою 2 м.

Розроблено новий спосіб визначення коефіцієнта вертикальної рефракції за даними наземних метеорологічних і синоптичних вимірів на одному пункті. Суть його полягає в наступному. Вимірюють короткохвильову складову сонячного випромінювання Q, альбедо земної поверхні A, атмосферний тиск P і вологість повітря. За умови ізотермії величину поглиненої сумарної радіації прирівнюють до величини ефективного випромінювання

Даний спосіб дозволяє підвищити точність тригонометричного нівелювання на протязі світлового дня. Згідно розробленої методики визначено коефіцієнти вертикальної рефракції за щогодинними середньомісячними значеннями сумарної радіації, альбедо підстелюючої поверхні, тиску і вологості повітря на 5-и антарктичних і арктичних станціях. Встановлено, що в добовому ході коефіцієнта рефракції спостерігається чітка залежність від широти. Так, на Антарктичному узбережжі в літній період коефіцієнт змінюється від 0,1 до 0,5, а на високоширотних станціях відбувається його вирівнювання. В річному ході у всіх регіонах коефіцієнт рефракції зростає від літнього до зимового періоду приблизно в 3-4 рази. Встановлено залежність його від альбедо підстелюючої поверхні та періоди спокійних зображень (псз) і відповідні їм коефіцієнти “нормальної” рефракції, які можуть суттєво перевищувати величини, загальноприйняті для середніх широт.

Широкомасштабні експериментальні дослідження впливу вертикальної рефракції на точність тригонометричного нівелювання були проведені нами у літні періоди 1978-1981 років на 4-х ділянках узбережжя Баренцевого і Карського морів на Новій Землі. Проведені багатосерійні односторонні і двосторонні одночасні вимірювання зенітних відстаней на пункти геодезичної мережі, віддалені в середньому на 10-12 км. На рис.2 приведена схема розташування пунктів, характерна і для інших районів спостережень. За вертикальними градієнтами температури t, отриманими із метеорологічних вимірів, і за середнє інтегральними t встановлено періоди переходу від нормальної стратифікації повітря до інверсійної і навпаки та проаналізовано ступінь кореляції між метеорологічними та середнє інтегральними градієнтами. На основі порівняння виміряних та обчислених для цих періодів коефіцієнтів вертикальної рефракції встановлено, що швидкість зміни з висотою шару ізотермії майже в два рази менша, ніж в середніх широтах, і складає біля 35 м/год.

Слід зауважити, що літом, в години близькі до полудня, над гірськими відкритими каменистими ділянками і, особливо, над каменистою тундрою розвивається значна турбулентність нижніх приземних шарів повітря. В таких умовах була застосована відома методика врахування вертикальної рефракції за коливаннями зображень візирних цілей. Це дало можливість у півтора-два рази підвищити точність тригонометричного нівелювання. Оскільки такі великі експериментальні дослідження були проведені вперше на території колишньої Радянської Арктики, то вони були направлені, в першу чергу, на вишукування найвигідніших умов для проведення тригонометричного нівелювання, що

Рис.2. Схема розташування пунктів спостережень в 3-му районі

співпадають з ПСЗ. Ці періоди встановлювались за такими критеріями: точками перетину графіків добового ходу зенітних відстаней; вертикальними градієнтними вимірами температури у нижньому приземному шарі повітря; затуханнями коливань зображень візирних цілей; мінімальними в добовому ході нев’язками перевищень в трикутниках чи лініях геодезичних мереж; співвідношеннями виміряної і обчисленої критичної швидкості вітру для даного моменту.

За результатами спостережень в ПСЗ в третьому районі виміряні зенітні відстані було поділено на три групи в залежності від критичної швидкості вітру uкрит. З коефіцієнтом рефракції K=0,16, визначеним для лінії одночасного двостороннього нівелювання ?-Ц (?ив. рис.2), отримана мінімальна нев’язка в ході ?-М-Ц - ?. П, що складала біля 5 см при довжині 24 км, для умов uuкрит. При інших умовах (uuкрит) коефіцієнти рефракції зростають, що вказує на існування в цей час інверсійної стратифікації (табл.5).

Таблиця 5

Результати геодезичних і метеорологічних вимірів у періоди

спокійних зображень в третьому районі

Напрямки

спостережень | Виміряні зенітні відстані в ПСЗ при

uu крит | uu крит | uu крит

М-П

М-Ф

Ф- М

Ф-Г.П | 905505,1

90 12 57,2

89 51 38,5

90 33 16,6 | 905504,0

90 12 54,7

89 51 34,1

90 33 15,6 | 905456,9

90 12 46,0

89 51 26,8

90 32 57,5

K геод | 0,160 | 0,176 | 0,284

k мет | 0,158

Виконані дослідження надали можливість надійно встановлювати найбільш сприятливі, з огляду на величину кута рефракції, періоди проведення тригонометричного нівелювання в полярних регіонах, розробити методики розрахунку, визначення та прогнозування коефіцієнтів вертикальної рефракції на певний період для конкретного регіону.

У четвертому розділі висвітлені дослідження просторово-часової нерівномірності показника заломлення повітря та атмосферної затримки при супутникових віддалемірних спостереженнях. В підрозділі 4.1 за підібраними парами зондувань атмосфери для літнього періоду з близькими приземними метеорологічними параметрами в кожній парі, проте з суттєво відмінними їх вертикальними профілями і послідовною заміною відповідних вертикальних профілів між собою в парі кожного параметру встановлено, що:

- заміна профілів атмосферного тиску з різними “вагами” (сумами значень тиску для одних і тих же шарів атмосфери) викликає приблизно однакову зміну різниць поправок SL і SR, підтверджуючи, що збільшення ваги профілю атмосферного тиску збільшує величину атмосферної затримки. Домінуючий вклад в її зміну як в оптичному, так і радіодіапазоні вносить висотний шар атмосфери у межах 3-15 км;

- заміна профілів температури з додатними різницями “ваг” t приводить до зменшення поправок. Основний вклад в зміну атмосферної затримки тут вносить власне тропосфера, тобто шар висотою до 9-11 км;

- заміна профілів парціального тиску водяної пари практично не змінює величин SL, а лише поправки SR. Домінуючий вклад в зміну атмосферної затримки в радіодіапазоні тут вносить нижній 5-и кілометровий шар.

В дослідженнях підрозділу 4.2 встановлено характер сухої та вологої складових показника заломлення повітря і зенітної тропосферної затримки. Визначення окремих складових індексу показника заломлення повітря, а далі, відповідно, тропосферної затримки проводиться за відомою формулою, що справедлива для ідеального газу:

За 50 середньомісячними і миттєвими аерологічними профілями, підібраними для різних регіонів і кліматичних умов, встановлено величини різниць сухої та вологої складових зенітної тропосферної затримки, визначених з допомогою формул (9) і (8):

- для сухої складової різниці становлять біля 1 мм на станціях, відносно близьких за висотами до рівня моря і при температурах повітря біля 0С. Вони змінюються від 0,7 мм при температурі t 20С до 1,3 при t -20С;

- на станціях, розміщених на значних висотах (ст. Восток), вказані різниці зменшуються за рахунок спаду загального атмосферного тиску повітря;

- різниці між величинами вологої складової зенітної тропосферної затримки у всіх регіонах і при різних кліматичних умовах практично дорівнюють нулеві і лише при значному вмісті водяної пари в повітрі можуть досягати -0,1-0,2 мм. Отже, при визначенні вологої тропосферної затримки практично у всіх випадках коефіцієнтом стискування водяної пари можна знехтувати.

За величинами сухої і вологої dw складових зенітної тропосферної затримки, отриманими за середньомісячними аерологічними профілями, встановлено:

- у Центральній Антарктиді (ст.Восток) величина сухої складової становить, через значну висоту над рівнем моря, в середньому 1430 мм, що складає лише 65% у порівнянні з Антарктичним узбережжям і арктичним регіоном. Волога компонента на станції Восток є дуже малою і становить літом лише 0,5% від повної величини зенітної тропосферної затримки, а зимою вона менша 0,1%;

- на Антарктичному узбережжі, включно з Антарктичним півостровом, і в Центральній Арктиці значення вологої компоненти складає влітку 2-4% і зимою 1,4-0,7%. Для порівняння, у південно-західному регіоні України ця величина становить влітку майже 10%.

В підрозділі 4.3 вперше обгрунтовані особливості формування вологої складової зенітної тропосферної затримки в полярних регіонах. В загальному приймають, що на границі тропосфери і тропопаузи величина парціального тиску водяної пари спадає до нуля, а тому профіль вологості повітря для визначення вологої складової тропосферної затримки рекомендують враховувати в межах тропосфери до її верхньої границі. На цій основі побудовані практично всі аналітичні моделі для визначення вологої складової. Такий підхід до певної міри відповідає дійсності для низьких і середніх широт. В полярних регіонах і, в першу чергу, Антарктиді будова нижньої атмосфери суттєво інша. Так, в літній період, на висоті близько 17 км різниця середніх температур повітря між станціями Одеса і Мірний становить -16С, а між станціями Одеса і Острів Хейса -15С. Внаслідок цього, в “теплій” нижній стратосфері полярних регіонів концентрується значна частина масової долі водяної пари, що формує певне зростання її парціального тиску, а, відповідно, і величину вологої складової тропосферної затримки. В табл. 6 показано усереднений (ст.Мірний, січень і ст.Одеса, липень-серпень) відсотковий вклад величин і e у трьох шарах атмосфери .

Таким чином, для точного врахування вологої складової тропосферної затримки у GPS виміри, що проводяться у літній період в полярних регіонах і, насамперед, в Антарктиді, необхідно включати і позатропосферну величину парціального тиску водяної пари приблизно до висот 20-25 км, яка може бути змодельована на основі детального аналізу, в першу чергу, стратифікації нижньої стратосфери за існуючими аерологічними даними полярних станцій, на яких вже проводяться перманентні GPS спостереження або тривалі літні GPS кампанії.

Таблиця 6

Кількісні характеристики (%) вологої складової зенітної тропосферної затримки та парціального тиску водяної пари в різних шарах атмосфери

Волога складова Htrop | HUПарціальний тиск

0.04-

2 км | 2 км-

Htrop | Htrop- HU |