Анотація до роботи:

Островська О.А. Розробка флуктуаційних методів врахування вертикальної рефракції, основаних на законах турбулентності атмосфери. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.24.01 – Геодезія. – Національний університет «Львівська політехніка».

Головним бар’єром, що стримує процес підвищення точності астрономо-геодезичних вимірів є непрямолінійність (рефракція) і нерівномірність (фазові затримки) розповсюдження електромагнітних хвиль (ЕМХ). Пошукам методів ліквідації цього бар’єру, тобто, рефрактометрії, присвячена дисертаційна робота, що анотується. Складність розв’язання проблеми полягає у необхідності знати показник заломлення повітря та його градієнти у множині точок на шляху ЕМХ, що практично неможливо реалізувати. Тому проблема, поставлена ще В.Снеліусом, 400 років тому, повністю не розв’язана і в наш час. Найціннішу інформацію про стан атмосфери на всьому шляху ЕМХ несуть оптичні прояви турбулентності – флуктуації фази, амплітуди тощо. Тому не дивно, що дослідники шукають розв’язання цієї проблеми переважно, намагаючись використати прояви турбулентності. Нажаль, при цьому турбулентність вважають випадковим процесом. Насправді, турбулентність, як і рефракція, характеризується однаковими закономірностями, які обумовлені силами плавучості частинок повітря, тобто, рівнодійною сил Ньютона та Архімеда. Використання закономірностей турбулентності, диференційованих за стійкою, нестійкою та нормальною стратифікаціями атмосфери, а також, знайдених у дисертації змін цих закономірностей з еквівалентною висотою променя над землею, дозволило створити низку нових, більш точних і ефективніших методів визначення та врахування вертикальної рефракції:

А). при термічній турбулентності

1. за екстремальними амплітудами флуктуацій фази протягом 1-2 сек у горизонтальній та вертикальній площинах, записаних камерою ПЗЗ, без визначення на розгортці коливань положення нульових рефракцій;

2. за максимальними флуктуаціями температури повітря за такий самий короткий проміжок часу, виміряними малоінерційними термометрами;

3. за середніми квадратичними значеннями амплітуди коливань , а також за структурною характеристикою турбулентності .

В) при динамичній турбулентності

4. вдосконаленим методом рефракційного базису;

5. флуктуаційним методом при стійкій стратификації атмосфери з одночасним визначенням еквівалентних висот;

6. модернізованим метеорологічним методом з урахуванням вітрового режиму. Оскільки вітровий режим однаковий на деякій території, то це розширює можливості методу. Суть модернізації в аналітичному, а не графічному визначенні деяких параметрів турбулентності.

С) при нейтральній стратифікації

7. визначенням нормальної рефракції з урахуванням вологості повітря;

8. переходом від нормального коефіцієнта до нормального кута рефракції.

У дисертації розроблені теоретичні основи всіх запропонованих методів, встановлена їх точність.

9. Виведена формула поправки за рефракцію, викликану вологістю повітря. Формула працює при будь-якій стратификації і не вимагає градієнтних вимірів вологості.

1. Проаналізовано вклад у величину поправки за рефракцію шести складових строгої формули рефракції. Встановлено, що максимальний вклад вносить аномальний градієнт температури. Цей вклад у сухому повітрі складає 95,8%, у вологому – 82,8%. На другому місці для вологої, ненасиченої атмосфери - вклад градієнта вологості, який складає 12,9%. На третьому місці вклад градієнта тиску – 2,8%. Сумарний вклад решти трьох факторів – 1,5%. Нормальна рефракція для сухого повітря – 4,2%, для вологого ще менша -3,6%.

2. Встановлено, що при термічній турбулентності та взаємодії термічної і динамічної турбулентності та при нестійкій стратифікації, коли потік тепла , масштаб висоти , масштаб температури , параметр статичної стійкості (стійкість відсутня), вертикальні аномальні градієнти температури від’ємні і коливаються у межах від до . Частота максимальних коливань у прошарку 1-260 м від 0,5 до 2-3 Гц.

При динамічній турбулентності і стійкій (інверсійній) стратифікації, коли , , , а параметр статичної стійкості – додатний (), тоді, при будь-якій силі вітру, у певному прошарку повітря має місце ріст температури з висотою – додатні градієнти температури.

Таким чином, динамічна турбулентність нездатна приводити вертикальні аномальні градієнти температури до нуля, що ускладнює визначення рефракції за коливаннями зображень при динамічній турбулентності.

3. Встановлені закономірності зміни рефракції з висотою променя світла над підстилаючою поверхнею, які дозволяють визначати та прогнозувати рефракцію на основі метеовимірів, або відомих градієнтів температури тільки у нижньому триметровому прошарку атмосфери:

8. при термічній турбулентності та нестійкій стратифікації й висотах променя світла до трьох метрів над підстилаючою поверхнею, аномальна рефракція зменшується з висотою обернено пропорційно еквівалентній висоті;

9. при термічній турбулентності та нестійкій стратифікації, починаючи з висоти 3 м, аномальна рефракція зменшується обернено пропорційно еквівалентній висоті у степені .

10. при динамічній турбулентності та стійкій стратифікації аномальна рефракція зменшується обернено пропорційно еквівалентній висоті у прошарку 1-260 м;

11. при нормальній (нейтральній) стратифікації нормальна рефракція у приземному прошарку не залежить від еквівалентної висоти. Аномальна рефракція при цьому відсутня.

Розроблені флуктуаційні методи визначення та врахування рефракції:

1. за екстремальними на протязі 1-2 секунд часу флуктуаціями зображень візирної цілі у вертикальній або горизонтальній площинах відносно осі симетрії коливань (без переходу до ліній нульових рефракцій);

2. за формулою переходу від середніх лінійних квадратичних рефракцій, які видає цифровий нівелір, до середніх лінійних рефракцій – поправок у відліки рейок;

3. за доказаною рівністю , що дозволяє перейти від структурної характеристики термічної турбулентності , яку видає на монітор електронний тахеометр, до поправок за рефракцію у зенітний кут;

4. за коливаннями зображень візирних цілей при динамічній турбулентності та інверсії температури з одночасним визначенням еквівалентних висот. Запропонований метод має перевагу перед методом рефракційного базису, оскільки враховує не тільки еквівалентну висоту, але й вплив на рефракцію підстилаючих поверхонь;

5. за максимальними коливаннями температури, виміряними мало інерційними термометрами опору в одній точці на еквівалентній висоті променя.

Pозроблено модифікований метеорологічний метод визначення рефракції при стійкій стратифікації з врахуванням вітрового режиму. Суть модифікації – у виключенні графічного визначення (за номограмами) параметрів швидкості тертя та потоку тепла , що дозволило підвищити точність визначення градієнтів температури та рефракції майже у три рази.

Виведена формула та розроблена методика визначення та врахування складової аномальної рефракції, обумовленої вологістю повітря. Показано, наприклад, що при дії тільки нормальної рефракції врахування вологості підвищує точність поправок за рефракцію на порядок.

Публікації автора:

1. Мороз О.І., Островська О.А. Основні положення флуктуаційного методу визначення аномальної вертикальної рефракції// Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. – Львів: Ліга-Прес. –2002. - С.110-120.

2. Мороз О.І., Островська О.А. Спроба визначення вертикальної рефракції за миттєвими змінами температур// Геодезія, картографія і аерофотознімання. Міжвідомчий науково-технічний збірник. Львів. Видавництво НУ „Львівська політехніка” – 2002.- № 62.-С.50-54.

3. Островська О.А. Дослідження можливостей визначення аномальної вертикальної рефракції цифровими камерами ПЗЗ// Інженерна геодезія.-Київ.-КНУБА.- 2002.- №48- -С.181-189.

4. Островська О.А. Дослідження частоти максимальних коливань зображень візирних цілей в залежності від висоти променя світла і вертикальних градієнтів температури повітря// Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. – Львів: Ліга-Прес. –2003. - С.159-163.

5. Островська О.А. Формула залежності між середніми та середніми квадратичними аномальними вертикальними рефракціями в турбулентній атмосфері// Геодезія, картографія і аерофотознімання. Міжвідомчий науково-технічний збірник. Львів. Видавництво НУ „Львівська політехніка” – 2003.-№64- С.55-60.

6. Островський А.Л., Островська О.А. До визначення вертикальної рефракції при інверсії температури повітря// VІІІ міжнародний науково-технічний симпозіум. Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища – GPS i GIS-технології.– Алушта (Крим). – 2003. – С.42-46.

7. Островська О.А. Дослідження закономірностей змін аномальної вертикальної рефракції та градієнтів температури з висотою в умовах нестійкої стратифікації атмосфери//.-Вісник геодезії та картографії.-Київ.-2003. – № 1.- С.27-33.

8. Островська О.А. Визначення та врахування складової вертикальної рефракції, обумовленої вологістю атмосфери// Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва.-Львів.-Ліга-прес.-2004.- С.117-119.

9. Островський А., Островська О., Новосад В., Кіселик О. Порівнювальні дослідження точності автоматизованого визначення та врахування аномальної вертикальної рефракції// Геодинаміка.-Львів - 2004. - № 1(4)– С.17-24.

10. Островська О.А. Експериментальна перевірка залежності аномальної вертикальної рефракції від еквівалентної висоти при нестійкій стратифікації атмосфери. ІХ Міжнародний науково-технічний симпозіум. Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища, GPS I GIS – технології. Алушта (Крим) – 2004. – С. 23-25.

11. Островська О.А. Теорія турбулентного методу визначення аномальної рефракції при стійкій стратифікації атмосфери. Геодезія, картографія і аерофотознімання. Міжвідомчий науково-технічний збірник. Львів. Видавництво НУ „Львівська політехніка”. 2004, №65 – C. 76-80.