ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2011, том 51, № 4, с. 520-526
УДК 537.862
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ИОНОСФЕРНО-МАГНИТОСФЕРНОМ КОНТУРЕ © 2011 г. В. П. Сивоконь
Учреждение РАН Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН,
Паратунка, Камчатский край
e-mail: vsivokon@mail.ru Поступила в редакцию 17.02.2010 г. После доработки 24.09.2010 г.
Предложен метод наблюдения электромагнитных колебаний в диапазоне геомагнитных пульсаций, основанный на регистрации вариаций электроджета в полосе КНЧ-ОНЧ шипений, модулированных этими электромагнитными колебаниями. Наблюдения за естественными шумами в электрических сетях Камчатки позволили обнаружить электромагнитные колебания в диапазоне частот (35—67) х 10-3 Гц. Показано, что эти колебания возможны в ионосферно-магнитосферном колебательном контуре, образуемом силовыми магнитными трубками (индуктивность) и участком электроджет—Земля (емкость).
1. ВВЕДЕНИЕ
При исследовании селективного поляризационного возбуждения характеристических волн в ионосфере [Сивоконь и др., 2004; 2005] была установлена зависимость степени подавления одной из магнито-ионных компонент от состояния магнитного поля Земли [Сивоконь и Дружин, 2006]. Изучение литературы, в которой рассматриваются вопросы вариаций магнитного поля Земли, таких авторов как Троицкая В.А. и Гульельми А.В., дало возможность понять нюансы механизма селективного поляризационного возбуждения, но и одновременно послужило поводом для размышлений. Так в первых работах [Троицкая, 1953], автор применяет словосочетание "электромагнитное поле Земли". В более поздних публикациях появляется термин "пульсации магнитного поля Земли" [Троицкая, 1964], который, в конечном счете, переходит в "геомагнитные пульсации" [Троицкая и Гульельми, 1969].
Такая трансформация логична, поскольку фактически исследовались вариации магнитного поля Земли, но не электромагнитного поля в привычном понимании этого термина. Так в работе [Троицкая и Большакова, 1969] "рассматриваются все типы регулярных и иррегулярных колебаний электромагнитного поля Земли в цикле солнечной активности". Но при этом "исследования проводились по записям магнитного поля и земных токов на ст. Борок...". Изменение в терминологии объясняется достаточно просто, если учесть частоту пульсаций. В соответствии с общепринятой классификацией геомагнитных пульсаций [Троицкая, 1964] период, например, Рс3 составляет 10—45 секунд, частота 0.1—0.022 Гц, а длина волны (3—13.5) х 106 км. При такой длине волны непосредственная регистрация электромагнитных колебаний представляет трудно разрешимую
задачу и, следовательно, в этих целях необходимо использование методов, учитывающих особенности генерации пульсаций.
В основу современных представлений о механизме генерации пульсаций положен принцип проточного циклотронного мазера [Трахтенгерц идр.,1986]. Известно [Семенов, 1973], что длина открытого резонатора, каковым в данном случае является магнитная силовая трубка, содержащая волокно повышенной концентрации плазмы, должна быть больше или сопоставима с длиной волны генерируемого излучения. Расчеты показали, рис. 1, что такое требование выполняется только для пульсаций Рс 1.
Один из авторов работы [Трахтенгерц и др., 1986] позднее [Трахтенгерц и Демехов, 2002] указывает на это же обстоятельство при объяснении динамиче-
«
§ „ 7.5
К ^
§ § 0.075 g *
8 К 0.0075
а ®
О S
$ 4 0.00075
Рис. 1. Величина отношения длины силовой линии к длине волны геомагнитных пульсаций Рс1—Рс5 для разных значений параметра Мак-Илвейна.
ских спектров геомагнитных пульсаций Pe1 на основе автоколебательного режима генерации в протонном мазере. Анализ ситуации показывает, что генезис более низкочастотных, чем Pel пульсаций, можно объяснить на основе ионосферно-магнито-сферного контура, в котором роль индуктивности играют силовые трубки, а емкости, соответственно, участок электроджет — Земля. Использование индуктивности для оценки переходных процессов в эквивалентной токовой ионосферно-магнитосфер-ной системе применялось ранее в работах [Мальцев и др.,1975; Пономарев, 1985]. В разработанном подходе автору для получения колебательного контура оставалось учесть наличие емкости электроджет-Земля.
В основу метода наблюдения за процессами в ионосферно-магнитосферном контуре были положены следующие соображения:
1. Поскольку частота колебаний в таком контуре очень мала и непосредственные их измерения вызывают технические трудности, необходимо использовать косвенные методы, такие, как регистрация модуляции этими колебаниями более высокочастотных излучений. На такую возможность в частности указывается в работе [Молчанов и др., 1979].
2. После оценки возможных носителей модуляции, предпочтение было отдано КНЧ-ОНЧ шипениям, поскольку [Молчанов, 1985] они практически постоянно наблюдаются в полярной магнитосфере. Диапазон частот шипений простирается от нескольких сотен герц до десятков килогерц. Вариации амплитуды: излучения часто совпадают с изменениями потоков высыпающихся электронов. Имеющаяся связь интенсивности излучения с потоком высыпающихся электронов послужила дополнительным аргументом, поскольку предполагалось, что спусковым механизмом переходного процесса в ионосфер-но-магнитосферном контуре может быть высыпание энергичных частиц из радиационных поясов Земли. При выборе диапазона частот наблюдения 2—4 кГц исходили из закономерности выявленной при анализе данных приведенных в работе [Siren, 1975]: при сравнении степени коррелированности вариаций шипений и геомагнитных пульсаций оказалось, что в этой полосе частот корреляция достигает значения 0.75.
3. В качестве инструмента наблюдения было выбрано устройство, имеющее индуктивную связь с электроджетом, в котором, как предполагает автор статьи, присутствуют искомые колебания и в нем должна происходить модуляция этими колебаниями шипений.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
В качестве "приемных устройств" вариаций токовой структуры электроджета используются линии электропередач. Известно природное явление, ко-
Длина линии, км
Рис. 2. Зависимости величин добротности и резонансной частоты линии электропередачи в зависимости от ее длины.
торое воздействует на линии электропередач, линии связи, газо и нефтепроводы: — это геомагнитно-индуцированные токи (ГИТ). Протекающий в ионосфере электроджет наводит в проводниках токи, которые при возмущении магнитного поля Земли резко увеличиваются. В электроэнергетике наиболее известен случай выхода из строя 13 марта 1998 года системы электроснабжения провинции Квебек (Канада). Геомагнитно-индуцированные токи имеют малую частоту f < 1 Гц, что при протекании их через обмотки трансформаторов приводит к подмагничи-ванию магнитопроводов, и переходу их в нелинейный режим с образованием гармоник. В свою очередь, гармоники приводят к локальному перегреву, нарушению изоляции, пробою и выходу из строя трансформаторов. В результате воздействия ГИТ система бездействовала в течение 9 часов, а последствия аварии устраняли несколько недель.
Анализ ситуации, повлекшей катастрофические последствия в Канаде, показал достаточную восприимчивость линий электропередачи к процессам, происходящим в электроджете. При моделировании событий в Квебеке [Pirjola and Viljanen, 1998; Boteler et al., 2000] показано, что при токе электроджета в миллион ампер напряженность электрического поля, создаваемого им, составляет от нескольких сотен до тысяч милливольт на километр. В обычных условиях эта величина будет намного меньше и для того, чтобы зафиксировать вариации токовой структуры электроджета, необходима определенная длина линии.
Линии электропередач имеют емкость, индуктивность и сопротивление, т.е. они обладают резонансными свойствами. Логично использовать это свойство для повышения восприимчивости вариаций электроджета. Результаты расчета этих
свойств — добротности Q = -Jl/rJc и резонансной частоты показаны на рис. 2.
Из рисунка видно, что при увеличении длины линии электропередачи ее добротность падает. Сле-
0:00 0:01 0:02 0:03 0:04 0:05 0:06 0:07 0:08 0:09 0:10 0:11
Время, мин
Рис. 3. Спектрограмма возмущения. Уменьшение спектральной плотности возмущения в полосе 5—6 кГц обусловлено резонансными свойствами регистрирующей системы.
довательно, увеличение длины линии, как средства повышения их чувствительности на воздействие электроджета, непродуктивно. Но и уменьшение длины тоже ограничено, поскольку при этом резонансная частота линии становится больше определенного нами диапазона частот шипений. Таким образом, компромиссной является длина линии в районе 100 километров. При этом резонансная частота равна ~3 килогерц, а добротность составляет ~20.
Исходя из конфигурации и протяженности линий электропередач Камчатки, в ней имеются линии, подходящие под вышеприведенные параметры. К ним относится линия электропередачи на Мут-новскую ГеоТЭЦ протяженностью около 100 километров, которая проходит в непосредственной близости от места организации наблюдений. Она и используется в качестве "приемного устройства".
Для записи и анализа шумов используется компьютер, в котором одновременно работают две программы. Одна программа с частотой дискретизации 12 кГц делает контрольную запись большой протяженности, до суток. Вторая записывает с частотой дискретизации 44 кГц, пакетами по 20 минут. При обнаружении аномальных явлений в первой записи, с ограниченной полосой, анализ проводится по второй записи с полосой до 22 кГц.
В ходе наблюдений были обнаружены возмущения, характеризующиеся внезапным повышением уровня шума в полосе от 2 кГц до 19 кГц. Возмущения в разные дни наблюдений существенно отличаются по уровню и для анализа использованы те записи, в которых спектральная структура непрерывна и ее параметры можно с достаточной точностью
идентифицировать. В качестве примера на рис. 3 приводится запись 1 ноября 2008 года 21.00 иТ в полосе частот 3—11 кГц.
Разбиение диапазона 2—19 кГц на полосы обусловлено неравномерностью уровня возмущения. По интенсивности выделяются две полосы частот ~2^6 кГц и ~7^11 кГц. Внутри этих полос имеется дискретный ря
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.