научная статья по теме ГОДОВОЙ ХОД АМПЛИТУДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ШУМОВОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ КНЧ-ДИАПАЗОНА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ВЫСОКОШИРОТНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ГОДОВОЙ ХОД АМПЛИТУДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ШУМОВОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ КНЧ-ДИАПАЗОНА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ВЫСОКОШИРОТНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 5, с. 685-690

УДК 551.594.21

ГОДОВОЙ ХОД АМПЛИТУДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ШУМОВОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ КНЧ-ДИАПАЗОНА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ВЫСОКОШИРОТНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

© 2014 г. В. В. Пчелкин

Полярный геофизический институт КНЦ РАН, г. Апатиты (Мурманская обл.)

e-mail: pchelkin@pgia.ru Поступила в редакцию: 26.06.2013 г. После доработки 14.03.2014 г.

На основе результатов трехлетних измерений, выполненных в высокоширотной магнитной обсерватории Ловозеро, получен и проанализирован годовой ход ряда амплитудных характеристик шумового электромагнитного поля в районе частот первого шумановского резонанса, в частности, — среднего значений модуля горизонтальной магнитной компоненты и параметров функции распределения шумовых импульсов по амплитудам. Установлено летнее увеличение среднего и медианного значений магнитной компоненты шумов грозового происхождения и отсутствие годовой вариации у показателя степенной зависимости, эмпирически описывающей распределение амплитуд шумовых сигналов. Сопоставлением результатов спутниковых наблюдений с измерениями магнитной компоненты показана связь сезонного (зима—лето северного полушария) возрастания среднего значения модуля горизонтальной магнитной компоненты поля с сезонным увеличением числа молниевых разрядов в глобальном масштабе.

DOI: 10.7868/S0016794014050137

1. ВВЕДЕНИЕ

Открытие "шумановских резонансов" сыграло в историческом аспекте развития двоякую роль. С одной стороны, столь красивое явление не могло не привлечь внимание многих серьезных исследователей к данной теме, а с другой — проводимые работы, группируясь вокруг "резонансного направления", длительное время оставляли без должного внимания иные, практически важные вопросы — в частности, вопросы описания статистических характеристик шумов этого диапазона. (При этом следует отметить, что для ОНЧ-диапа-зона задача, на основании солидных экспериментальных массивов, в значительной мере, решена в монографии [Осинин, 1982].)

Важность этой задачи обусловлена не только требованиями практики (например, данная информация необходима для устойчивой работы в этом диапазоне частот проектируемых радиотехнических устройств), но и теории. Говоря о теории, в первую очередь необходимо вспомнить активно разрабатываемую концепцию глобальной электрической цепи (ГЭЦ), в которой одна из главных ролей отводится именно грозовому токовому генератору [Давыденко и Мареев, 2010; Ма-гееу й а1., 2008; Анисимов и Мареев, 2008; Яуегой й а1., 2008]. В указанных работах многократно отмечалось, что создание самосогласованной теории ГЭЦ напрямую связано с успешными оценками вклада разных источников в токовый баланс

и измерениями электрического поля и проводимости.

С этих позиций амплитудные характеристики шумового электромагнитного поля диапазона частот первого шумановского резонанса (например, среднее значение амплитуды магнитной компоненты шумов или ее медианное значение) достаточно информативны. Они напрямую зависят от совокупного тока молний и поэтому более удобны для глобального токового мониторинга, чем такие характеристики грозовой активности, как число молниевых разрядов, общая площадь гроз и тп.

В работах [Белоглазов и Пчёлкин, 2010; 2011] было показано, что для описания амплитуд шумовых электромагнитных импульсов в районе частот первого шумановского резонанса (речь шла об интервале 6—10 ГЦ) можно применять эмпирическую формулу вида:

Р(Х) = [1 + (XX/]-1, (1)

где Х50 — медиана распределения или половина среднего значения; в качестве величины Х могут рассматриваться значения магнитной или электрической компонент регистрируемых шумовых импульсов. (Формула (1) первоначально была выведена из теоретических предположений для описания закона распределения амплитуды огибающей атмосферных радиопомех в килогерцовом

диапазоне [Лихтер и Терина, 1960; Лихтер, 1961а, б; Махоткин, 1963].)

В работах [Белоглазов и Пчёлкин, 2010; 2011] было установлено, что суточные колебания коэффициента К находятся в интервале 2.4—2.9 для шумов грозового происхождения и существенно меняются при "включении" магнитосферных источников или появлении техногенных помех.

В качестве продолжения упомянутых работ далее представляется изучить сезонные вариации амплитудных характеристик шумов. Это и явилось основной целью данного исследования.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И ИХ ОБРАБОТКА

Исходные экспериментальные данные, использовавшиеся в работе, представляли собой результаты двухкомпонентных измерений горизонтальной составляющей магнитного поля индукционного магнитометра высокоширотной обсерватории "Ло-возеро". Обсерватория находится в центральной части Кольского полуострова (67.97° N 35.08° Е) в месте, удаленном от крупных городов и иных локализаций техногенных помех. К достоинствам местоположения следует также отнести удаленность от очагов местных гроз. С другой стороны, близость к магнитосферным токовым системам, активно "работающим" во время магнитных бурь, потребовала разработки методики сортировки дней с целью исключения этого источника шумов.

Подробное описание применяемого для измерений двухкомпонентный магнитометра, состоящего из антенной системы с предусилителем и приемной части, содержится в ряде предыдущих работ [ЯоЫ^т й а1., 2003; Белоглазов и др., 2009; Пчелкин и др., 2012] и мы ограничимся этими ссылками.

С целью сужения исходной полосы частот (0.1—20 Гц) применялись цифровые фильтры, ограничивающие полосу частот примерно до диапазона 6—11 Гц (окрестности 1-й шумановской резонансной моды). Методика сортировки дней была основана на совместном анализе динамических спектров, так называемых кривых превышений (кривая превышений показывает суточный ход числа измерений шумового поля, когда модуль измеряемой величины превышал заданный порог в течение времени накопления — в нашем случае оно составляло не менее пятнадцати минут) и суточного хода коэффициента к — параметра функции распределения амплитуд шумов (см. выше). Применяемая методика сортировки дней подробно описана в работе [Пчелкин и др., 2012]. В результате ее применения для анализа было отобрано всего 303 дня (из более 1100 дней). Такая, относительно небольшая, выборка — лишь наполовину следствие частых магнитосферных

возмущений. Вторым фактором, примерно равным по значимости первому, является (несмотря на удаленность обсерватории от промышленных центров) сильное техногенное электромагнитное загрязнение. Перечисленные источники, обладая характеристиками, ощутимо отличными от характеристик молниевых источников, серьезно искажали общую картину, и выбранный выход представлялся нам единственным.

В дальнейшем по отобранному материалу и были рассчитаны средние за сутки значения модуля, медианное значение, средний коэффициент к и строились соответствующие вариации за рассматриваемый промежуток времени (три года).

Кроме этого были построены трехлетние графики числа превышения измеряемого уровня сигнала над заданным порогом за время накопления (для суточных кривых время накопления составляло 15 мин, для трехлетних — одни сутки). Фактически такие зависимости показывают (если разделить числа превышений на общее число ре-гистраций за время накопления) ту часть времени регистрации, когда уровень сигнала превосходил тот или иной порог. В монографии [Александров и др., 1972 г.] эта кривая кратко называется огибающей поля. (Мы будем далее ее называть просто кривой превышений). Авторы упомянутой монографии справедливо отмечают, что распределение вероятностей огибающей поля — важная характеристика, по которой могут быть получены многие параметры распределения, в частности моменты распределения (дисперсия, среднее).

Параметры эмпирической функции (1) определялись в процессе решения оптимизационной задачи методом наименьших квадратов [Щиго-лев, 1969].

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Функцию распределения шумовых сигналов по амплитудам (1) определяют два параметра — медианное значение амплитуды В50 и показатель степенной зависимости к (безразмерная величина). Ранее нами было установлено [Белоглазов и Пчёлкин, 2010; 2011], что суточные колебания к находятся в пределах от 2.4 до 2.9. Обобщение трехлетних наблюдений показывает, что этот коэффициент не имеет сезонного хода. На рисунке 1 представлены годовые вариации его среднесуточных значений на протяжении всего рассмотренного периода. Видно, что колебания остаются в пределах суточных изменений.

Годовой ход медианного значения модуля горизонтальной составляющей магнитной компоненты шумового ЭМП — второго параметра, определяющего вид функции распределения — характеризуется выраженным ростом в летний сезон (рис. 2). Увеличение его значений составля-

ГОДОВОЙ ХОД АМПЛИТУДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ШУМОВОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ 687

j_I_I_L_

_i_I_I_I

0 180 360 540 720 900 1080

90 270 450 630 810 990 1170 2006 2007 2008 2009

Время, дни

Рис. 1. Годовой ход параметра функции распределения шумов по амплитудам — коэффициента степени к.

30

S 20

тн.

о

^ 10

0 180 360 540 720 900 1080

90 270 450 630 810 990 1170 2006 2007 2008 2009

Время, дни

Рис. 2. Годовой ход медианного значения модуля горизонтальной составляющей магнитной компоненты поля.

k

3

2

1

ет примерно 60% по отношению к зимнему сезону и немного меняется по годам. В частности, за рассматриваемые три года лето 2007 г. характеризовалось самым большим увеличением медианного значения поля — на 75%.

Отметим, что полученный результат перекликается с одним из выводов работы [Пчелкин и др., 2012], в которой указывалось, что площади под суточными кривыми среднего уровня возрастают в летний сезон. В рамках настоящего исследования мы построили полностью годовой ход среднего значения модуля магнитного поля (горизонтальной компоненты) за весь рассматриваемый период времени (рис. 3). Кривая оказалась морфологически подобной кривой медианного значения поля, и летний рост по наблюдаемому интервалу времени также составил около 60%.

Как было уже сказано во Введении, регистрируемая горизонтальная магнитная компонента поля — величина, зависящая, в большей степени, от совокупного молниевого тока, чем от числа молниевых

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.

Показать целиком