СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СУТОЧНЫХ ВАРИАЦИЙ ИНЧ-ОНЧ-АТМОСФЕРИКОВ, РЕГИСТРИРУЕМЫХ В АВРОРАЛЬНЫХ ШИРОТАХ

БЕЛОГЛАЗОВ М.И.; ГАЛАХОВ А.А.; КИРИЛЛОВ В.И.; ПЧЕЛКИН В.В.

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 2, с. 266-271

УДК 550.388.2.:551.594.21

Полярный геофизический институт КНЦРАН, г. Апатиты (Мурманская обл.)

e-mail: blgz@pgia.ru Поступила в редакцию: 25.03.2013 г.

После доработки 23.05.2013 г.

Исследованы суточные вариации интенсивности атмосфериков на частотах 600 Гц и 6 кГц, наблюдавшихся в обс. "Ловозеро" в период с июня по декабрь 2012 г. Показано, что в спокойных геомагнитных условиях суточные вариации атмосфериков определяются как параметрами волновода "Земля—ионосфера", так и активностью грозовых центров. В летние месяцы наблюдается широкий дневной максимум потока атмосфериков Жчас (количество атмосфериков за 1 ч), обусловленный, по всей вероятности, молниевой активностью в среднеширотных областях, более близких к обсерватории по сравнению с мировыми грозовыми центрами. Суточные вариации средних за 1 ч амплитуд атмосфериков Ачас существенно отличаются от суточных вариаций Жчас и в значительной степени отражают изменения условий освещенности на трассах распространения сигналов. При этом вероятность распределения уровней атмосфериков может быть аппроксимирована известной из литературы формулой вида: Р(Х) = [1 + (X/X50)k]-1 в которой параметр k при спокойных геомагнитных условиях изменяется от 2.2 до 3.2 на f = 600 Гц и от 1.5 до 2 на f = 6 кГц. DOI: 10.7868/S0016794014020059

1. ВВЕДЕНИЕ

Атмосферное электричество — одно из важнейших фундаментальных направлений атмосферной физики, привлекающее большое внимание ученых в течение многих лет. Одним из главных звеньев глобальной электрической цепи является глобальный грозовой генератор. В то же время он является источником естественного электромагнитного поля в широком диапазоне частот: от нескольких Гц до нескольких кГц (по принятой международной терминологии это КНЧ — ИНЧ-ОНЧ-диапазоны). Наряду с источниками атмосферной природы в высоких широтах возможны и источники магнитосферного происхождения. И с научной, и с практической точек зрения представляет интерес изучение статистических свойств естественного электромагнитного поля, которое включает в себя шумовую и импульсную компоненты (атмосферики), в зависимости от солнечной активности, геомагнитной возмущенности, сезона, времени суток и пр. Для высокоширотной области, не считая нескольких работ [Осинин, 1982; Долгопо-лов, 1987; Белоглазов и Пчелкин, 2011; Пчелкин и др., 2012], информация подобного рода в литературе практически отсутствует. Более полно она представлена для средних широт и систематизирована в работах [Александров и др., 1972; Ремизов, 1985]. В более современной работе [Ми-

хайлов и др., 2001] обсуждаются результаты измерений только регулярного шумового фона атмосферных помех, проведенных на Камчатке в сентябре—октябре 1999 г. на частоте 5.3 кГц.

Настоящая работа является продолжением исследований [Белоглазов и Пчелкин, 2011] статистических характеристик импульсной составляющей естественного электромагнитного поля на частотах 600 Гц и 6 кГц, выполненных в течение нескольких сезонов в обсерватории ПГИ "Ловозеро" (ф = 67.97° N X = 35.08° Е).

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И ИХ ОБРАБОТКА

Для измерения моментов прихода и относительных амплитуд атмосфериков было разработано и изготовлено устройство, описанное в работе [Галахов и Ахметов, 2011]. При выборе коэффициента усиления приемно-регистрирующего тракта учитывалось то обстоятельство, что амплитуды ат-мосфериков лежат в широких пределах (~40 дБ), и при завышенном коэффициенте усиления определенная их часть может оказаться ограниченной по амплитуде. Поэтому было проведено специальное исследование, в результате которого коэффициент усиления установлен такой величины, что на уровне 830 отн. ед. АЦП количество искаженных

атмосфериков не превышает 0.001% от общего их числа. Для исключения эффекта "звона" на выходе частотно-селективной системы при воздействии на ее вход импульсных сигналов применены двух-звенные фильтры с низкой добротностью и с прямоугольной частотной характеристикой. При этом полоса пропускания по уровню 0.7 на f = 600 Гц составляет ~200 Гц, а на f = 6 кГц—1200 Гц. Регулярный шумовой фон атмосферных помех исключен с помощью минимальных детекторов, время заряда которых составляет 100 мс, а время разряда — несколько мс. В качестве антенны использованы две ортогональные рамки с эффективной площадью ~230 м2, одна из них ориентирована вдоль, а другая поперек геомагнитного меридиана.

Особенность географического положения Кольского п-ова относительно мировых центров гроз (МЦГ) заключается в том, что среднее направление сигналов, приходящих от Африканского центра (АфЦГ), оказывается примерно перпендикулярным относительно направления сигналов из секторов Американского (АмЦГ) и Азиатского (АзЦГ) центров, а расстояние примерно одинаковое до каждого из центров (10 ± 3 тыс. км) [Распределение ..., 1965; Christian et al., 1999]. Это обстоятельство позволяет довольно уверенно, разделять сигналы от различных грозовых центров. В частности, сигналы АфЦГ распространяются вдоль геомагнитного меридиана, а АмЦГ и АзЦГ — вдоль геомагнитной широты.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При постановке эксперимента предполагалось, что в условиях высокоширотных наблюдений отсутствие грозовых источников, расположенных близко к Кольскому п-ову, позволит более уверенно регистрировать изменения молниевой активности в удаленных МЦГ. Подобный подход был реализован в работах [Белоглазов и Пчелкин, 2011; Пчелкин и др., 2012; Белоглазов и Ахметов, 2010] в исследовании шумового электромагнитного поля (ЭМП) на частотах первого шумановского резонанса ШР-1 (ЭМП/ШР-1). В задачу данной работы не входило сравнение ожидаемых результатов с низкочастотными излучениями магнитосфер-ных источников, поскольку анализ выполнен только для спокойных геомагнитных условий, когда на протяжении суток ^Е-индекс не превышал 300 нТл.

Покажем в какой степени параметры атмосфериков определяются активностью МЦГ. На рисунках 1 и 2 представлены кривые суточных вариаций потока атмосфериков N^ (количество атмосфери-ков за 1 ч) и средних за 1 ч амплитуд атмосфериков

Ачас, усредненных за каждый месяц с июня по декабрь 2012 г. Вертикальными отрезками на рисунках отмечены среднеквадратические отклонения.

Напомним, что обычно грозовые облака возникают в областях развитой конвекции, где скорость восходящих движений достаточно влажного воздуха максимальна [Матвеев, 1984]. Именно по этой причине максимальное количество гроз над сушей наблюдается в послеполуденный период (~16—17 ЕГ), когда температура ее поверхности и термическая конвекция достигают наибольшей величины за сутки. Из-за разницы долгот МЦГ относительно меридиана Гринвича максимумы их активностей приходятся в среднем на 9—10 иТ (АзЦГ), на 15-16 Ш (АфЦГ), на 21-22 иТ (АмЦГ).

На рисунках видно, что в суточных вариациях атмосфериков как плотности потока ^час, так и амплитуды Ачас активность МЦГ выражена в меньшей степени по сравнению с суточными вариациями ЭМП/ШР-1 [Белоглазов и Ахметов, 2010], в которые вносят вклад все три МЦГ.

Обнаруженную разницу можно объяснить разными механизмами формирования ЭМП в пункте его регистрации. Действительно, для формирования ЭМП/ШР-1 важно лишь наличие сферического резонатора, образованного двумя проводящими сферами [Блиох и др., 1977], а расстояние между этими сферами (высота волновода "Земля-ионосфера"), а также локальные грозы летом в среднеширотной области являются факторами второго порядка по сравнению с активностью МЦГ. Формирование же ЭМП в диапазоне ИНЧ-ОНЧ происходит в других условиях, когда большую роль играют не только активность МЦГ, но и условия распространения сигнала на трассе от грозового разряда до пункта его регистрации, т.е. суточные вариации ионизации верхней стенки волновода "Земля-ионосфера", а также наличие или отсутствие ближних гроз.

Особенность эксперимента состояла в том, что в летний период ионосфера над Кольским п-овом находится в режиме полярного дня, тем самым обусловливая максимальное затухание ИНЧ-ОНЧ -электромагнитных волн в течение всего времени суток (см., например, [Краснушкин и Яблочкин, 1955; Белоглазов и Ременец, 1982]). По этой причине можно было бы ожидать снижения интенсивности атмосфериков. Однако в действительности на обеих частотах в летние месяцы в суточных вариациях ^час в обеих компонентах поля наблюдается широкий дневной максимум. Наиболее вероятная причина такого эффекта - увеличение грозовой активности в дневные часы летом на средних широтах, т.е. в ближних областях, расположенных между МЦГ и Кольским п-вом. С переходом от лета к осени региональные грозы исчезают, а

Дчас Х103

N4ac Х103

60 50 40 30 20 10

Июнь

Июль

f

k

. Август

30 25 20 15 10

5f*

30 25 20 15 10 5

Июнь

у.: у-/

M

vN

_l_I_I_L-

Июль

Август

0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 3 6 9 12 15 18 21 24

UT UT

N4ac x103

60 50 40 30 20 10

Сентябрь

Октябрь

lit

J_I_I_I_I_I_L

Л

Ноябрь

Декабрь

J_I_I_I_I_I_I_

Сентябрь

Ноябрь

Декабрь

0 3 6 9 12 15 18 21 24 0 3 6 9 12 15 18 21 24

UT UT

Рис. 1. Суточные вариации потока атмосфериков N4ac (слева — компонента "С/Ю", справа — "З/В"; сплошная линия — 600 Гц, штриховая — 6 кГц).

^ч;

35 30 25 20 15 10 5

_ <1юнь ДЬ-

Щ | да I 1 Июль 1 1 1 1

ВЦл | А | 1 шгуст 1 1 1 I

^ч:

35 30 25 20 15 10 5

Сентябрь

Ноябрь

Декабрь

^ч;

70 60 50 40 30 20

Июнь

Т-Н"1-!

Июль

0 3 6 9 12 15 18 21 24

ит

0 3 6 9 12 15 18 21 24

ит

^ч;

70 60 50 40 30 20

Сентябрь ^

Октябрь

ы-н-ктт тЭ"1'

_|_I_I_I_I_I_|_

Ноябрь

Декабрь

0 3 6 9 12 15 18 21 24

ит

0 3 6 9 12 15 18 21 24

ит

Р

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.

научная статья по теме СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СУТОЧНЫХ ВАРИАЦИЙ ИНЧ-ОНЧ-АТМОСФЕРИКОВ, РЕГИСТРИРУЕМЫХ В АВРОРАЛЬНЫХ ШИРОТАХ Геофизика

Текст научной статьи на тему «СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СУТОЧНЫХ ВАРИАЦИЙ ИНЧ-ОНЧ-АТМОСФЕРИКОВ, РЕГИСТРИРУЕМЫХ В АВРОРАЛЬНЫХ ШИРОТАХ»