УДК 550.388.2.:551.594.21
ВЛИЯНИЕ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ НА СЕЗОННУЮ ДИНАМИКУ СУТОЧНОГО ХОДА АТМОСФЕРНЫХ ПОМЕХ
© 2015 г. В. И. Кириллов, М. И. Белоглазов, В. В. Пчелкин, А. А. Галахов
Полярный геофизический институт КНЦРАН, г. Апатиты (Мурманская обл.)
e-mail: kirillov_v@pgia.ru Поступила в редакцию 19.03.2014 г. После доработки 12.11.2014 г.
Исследованы суточные вариации импульсных атмосферных помех на частотах 600 Гц и 6 кГц, зарегистрированных на Кольском п-ове с 2012 по 2013 гг. в разных геомагнитных условиях. Показано, что повышение геомагнитной возмущенности не приводит к существенным изменениям суточных вариаций среднечасового потока и среднечасовых амплитуд импульсов на обеих частотах для компоненты запад-восток. Для компоненты север-юг такая ситуация сохраняется только лишь для среднечасовых амплитуд. Распределение амплитуд зарегистрированных атмосферных импульсов удовлетворительно описывается известной из литературы формулой P(X) = [1 + (XX50)k]-1. Значения показателя степени k находятся в интервале 1.9 < k < 2.9 для частоты 600 Гц и 1 < k < 2 — для 6000 Гц.
DOI: 10.7868/S001679401502008X
1. ВВЕДЕНИЕ
Радиочастоты от нескольких Гц до десятков кГц (ЕЬР(КНЧ)-иЬР(УНЧ)-УЬР(ОНЧ)-диапазоны по рекомендациям иЯ81 и Международному регламенту радиосвязи) представляют особый интерес с точки зрения обеспечения надежного функционирования специальных систем радиосвязи, а также для изучения процессов формирования атмосферного электрического поля. При этом важное значение имеет информация о том, как и насколько параметры атмосферных помех в низкочастотных диапазонах зависят от солнечной активности, геомагнитной возмущенности, сезона, времени суток и пр. Подобным исследованиям посвящен ряд работ [Каримов и др., 2000; Мурзаева и др., 2001; Михайлов и др., 2001], в которых рассматриваются характеристики шумовой составляющей атмосферных помех (т.н. регулярный шумовой фон). Важной частью исследования атмосферных помех является изучение их импульсной составляющей (т.н. атмосферики), которая относится к наиболее характерным проявлениям молниевой активности. К сожалению, за исключением работ [Козлов и др., 2009; Васильев и др., 2003], информация о суточно-сезон-ном ходе атмосфериков и их зависимости от геомагнитной обстановки практически отсутствует. Особенно это касается высоких широт.
Для восполнения в какой-то степени указанного пробела нами было начато исследование статистических характеристик импульсной составляющей естественного электромагнитного поля с использованием не эпизодических, а длительных — на протяжении нескольких сезонов —
результатов высокоширотных экспериментальных измерений импульсного электромагнитного поля, выполненных в обс. ПГИ Ловозеро (центральная часть Кольского п-ова; ф = 67.97° N X = = 35.08° Е) на частотах 600 Гц и 6 кГц.
Целью настоящей работы, в которой продолжается исследование, начатое в работе [Белоглазов и др., 2014], является анализ влияния изменяющихся геомагнитных условий на параметры импульсного электромагнитного поля на частотах 600 Гц и 6 кГц, на его суточные и сезонные вариации.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И ИХ ОБРАБОТКА
Измерение времени прихода и относительных амплитуд импульсных сигналов осуществлялось с помощью устройства, описанного в работе [Галахов и Ахметов, 2011]. В качестве антенны применены две ортогональные рамки эффективной площадью ~230 кв. м каждая, ориентированные вдоль и поперек магнитного меридиана. Для выделения атмосфериков из широкополосного сигнала использован амплитудный дискриминатор (компаратор), входы которого подключены к детекторам, имеющим разные соотношения постоянных времен цепей заряда и разряда. Для этих целей использована схема минимального детектора, у которого время заряда намного больше времени разряда, и схема пикового детектора. Выходное напряжение минимального детектора является плавающим порогом уровня срабатывания амплитудного дискриминатора, передний
фронт выходного сигнала которого является импульсом начала преобразования АЦП, который подключен к детектору широкополосного сигнала.
Напомним, что на Кольском п-ове сигналы Африканского центра грозовой активности (АфЦГ) регистрируются, в основном, в северо-южной компоненте (направление вдоль магнитного меридиана), а Американского (АмЦГ) и Азиатского (АзЦГ) центров — в западно-восточной компоненте (направление вдоль магнитной широты). При этом расстояние от Кольского п-ова до каждого из мировых центров гроз (МЦГ) по порядку величин примерно одинаково (10 ± 3 тыс. км) [Распределение ..., 1963; Christian et al., 1999], а максимумы молниеобразования приходятся, в среднем, на 9— 10 UT для АзЦГ, на 15-16 UT для АфЦГ и на 2122 UT для АмЦГ (см., например, [Матвеев, 1984])
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Как известно, формирование атмосферных помех УНЧ—ОНЧ диапазона происходит в условиях, когда большую роль играет не только активность МЦГ, но и степень освещенности атмосферы на трассе распространения сигнала от источника разряда до пункта его регистрации, аномальная ионизация верхней стенки волновода "Земля-ионосфера", возникающая за счет корпускулярных вторжений различной энергии, а также наличие или отсутствие ближних гроз.
Ниже обсуждаются данные экспериментальных измерений, проведенных нами на протяжении года — с июня 2012 г. по май 2013 г., когда все три фактора изменялись в широких пределах. Сортировка дней по уровню геомагнитной активности проводилась в соответствии с рекомендациями на сайте http://jro.igp.gob.pe/database/kpin-ёех/Ы;т1/кр)oin_online.htm. При этом день считался спокойным, если планетарный ^-индекс не превышал 2-х баллов в каждом из 8-ми трехчасовых интервалов за данные сутки. Если ^-индекс был больше 4-х баллов хотя бы в одном из 8-ми трехчасовых интервалов за данные сутки, то они считались геомагнитно-возмущенными.
На рисунках 1, 2 представлены сезонные изменения суточных вариаций среднечасового потока импульсов N и на рис. 3, 4 — среднечасовой амплитуды импульсов А во время спокойных и возмущенных геомагнитных условий для обеих компонент. Вертикальными отрезками обозначены среднеквадратичные отклонения величин.
При анализе результатов измерений прежде всего обращает на себя внимание то, что величины N в западно-восточной (З/В) компоненте существенно меньше, а уровень А больше по срав-
нению с северо-южной (С/Ю) компонентой, независимо от сезона и степени геомагнитной возмущенности. Это говорит о том, что с направления С/Ю в обс. Ловозеро поступает интенсивный поток импульсных сигналов малой амплитуды. Уверенно говорить о причинах обнаруженного эффекта затруднительно; можно лишь предположить, что источники большого количества низкоэнергичных импульсов имеют антропогенный характер.
Интересно также отметить, что в З/В компоненте поток атмосферных импульсов значительно больше (на ~30—100%) на частоте 600 Гц, чем на 6 кГц, независимо от геомагнитной активности и сезона. В это же время в С/Ю компоненте значения Nна обеих частотах примерно одинаковы (с незначительным превышением Nна частоте 6 кГц), тоже независимо от геомагнитной активности и сезона. Не исключена вероятность того, что это явление также обусловлено причинами антропогенного характера. В самом деле, геометрические размеры источников индустриальных помех гораздо меньше, в целом, размеров молниевых разрядов, а это приводит к уменьшению их эффективных высот (длин) излучения и, как следствие, к увеличению N на более высоких частотах.
Из рисунков 1, 2 также видно, что переход от спокойных к возмущенным геомагнитным условиям не приводит в компоненте З/В к существенным изменениям суточных вариаций N: наблюдается лишь некоторое уменьшение N на обеих частотах.
Такая ситуация сохраняется и для компоненты С/Ю, но только лишь в летних условиях. В остальные сезоны повышение геомагнитной воз-мущенности вызывает заметные изменения суточных вариаций N в компоненте С/Ю, главное из которых — исчезновение максимума, связанного с активностью АфГЦ осенью и зимой. Причину этого надо искать, вероятно, в дополнительном понижении верхней стенки дневного волновода "Земля-ионосфера", особенно на его северном конце — в районе авроральной зоны, возникающем во время геомагнитных возмущений (см., например, [Краснушкин и Яблочкин, 1955; Белоглазов и Ременец, 1982]). Как следствие, это ведет к дополнительному затуханию атмосферных ЭМИ.
Относительно суточных вариаций средних амплитуд атмосферных импульсов А, представленных на рисунках 3 и 4 для разных сезонов, видно, что изменение геомагнитной возмущенности не приводит к каким-то существенным изменениям суточных ходов А. При этом суточные вариации А значительно отличаются от суточных вариаций N. В большой степени они отражают изменения условий освещенности на трассах распространения импульсных сигналов. Особенно это отно-
N
37800 33600 29400 25200 21000 16800 12600 8400 4200
9900 8800 7700 6600 5500 4400 3300 2200 1100
2700 2400 2100 1800 1500 1200 900 600 300
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
Лето
V
\
\
\
]_I_I_I_
Осень
]_I_1_
Зима
V
лл
_|_I_1_
м
_|_I_
а
Весна
л
Лето
V
_|_I_1_
Осень
Зима
Ч ]/-. |!Л|/
_|_I_1_
Й
Весна
3 6 9 12 15 18 21 3 6 9 12 15 18 21 24 ИТ 6 9 12 15 18 21 0 6 9 12 15 18 21 24 3 ЬТ
Рис. 1. Суточные вариации потока атмосферных импульсов N, компонента З/В (штриховая кривая — 6 кГц, сплошная — 600 Гц; слева — спокойные дни, справа — возмущенные дни; сверху вниз — лето 2012 г., осень 2012 г., зима 2012/2013гг., весна 2013 г.).
сится к частоте 6 кГц. Здесь в дневных условиях величины А, достигают своего суточного минимума из-за понижения высоты волновода "Земля-ионосфера" в этот период, что приводит к
максимальному за сутки затуханию атмосфери-ков, регистрируемых в обс. Ловозеро. Причем, к примеру, на трассе АфЦГ — Кольский п-ов (С/Ю компонента) зимой наблюдается явная асиммет-
N 80100 71200 62300 53400 44500 35600 26700 17800 8900
45900 40800 35700 30600 25500 21 400 15300 10200 5100
14400 12800 11200 9600 8000 6400 4800 3200 1600
34200 30400 26600 22800 19000 15
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.