ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 1, с. 114-119
УДК 550.837.6;523.31-423.3;551.510.535
ВЛИЯНИЕ ПРИЛИВНЫХ ЭФФЕКТОВ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ИСКУССТВЕННОГО ИСТОЧНИКА СНЧ-ДИАПАЗОНА НА БАЛТИЙСКОМ
КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ЩИТЕ © 2014 г. Е. Д. Терещенко, А. Е. Сидоренко, В. Ф. Григорьев
Полярный геофизический институт Кольского научного центра РАН, г. Мурманск E-mail: anton@pgi.ru;general@pgi.ru Поступила в редакцию 02.07.2012 г.
В работе приведены результаты эксперимента по исследованию динамики электромагнитного поля стационарного искусственного источника СНЧ-диапазона в течение 30 суток на Балтийском кристаллическом щите. Обнаружены суточные вариации полей и медленные 14-суточные вариации поверхностного импеданса. Суточные вариации полей главным образом вызваны колебаниями ионосферных параметров из-за изменений освещенности Солнцем. В поведении поверхностного импеданса обнаружены вариации с периодом, близким к 14 суткам. Сопоставление этих вариаций с медленной приливной деформацией земной коры позволяет сделать вывод об их связи с приливными процессами в земле. На основе результатов моделирования получены оценки возможных изменений структуры и проводимости подстилающей среды, вызываемых приливными деформациями.
DOI: 10.7868/S0002333714010098
ВВЕДЕНИЕ
Непрерывные циклические изменения гравитационных сил, воздействующих на земную кору со стороны Луны и Солнца, вызывают в ней процессы приливной деформации и постоянного перераспределения электропроводящих грунтовых вод в толще коры. Это приводит к вариациям ее кажущегося сопротивления, а также связанного с ним поверхностного импеданса электромагнитного поля. Экспериментальные наблюдения таких вариаций проводились неоднократно [8агаеу й а1., 2002; Жамалетдинов и др., 2000; 8агаеу е! а1., 2010], при этом использовались поля СНЧ-диа-пазона как естественных, так и искусственных источников.
Исследования вариаций кажущегося сопротивления с применением контролируемого СНЧ-источника, проведенные ранее в двух точках измерений на Балтийском кристаллическом щите, дали значительно отличающиеся друг от друга результаты. В районе Вуоксы (Ленинградская обл.) [8агаеу е! а1., 2002] размах суточных вариаций не превышал 7%, но в п. Авва-Губа (Кольский п-ов) [Жамалетдинов и др., 2000] наблюдались вариации величиной до 30% за сутки. В связи с этим возник интерес к дополнительным исследованиям этого явления и в 2009 г. на Кольском п-ове был проведен новый эксперимент по мониторингу вариаций электромагнитного поля, создаваемого тем же самым СНЧ-источником. В отличие от вышеуказанных работ, в которых проводились эпизодические измерения, продолжительность
рассматриваемого в данной работе нового эксперимента охватывает один сидерический период обращения Луны.
Применение искусственного контролируемого источника электромагнитного поля с известными параметрами излучения для наблюдения вариаций полей имеет очевидные преимущества. Однако при этом следует учитывать и ряд особенностей. С одной стороны, в непосредственной близости от антенны поле определяется главным образом расположением точки приема относительно источника, и практически не зависит от проводимости земли. Поэтому наблюдение вариаций поля или поверхностного импеданса, обусловленных приливными эффектами в земной коре, в этой зоне неэффективно. С другой стороны, при удалении от источника поле приобретает зависимость от проводимости, однако, начиная с расстояний, превышающих приблизительно удвоенную высоту эквивалентного волновода Земля-ионосфера (2йеч ~ 180 км), начинает проявляться влияние ионосферы, что наряду с убыванием поля от расстояния снижает точность измерений и ухудшает условия наблюдения приливных эффектов в земной коре. Поэтому для изучения влияния приливных эффектов в земной коре на электромагнитное поле искусственного источника оптимальна промежуточная зона, находящаяся на удалении от передатчика в пределах 0.5—2 высот волновода. Поле в этой зоне при горизонтально-слоистой структуре земли имеет установившуюся степенную зависимость от ее проводимости, а влияние ионосферы крайне мало. В то же время,
учитывая, что и сами приливные вариации поля невелики, применяемый для генерации источник должен обладать достаточно высокой мощностью, чтобы обеспечивать надежное измерение слабых вариаций на фоне естественных помех.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперимент проходил в период с 3.07 по 31.07 2009 г. Для генерации поля была использована радиопередающая установка СНЧ-диапа-зона, расположенная в северной части Кольского полуострова (рис. 1) [Терещенко и др., 2007]. Установка осуществляла практически непрерывную круглосуточную генерацию электромагнитного поля с частотой 82 Гц при силе тока в передающей антенне примерно 200 А. Сила тока в антенне регистрировалась цифровой системой сбора данных, имеющей привязку ко времени иТ по сигналам спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС^Р8.
Измерение поля производилось в обсерватории ПГИ КНЦ РАН Ловозеро — на удалении примерно 90 км на юго-восток от источника излучения.
Для измерения напряженности горизонтального электрического поля использовались две ортогональные заземленные линии длиной по 200 м, одна из которых ориентирована вдоль магнитного меридиана. Измерение магнитного поля производилось индукционным магнитометром, горизонтальные датчики которого были ориентированы в тех же направлениях, что и электрические антенны. При этом соотношение сигнал/шум в спектрах мощности горизонтальных компонент электрического и магнитного полей на частоте 82 Гц составляло не менее 60 дБ.
Электрическое и магнитное поля регистрировались цифровой системой сбора с привязкой ко времени иТ по сигналам ГЛОНАСС^Р8. Привязка измеренных полей и тока в антенне ко времени по сигналам спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС^Р8 с погрешностью не более 1 мкс позволяет выполнять синхронную обработку данных.
Длительность эксперимента охватывает один сидерический период обращения Луны, что важно для анализа корреляции результатов измерений с солнечно-лунными приливными процессами.
Амплитуды поля и тока в сеансах оценивались по спектральной плотности мощности на промежутках длительностью 120 с, а разности фаз между ортогональными компонентами — по их взаимным спектрам.
По полученным амплитудам компонент и разностям фаз вычислялись временные ряды значений больших полуосей горизонтальных эллипсов поляризации электрического и магнитного полей Ae и Am соответственно. Ряды значений Ae и Am
Мотовский залив
х
томское вдхр.
оКильдин
Североморск Мурманск
передатчик
Серебрянское вдхр.
I ~б \
ш обс. Ловозеро
М°нчег°рск оз. Ловозеро р
оз. Умбозеро ■'. '.'•Апатиты
^•Кандалакша
Л %
Княжегубское вдхр.
кое вдхр. „ .
Кандалакшский залив
V £ : * ^Щщ!
Пяозеро
оз. Кереть
чЬ. --Д
оз. Топозеро
Баренцево море
к Енозеро
#0»
150 км |
Рис. 1. Карта-схема района проведения эксперимента.
были синхронно нормированы на силу тока в антенне, что позволило исключить зависимость результатов измерений от вариаций тока в антенне.
На конечном этапе обработки для устранения случайных высокочастотных помех естественного происхождения ко всем рядам данных было применено сглаживание.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Применение в эксперименте искусственного источника позволило контролировать силу тока в антенне. Передающая установка обеспечивала высокую стабильность генерации и стандартное отклонение амплитуды силы тока для всего эксперимента не превышает 0.1% от среднего.
Измеренные электрическое и магнитное поля имели слабую эллиптическую поляризацию: эллиптичность (отношение малой оси эллипса поляризации к большой) магнитного поля составляла примерно 0.02, а электрического — 0.09. Поскольку поляризация очень близка к линейной, будем анализировать поведение больших полуосей эллипсов поляризации.
Для сопоставления результатов измерений будем рассматривать безразмерные относительные вариации параметров, т.е. вариации, приведенные к среднему значению по выборке. На рис. 2 показаны относительные вариации больших полуосей электрического и магнитного полей.
На интервалах, где отсутствовали данные измерений, была проведена интерполяция рядов
Относительные вариации Ле 0.05
Та
0
-0.05
Относительные вариации Лт 0.05
_1_
| 1 > 1.Г _|_1_
0
0.05
_1_I__1_
5 10 15 20 25 30 Дни июля 2009 г.
стояниях от точки измерений до концов антенны г1 2 ~ 105 м (рис. 4) выполняются условия:
КГ
2
> 1,
1=1,2
где к = л]-/юстц 0 — волновое число в земле, I — мнимая единица, ю = 2я/ — циклическая частота,
а — удельная проводимость земли, ц0 — магнитная проницаемость вакуума, гь г2 — расстояния от точки измерения до концов кабеля.
В этом случае тангенциальные компоненты электрического и магнитного полей прямолинейного заземленного кабеля конечной длины определяются выражениями [Вешев, 1980]:
Рис. 2. Измеренные относительные вариации больших полуосей эллипсов поляризации электрического (вверху) и магнитного (внизу) полей.
кубическими полиномами. Для удобства последующей обработки ряды данных были сглажены методом взвешенной локальной регрессии. На рис. 3 для примера показаны сглаженные относительные вариации Ле и Лт за период 7—12 июля.
На рис. 2—рис. 3 можно видеть, что относительные вариации полуосей эллипсов поляризации имеют выраженную составляюLщую с периодом ~ 24 ч, причем суточные максимумы интенсивности полей приходятся примерно на 0 ч иТ, а минимумы — на 10—12 ч иТ.
Далее рассмотрим вариации отношения больших полуосей электрического и магнитного эллипсов поляризации. Это отношение связано с поверхностным импедансом и, следовательно, с кажущимся сопротивлением земной коры. Действительно, при частоте излучения / = 82 Гц и рас-
Еу =
Нх
£хУ 2яа
¡хУ
1 _ 1
з 3 Г1
Ч'2
(1)
2пк1
1 1
2
3
Г1
где 1х — сила тока в кабеле, у — ордината точки измерения в декартовой системе координат, на оси X, которой расположен кабель, а ось Упересе-кает его в середине.
Поскольку при малой эллиптичности поляризации очевидно выполняется равенство Ле/Лт ~ \Еу/Нх\, то в этом случае отношение больших полуосей эллипсов поляризации формально совпадает с выражение
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.