ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2011, том 51, № 5, с. 677-682
УДК 550.388.2.:551.594.21
ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ШУМОВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ В ОКРЕСТНОСТИ ПЕРВОГО ШУМАНОВСКОГО РЕЗОНАНСА
© 2011 г. М. И. Белоглазов, В. В. Пчелкин
Учреждение РАН Полярный геофизический институт КНЦ РАН, Апатиты (Мурманская обл.)
e-mail: blgz@pgia.ru Поступила в редакцию 15.06.2010 г. После доработки 05.10.2010 г.
Исследованы распределения уровня естественного шумового электромагнитного поля в окрестности первого шумановского резонанса по данным обс. "Ловозеро" (Кольский п-ов). Построены суточные кривые превышений уровня шума над заданными порогами при разной геомагнитной возмущенности. Показано, что в магнитоспокойные дни кривые морфологически подобны, но характеризуются сильной изменчивостью от суток к суткам, хотя при усреднении близки по некоторым признакам к унитарной вариации приземного квазистатического электрического поля. Для аналитического описания распределения вероятностей уровня шумов рассмотрены возможности применения известной из литературы формулы распределения вероятностей амплитуд атмосферных радиопомех ОНЧ-диапазона. Обнаружено, что геомагнитные возмущения заметно влияют на параметры распределения, резко увеличивая количество высокоамплитудных помех.
1. ВВЕДЕНИЕ
Изучение шумового электромагнитного поля КНЧ-диапазона (3—30 Гц) в атмосфере высоких широт представляет значительный интерес по ряду причин. В частности, можно выделить две группы физических явлений, ответственных за генерацию КНЧ-излучений. С одной стороны, это — процессы грозообразования и молниевой активности в полости Земля-ионосфера, а с другой — генерация шумового электромагнитного поля в широком диапазоне частот при воздействии извне магнитогидро-динамических (МГД) волн на ионосферу Земли (см., например, [Александров и др., 1972; Блиох и др., 1977; Молчанов, 1985]). При этом существуют еще источники антропогенного и сейсмического происхождений. Отсюда следует, что и с прикладной, и с научной точек зрения, изучение статистических свойств шумового электромагнитного КНЧ-поля высоких широт в зависимости от солнечной активности, геомагнитной возмущенности, сезона, времени суток и пр. имеет достаточно большую значимость. К сожалению, в настоящее время информация подобного рода практически отсутствует, если не считать работы [Долгополов, 1987], в которой обсуждаются результаты кратковременных (13— 16 апреля 1984 г.) измерений трех магнитных и вертикальной электрической компонент поля в диапазоне частот 1.5—1000 Гц на льду бухты Гертнера в окрестности г. Магадана. Кроме того, известна обстоятельная работа [Осинин, 1982], посвященная статистическим характеристикам шумового элек-
тромагнитного поля, полученным по измерениям на северо-востоке России, но на более высоких частотах (в ОНЧ-диапазоне).
Учитывая данные обстоятельства, мы попытались восполнить в некоторой степени указанный пробел. Основной целью представленной работы стало определение изменений суточных кривых превышений уровня естественного электромагнитного поля в окрестности первого шумановского резонанса над заданными порогами в зависимости от степени геомагнитной возмущенности. Кроме того, для аналитического описания распределения вероятностей уровня шумов на рассмотренном участке частотного диапазона была изучена возможность применения известной из литературы [Лихтер и Те-рина, 1960; Лихтер, 1961а, б; Махоткин, 1963] формулы распределения амплитуд атмосферных радиопомех ОНЧ-диапазона.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И ИХ ОБРАБОТКА
В работе использованы данные регулярных измерений горизонтальной компоненты шумового магнитного поля в диапазоне 0.1—20 Гц, выполняющихся с помощью индукционного магнитометра, установленного в обс. ПГИ "Ловозеро" (67.97° N 35.08° Е). Краткое описание измерительной аппаратуры содержится в работе [Белоглазов и др., 2009].
В качестве одной из основных характеристик распределения шумов выбрано число превышений
Число превышений за 30 мин 6000
01.01.2008 г. 07.12.2007 г.
Впор = 40 отн. ед.
4000
2000
3 6 9 12 15 18 21 24
500 400 300 200 100
0
01.01.2008 г. 07.12.2007 г.
Впор = 80 отн. ед.
3 6 9 12 15 18 21 24 Время иТ
0
Рис. 1. Суточные зависимости N1 для разных порогов в геомагнитно-спокойные дни 07.12.2007 г. и 01.01.2008 г.
уровня регистрируемого сигнала над заданным порогом в течение 30-минутного интервала наблюдения. Далее это число превышений обозначено как Известно из работы [Александров и др., 1972]), что в качестве некоторого параметра, характеризующего случайный импульсный процесс, величина N1 обладает простым физическим смыслом, являясь, по сути, временем превышения случайной величиной заданного порога и может быть легко определена по экспериментальным данным.
В связи с минимальным количеством гроз зимой в северном полушарии, для анализа был выбран зимний период с декабря 2007 г. по февраль 2008 г. В условиях высокоширотных наблюдений отсутствие грозовых источников, близко расположенных к
Число превышений за 30 мин
Время иТ
Рис. 2. Средняя суточная зависимость N1 горизонтальной компоненты магнитного поля в спокойных условиях.
Кольскому п-ову, позволяет более уверенно фиксировать изменения молниевой активности в удаленных мировых центрах гроз, а также проводить их сравнение с магнитосферными источниками КНЧ-излучений. При этом можно предполагать, что разная природа этих источников КНЧ-шумов влечет за собой и разные статистические характеристики амплитуд. По этой причине отдельно были рассмотрены записи шумов в спокойных и возмущенных геомагнитных условиях. За указанный 3-месячный интервал времени по критерию уверенного отсутствия промышленных помех, а также по техническим причинам для анализа были отобраны 23 геомагнитно-спокойных и 15 возмущенных суток. Уровень геомагнитной возмущенности определялся в соответствии с данными, приводимыми на сайте http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/ae_provisional/in-dex.html.
В процессе обработки экспериментальные данные пропускались через низкочастотный фильтр, отсекающий пульсации частотой ниже примерно 4 Гц. После этого рассчитывался модуль горизонтального вектора шумового магнитного поля — фактически в диапазоне ~4—15 Гц, т.е. в окрестности 1-го шумановского резонанса. Шкала задаваемых порогов определялась всем диапазоном значений уровней шумового магнитного поля, зарегистрированных в спокойных геомагнитных условиях. При переходе к возмущенным условиям шкала порогов не менялась.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ данных показал, что суточные кривые превышений двух взаимно перпендикулярных составляющих горизонтальной компоненты шумового магнитного поля имеют различный вид. При
ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ШУМОВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
679
Число превышений за 30 мин 25000
20000 15000 10000 5000
0
16000 12000 8000 4000
3 6 9 12 15 18 21 24 0
-31.01.2008
.....27.02.2008
Впор = 80 отн. ед.
_' 1 —■
А
3 6 9 12 15 18 21 24 Время, иТ
Рис. 3. Суточные зависимости ^ для разных порогов в геомагнитно-возмущенные дни 31.01.2008 г. и 27.02.2008 г.
этом суточные зависимости параметра NL в магни-тоспокойные дни при различных заданных порогах морфологически подобны. При этом, хотя они и характеризуются сильной изменчивостью от суток к суткам, но тем не менее удовлетворительно отражают общую картину известных закономерностей пространственно-временных вариаций глобальной молниевой активности. В частности, уверенно фиксируется наличие максимума грозовой активности около 16—18 ЕТ в мировых центрах гроз.
В качестве примера на рис. 1 представлены суточные зависимости NL при разных порогах во время двух геомагнитно-спокойных дней (07.12.2007 г. уровень АЕ-индекса не превышал 70—80 нТл; 01.01.2008 г. на протяжении всей длительности суток АЕ-индекс также был менее 70—80 нТл, и лишь в период с 11 до 12 ИТ наблюдалось его краткое увеличение до 300 нТл). Из сравнения рисунков а и б видно, что, как и следует ожидать, увеличение порога приводит к уменьшению NL и к большей изре-занности графиков — как одному из следствий уменьшения количества превышений. И тем не менее при разных порогах подобие суточных зависимостей сохраняется. Кроме того, на графиках для 07.12.2007 г. ясно видны три максимума, которые приходятся примерно на 07 ИТ (Юго-Восточный Азиатский грозовой центр), 15 ИТ (Южно-Африканский) и 19 ИТ (Американский центр). При этом интенсивность Африканского центра 07.12.2007 г. была гораздо ниже по сравнению с Азиатским и Американским центрами. Однако 01.01.2008 г. наблюдалась обратная картина, когда доминирующим оказался Африканский центр.
На рисунке 2 представлена суточная зависимость усредненная по всем 23-м геомагнитно-спокойным датам. Если ее сравнить с кривой Кар-неги (см., например, [Чалмерс, 1974]), то сходство
обеих зависимостей обнаруживается по двум признакам, а именно: во-первых, минимум приходится на ночные часы ИТ; во-вторых, достаточно ясно выражены все три глобальных центра грозовой активности. Однако при этом средняя суточная зависимость ^ имеет максимум, приходящийся на Азиатский центр, а унитарная вариация — на Американский. Причины такого различия могут иметь разную природу. Во-первых, условия формирования квазистатического электрического поля могут, вероятно, отличаться от условий формирования высокоширотного переменного электромагнитного поля КНЧ-шумов. Во-вторых, нельзя упускать из вида того, что при переходе от года к году средняя суточная зависимость ^ может существенно измениться. В-третьих, в литературе под грозовой (молниевой) активностью обычно понимают количество гроз (молний), зарегистрированных в единицу времени на единице площади или на географически определенном пространстве. В этом смысле параметр ^ как индикатор грозовой активности оказывается более сложной ее характеристикой, так как зависит не только от плотности, но и от мощности молний. Не исключена вероятность того, что в Азиатском центре грозовой активности при меньшей плотности молний, мощность каждой из них, в среднем, оказывается большей по сравнению с Африканским
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.