Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обоснование использования базовых формул для интерпретации результатов измерений 15
1.1 Расчет поля горизонтального электрического СНЧ диполя в волноводе Земля-ионосфера 16
1.2 Расчет СНЧ поля ГЭД в волноводе с малой кривизной 19
1.3 Оценка влияния ионосферы на поле СНЧ диапазона вблизи источника 27
1.4 Строгое решение задачи о поле горизонтальной заземленной линии на поверхности плоской однородной земли 29
1.5 Поле горизонтальной заземленной линии на поверхности двухслойной горизонтально-слоистой земли 31
1.6 Поверхностный импеданс электромагнитного поля на малых расстояниях от источника 33
Выводы по главе 1 36
Глава 2. Экспериментальные исследования особенностей возбуждения и распространения СНЧ радиоволн в волноводе Земля ионосфера 39
2.1 Поля контролируемого источника на расстояниях, сравнимых с высотой ионосферы 41
2.1.1 СНЧ поля вблизи источника при различных геофизических условиях 43
2.1.2 Построение адекватной модели двухслойной земли под источником на основе результатов измерений магнитного поля в ближней зоне в диапазоне частот 30-200 Гц 54
2.1.3 Наблюдение вариаций КНЧ полей в ближней зоне источника 59
2.2 Особенности поведения радиальной компоненты магнитного поля СНЧ диапазона на субавроральных трассах протяженностью 750-900 км 62
2.2.1 Роль радиальной компоненты магнитного поля в волноводе 62
2.2.2 Описание экспериментальных измерений 65
2.2.3 Коррекция параметров распространения СНЧ волн при низкой проводимости Земли на трассе 67
2.2.4 Анализ результатов эксперимента 71
Выводы по главе 2 72
Глава 3. Наблюдения геофизических явлений с применением полей контролируемого источника СНЧ диапазона 75
3.1 Влияние приливных эффектов на электромагнитное поле искусственного источника СНЧ-диапазона на Балтийском кристаллическом щите 78
3.2 Влияние солнечного затмения 20 марта 2015 г. на распространение СНЧ радиоволн на высокоширотных трассах 91
Выводы по главе 3 102
Заключение 105
Литература 109
- Оценка влияния ионосферы на поле СНЧ диапазона вблизи источника
- Поле горизонтальной заземленной линии на поверхности двухслойной горизонтально-слоистой земли
- Наблюдение вариаций КНЧ полей в ближней зоне источника
- Влияние солнечного затмения 20 марта 2015 г. на распространение СНЧ радиоволн на высокоширотных трассах
Введение к работе
Актуальность работы
Диссертационная работа посвящена исследованию особенностей
распространения электромагнитных волн сверхнизкочастотного диапазона (СНЧ, 30-300 Гц) в волноводе Земля-ионосфера в области высоких широт.
Распространение радиоволн сверх- и крайне низких частот (КНЧ, 3-30 Гц) в естественных волноводах, ограниченных поверхностью Земли и ионосферой, исследуется в теоретических и экспериментальных работах многих авторов, и особенно активно – начиная с середины – второй половины XX века, до настоящего времени [1-4]. Первоначальный интерес к этому диапазону частот возник в связи с исследованием закономерностей распространения в приземном волноводе электромагнитных возмущений естественного происхождения. В достаточно завершенном виде классическая теория распространения СНЧ волн в волноводе Земля-ионосфера была наиболее подробно изложена в базовых монографиях [1-2]. С точки зрения распространения волн в горизонтально- и сферически слоистых средах были рассмотрены различные теоретические подходы к описанию проблемы и предложены многочисленные модели и решения, соответствующие реальным условиям распространения, в основном учитывающие различные особенности структуры ионосферы.
В связи с развитием технологических средств, но также и, одновременно,
потребностей применения в технике в целях коммуникации, возникла
потенциальная практическая возможность создания искусственных
контролируемых источников излучения электромагнитных волн СНЧ диапазона. Были опубликованы многочисленные работы, посвященные теоретическим и экспериментальным исследованиям искусственных и естественных КНЧ-СНЧ электромагнитных волн на различных расстояниях в дневных и ночных условиях [5-23]. Исследовались возможности учета ионосферных неоднородностей на распространение СНЧ волн [24-31]. Изучались различные способы моделирования параметров распространения в волноводе как на теоретической основе, так и с привлечением экспериментальных данных [32-39]. Используемая в экспериментах, представленных в настоящей работе, мощная СНЧ радиоустановка на Кольском п-ове применялась в работах ряда авторов, посвященных различным аспектам возбуждения и распространения радиоволн [40-41]. Особенности распространения СНЧ (как и КНЧ) волн в высоких широтах ранее рассматривались в достаточно малом количестве работ [4, 32, 43, 44]. Среди работ последнего времени можно отметить монографию [3], где приводится достаточно подробный обзор существующих классических методов расчета СНЧ полей в волноводе Земля-ионосфера.
С точки зрения физических особенностей СНЧ диапазон частот интересен несколькими основными факторами. Затухание СНЧ радиоволн с расстоянием в волноводном канале Земля-ионосфера крайне мало. Это обеспечивает
возможность передачи сигналов на значительные расстояния. При этом, в отличие от более высокочастотных диапазонов, устойчивость параметров СНЧ волн при различных изменениях состояния ионосферы значительно более высока, что повышает надежность их использования в коммуникации на больших дистанциях от источников – вплоть до антиподных.
Глубина проникновения электромагнитных волн в природные среды, определяемая величиной скин-слоя, в СНЧ диапазоне весьма значительна. На частоте 100 Гц при типичных проводимостях земли 10-5-10-4 См/м скин-слой составляет величину 5-15 км, а для морской воды с удельной проводимостью порядка 100 См/м – 25-50 м. Это позволяет использовать радиоволны данного диапазона для глубинных зондирований земной коры [45, 52, 53] и в сейсмическом мониторинге [46, 47], а также для организации связи с погруженными объектами – подводными и подземными [48-51].
Негативные факторы, ограничивающие развитие широкого гражданского применения искусственных СНЧ полей, связаны с технологическими сложностями создания эффективных наземных излучающих установок. Кроме малой обеспечиваемой скорости передачи информации по сравнению с более высокими частотами, эти радиоустановки должны иметь передающие антенны длиной минимум в десятки километров при высокой мощности генераторных устройств, способных создавать в них токи порядка сотен ампер. Для повышения эффективности горизонтальной антенны необходимо располагать ее на поверхности земли, имеющей относительно низкую эффективную удельную проводимость. Кроме того, для успешного приема искусственных СНЧ сигналов требуется также преодолевать трудности, связанные с постоянным присутствием в этой части электромагнитного спектра естественных помех.
В настоящее время известно всего о нескольких СНЧ установках, созданных в
прошлые годы и реально применявшихся на практике [8, 45, 49, 51]. Несмотря
на основное военное назначение, они задействовались также и для
исследовательских работ, связанных как непосредственно с задачами мощного
радиостроения, так и с изучением особенностей последующего
функционирования этих установок и их непосредственным применением в радиофизических экспериментах с приемом сигналов на больших расстояниях. По этой тематике, начиная с 1970-ых годов, так же было опубликовано большое количество работ [5-11].
Единственной постоянно действующей сегодня является мощная СНЧ радиоустановка на Кольском п-ове [45]. В научных целях она неоднократно применялась в экспериментальных работах российских авторов, посвященных исследованиям возможностей применения искусственных СНЧ полей для электромагнитного зондирования, исследования распространения радиоволн [40, 41], а также для организации сейсмического мониторинга [46].
Кроме этого СНЧ источника следует также упомянуть о комплексных экспериментальных работах серии FENICS [52, 53], имеющих основную заявленную геологическую направленность. В этих работах в качестве антенны использовалась специальная ЛЭП, так же расположенная на Кольском п-ове и генерирующая аппаратура КНЧ-СНЧ диапазона.
Реакция параметров СНЧ поля на состояние внешней среды при
распространении в волноводе Земля-ионосфера, а также их достаточная для
целей коммуникации устойчивость определяют потенциальный научный и
технический интерес к развитию использования данного частотного
диапазона. В то же время в имеющейся литературе до сих пор крайне мало
систематической информации, посвященной некоторым аспектам
распространения СНЧ в приземном волноводе. На наш взгляд, на сегодняшний день исключительно большое внимание исследователей уделено вопросам влияния ионосферы, в то время как роль подстилающей среды, протекающих в ней геологических и сейсмических процессов остается крайне мало исследованной в экспериментах. Несмотря на то, что отчасти это связано с ограниченной технической возможностью генерации СНЧ волн, необходимость развития исследований остается очевидной как в целях зондирования нижней ионосферы и литосферы, так и для радиосвязи и сейсмического мониторинга.
Объектом исследования в работе является распространение радиоволн сверхнизких частот в приземном волноводе Земля – нижняя ионосфера.
Предмет исследования – особенности распространения электромагнитных волн СНЧ диапазона, создаваемых наземным контролируемым источником на высокоширотных трассах в различных гео-гелиофизических условиях на различных расстояниях от источника. Специфика выбранных трасс связана с особенностями авроральной и субавроральной ионосферы как верхней стенки волновода и с влиянием подстилающей среды с низкой эффективной удельной проводимостью, что наблюдается на Балтийском кристаллическом щите, где расположен активный СНЧ источник. Также рассматриваются особенности полей, связанные с геометрическим расположением зоны приема относительно направления излучающей антенны.
Цель диссертационной работы – выполнить теоретические оценки, получить и проанализировать экспериментальные сведения об особенностях структуры и поведения электромагнитного поля СНЧ диапазона в приземном волноводе, обусловленных различными геофизическими факторами и явлениями, а также свойствами среды распространения и геометрическими условиями наблюдений.
Задачи исследования:
1. Выбрать и обосновать теоретические подходы для расчетов
электромагнитного поля горизонтального наземного источника СНЧ
диапазона и интерпретации измерений как вблизи источника, так и в волноводе Земля-ионосфера с учетом основных особенностей доступных высокоширотных трасс протяженностью более тысячи километров.
-
Оценить степень чувствительности СНЧ поля вблизи наземного горизонтального излучателя к изменениям состояния ионосферы с целью обоснования способа использования измерений поля в данной зоне для контроля особенностей возбуждения волн в волноводе, а также для моделирования структуры подстилающей среды под источником.
-
Выявить особенности радиальной (продольной) компоненты магнитного поля горизонтального электрического диполя (ГЭД) в приземном волноводе, измерениями которой в предшествующих работах, как правило, пренебрегали; рассмотрение радиальной компоненты поля актуально в настоящей работе ввиду особенности расположения доступных для экспериментов зон на Балтийском кристаллическом щите относительно источника.
-
Рассмотреть влияние низкопроводящей земли на трассе распространения СНЧ волн на амплитуду поля, скорректировать параметры распространения, приводимые в литературе, с целью учета этого влияния и оценить адекватность полученных параметров на основе сравнения с данными измерений.
-
Рассмотреть эффекты масштабных геофизических явлений на возбуждение и распространение СНЧ волн на примерах воздействия солнечно-лунных приливных деформаций земной коры в области источника, а также солнечного затмения, наблюдавшегося в области, охватывающей точку расположения источника излучения и трассы распространения.
Методы исследования
В работе использованы экспериментальные методы исследования
распространения радиоволн на основе генерации СНЧ полей искусственной наземной радиоустановкой и прямых магнитометрических измерений амплитуды поля в пространственно разнесенных точках. Для анализа и интерпретации результатов измерений привлечены результаты расчетов распространения СНЧ волн в волноводе Земля-ионосфера в соответствии с современными представлениями.
Научная новизна
Впервые представлены многочисленные примеры и проанализированы
результаты наблюдений в течение продолжительного периода времени
поведения СНЧ электромагнитного поля, создаваемого наземным
контролируемым источником в высокоширотной области при различных гео-гелиофизических условиях как на расстояниях, сравнимых с высотой ионосферного волновода, так и на расстояниях более тысячи километров.
Рассмотрена роль радиальной компоненты магнитного поля ГЭД в волноводе в определенных областях, измерениям которой ранее в литературе не
уделялось специального внимания. Показана важность учета влияния низкой проводимости земли вдоль трасс распространения СНЧ.
Впервые в СНЧ диапазоне в высоких широтах наблюдался эффект солнечного затмения на распространение радиоволн в приземном волноводе, показывающий ведущую роль солнечной ионизации на высотах нижней ионосферы и качественно сводящийся к возрастанию высоты эффективного волновода при резком падении освещенности.
Научная значимость
Полученные результаты расширяют и дополняют современные
экспериментальных сведения об особенностях распространения СНЧ
радиоволн в волноводе Земля-ионосфера; показывают важность учета
конкретных условий среды в области источника и вдоль трассы
распространения для расчетов полей и интерпретации данных натурных
наблюдений в приземном волноводе. Показывают потенциальные
возможности использования контролируемых СНЧ полей для зондирования природных сред.
Практическая значимость полученных результатов
Предложен способ контроля особенностей возбуждения поля в волноводе (одновременно – дипольного электрического момента источника и частотной зависимости проводимости земли под источником), основанный на использовании результатов синхронных измерений поля на расстояниях, не превышающих высоты эффективного волновода, продемонстрированный в условиях эксперимента [А9].
Показано [А8], что СНЧ поле в волноводе сохраняет достаточную для применения в коммуникации стабильность параметров, даже во время масштабных возмущений ионосферы на примере прохождения лунной тени через трассу распространения во время полного солнечного затмения 20 марта 2015 г.
Степень достоверности результатов
Исключительно слабая чувствительность СНЧ поля к состоянию ионосферы на расстояниях от источника, сопоставимых с высотой эффективного волновода, показана на многочисленных примерах измерений магнитного поля в данной зоне, относящихся к периоду 2006-2015 г.г. – т.е. в различных фазах солнечной активности, а также в различные времена года и время суток.
Модельные параметры двухслойной структуры земли, полученные из
сопоставления результатов измерений поля вблизи источника с
теоретическими расчетами без учета влияния ионосферы, а также параметры распространения СНЧ волн, скорректированные на основе данных об усредненном характере проводимости земли вдоль трассы Кольский п-ов – Петрозаводск – Сторожно, обеспечивают более точное согласие расчетов СНЧ
поля по сравнению с использованием типичных параметров [13] и эффективной проводимости земли под источником, не зависящей от частоты.
Вариации поверхностного импеданса земли под источником, наблюдавшиеся в течение 30-суточного мониторинга, отражают медленные периодические вариации деформаций земной коры вследствие приливных гравитационных эффектов.
Вариации магнитного поля СНЧ источника в волноводе во время прохождения через трассы области солнечного затмения хорошо согласуются с изменениями солнечной освещенности, несмотря на наличие в авроральной области фактора корпускулярной ионизации высокоэнергичными частицами. Вблизи источника поле не испытывает влияния масштабного и резко протекающего ионосферного процесса.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Теоретические расчеты СНЧ поля ГЭД и экспериментальные измерения поля на расстояниях, сравнимых с высотой эффективного волновода, согласованно показывают возможность пренебрежения влиянием ионосферы на поле в данной зоне [А3, А7, А8];
-
Указанная зона одновременно является наиболее благоприятной для определения частотной зависимости поверхностного импеданса и эффективной проводимости земли в окрестности источника по измерениям поля ГЭД, свободным от влияния ионосферы [А9, А19];
-
На основе измерений поля ГЭД на расстояниях порядка высоты эффективного волновода предлагается способ синхронного контроля особенностей возбуждения СНЧ волн в волноводе [А7, А9];
-
Часто используемое представление СНЧ магнитного поля ГЭД в волноводе в виде единственной азимутальной (поперечной) компоненты требует обоснования при приближении к направлению вкрест к антенне источника, в особенности на расстояниях менее 1000 км. В указанных областях возрастает значимость радиальной составляющей магнитного поля вплоть до перехода ее в основную компоненту поля, что следует учитывать при интерпретации результатов измерений и в гониометрических задачах [А7, А9];
-
Наряду с контролем особенностей возбуждения, учет вклада импеданса земли в параметры распространения волн в волноводе при низкой эффективной проводимости необходим для достижения более точного соответствия результатов теоретических расчетов полей измеренным значениям [А9];
-
Наблюдаемые вариации поверхностного импеданса поля горизонтального наземного источника на расстояниях, сравнимых с высотой волновода, согласуются с медленными деформациями земной коры вследствие
приливных гравитационных эффектов и могут объясняться
перераспределением электропроводящих флюидов в ее толще [А7]; 7. Основной эффект солнечного затмения 20.03.2015 на распространение СНЧ волн в авроральных областях, подверженных в том числе и корпускулярной ионизации в нижней ионосфере, связан главным образом с увеличением эффективной высоты волновода при резком уменьшении потока солнечной радиации, что приводит к практически синхронному падению амплитуды регистрируемого поля на величину до 10-15% [А9].
Апробация результатов диссертации
Основные результаты диссертационной работы были представлены устными докладами на научных конференциях и опубликованы в изданиях Трудов конференций: на научной конференции «Состояние и перспективы развития геофизических исследований в высоких широтах», г. Апатиты, 2010 г.; на XVI региональной Конференции по распространению радиоволн, г. С.-Петербург, 2010 г.; на II Международной нобелевской научной конференции «Инновационные электромагнитные методы геофизики», г. Салехард, 2010 г.; на Научной конференции – школе молодых ученых «Высокоширотные геофизические исследования», г. Мурманск, 2011 г., 2015 г.; на XXVII Всероссийском симпозиуме по радиолокационным исследованиям природных сред, г. С.-Петербург, ВКА им. Можайского, 2011г.; на XXIII Всероссийской научной конференции по распространению радиоволн, в г. Йошкар-Ола, 2011 г.; на VI Всероссийской школе-семинаре имени М.Н. Бердичевского и Л.Л. Ваньяна по электромагнитным зондированиям Земли, г. Новосибирск, 2013 г.; на XXIV Всероссийской научной конференции по распространению радиоволн, Иркутск, 2014 г.; на XXIX Всероссийском симпозиуме по радиолокационному зондированию природных сред, С.-Петербург, ВКА им. Можайского, 2015 г.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 21 работе. Из них 10 – в рецензируемых журналах, 11 – публикации в сборниках трудов и докладов всероссийских и региональных научных конференций.
Личный вклад автора
Автор принимал непосредственное участие во всех экспериментальных работах, представленных в диссертации. Участвовал в обсуждении и выборе условий исследований, в постановке задач и в проведении измерений. Проводил обработку и последующую интерпретацию полученных данных. Выполнял теоретические расчеты и оценки, создавал необходимые для этого компьютерные программы. Проводил поиск и анализ опубликованных работ по тематике исследований.
Благодарности
Автор выражает благодарность научному руководителю – д.ф.-м.н. Терещенко
Е.Д. за существенную помощь и консультации при подготовке работы, а также
за значительную роль в организации и проведении рассматриваемых
исследований. Выражаю благодарность В.Ф. Григорьеву (ПГИ) за
обеспечение экспериментов, а также инженерам и научным сотрудникам
лаборатории радиопросвечивания №401 ПГИ, принимавшим активное
участие в экспериментальных работах. За создание и модернизацию
измерительного оборудования выражаю благодарность к.ф.м.-н.
Ю.В. Федоренко и сотрудникам возглавляемого им сектора №302 ПГИ.
Структура и объем работы
Оценка влияния ионосферы на поле СНЧ диапазона вблизи источника
Как видно на рисунке, формулы (1.18)-(1.19) в СНЧ диапазоне дают совпадающие с модовым разложением результаты и, таким образом, обеспечивают достаточную точность результатов на расстояниях 20-30 км в том числе и для близких к реальным проводимостям земли и ионосферы. Этот нижний предел расстояний вполне соответствует оценкам авторов [13, 55]. Таким образом, применимость формул (1.15)-(1.24) для приближения волновода с малой кривизной проверена как с идеально проводящими стенками, так и для реальных конечных значений проводимости. Учитывая также физическую наглядность этих формул и относительную простоту реализации в численных алгоритмах, далее мы будем использовать их в качестве основных для теоретических оценок поведения СНЧ поля в волноводе Земля-ионосфера.
Введенные в (1.15)-(1.24) упрощения приводят к необходимости привлекать для расчетов в качестве параметров не только геометрическую характеристику волновода – высоту h, но также и фазовую скорость, и коэффициент затухания волны с расстоянием, как отдельные величины. Поведение этих параметров связано как со структурой нижней ионосферы, так и с глубинным строением земли на трассе распространения. Теоретическому и экспериментальному определению эффективных значений h, c/v и посвящены многочисленные работы [32-39]. Как правило, в этих работах рассматривались различные способы учета влияния ионосферы на распространение СНЧ волн, поэтому в настоящей работе структура ионосферы подробно не рассматривается.
Как следует из формул (1.5)-(1.6) и (1.10)-(1.11), магнитное поле ГЭД в волноводе определяется электрическими свойствами двух различных областей земли: в окрестности источника и вдоль трассы распространения. Земля вблизи источника определяет потенциальную эффективность возбуждения поля, а на трассе – обуславливает, наряду с ионосферой, фазовую скорость и затухание волны с расстоянием. Учетом влияния земли на трассе распространения обычно пренебрегали на основании того, что подстилающая среда большинства протяженных трасс в реальных условиях в СНЧ диапазоне является хорошо проводящей и выполняется условие g i. Однако в рассматриваемых в настоящей работе экспериментах это условие, как правило, не выполняется. Единственный на сегодняшний день мощный контролируемый источник СНЧ излучения располагается на Кольском п-ове и многие среднепротяженные трассы распространения его сигналов пролегают в вдоль поверхности Балтийского кристаллического щита, характеризующегося относительно низкой удельной проводимостью, приближающейся к проводимости ионосферы. Поэтому влиянием проводимости земли в данном случае пренебрегать нельзя. При использовании выбранных для расчетов формул Bannister/Casey (1.15)-(1.24) нет непосредственной возможности учета свойств подстилающей поверхности вдоль трассы при низкой проводимости земли. Для вычисления полей по этим формулам требуется предварительная коррекция табличных параметров распространения. Обычно значения h, c/v и выбираются в соответствии с литературными или модельными данными. Необходимая коррекция позволяет учесть специфическое влияние низкопроводящих трасс, что будет показано далее при интерпретации результатов эксперимента. і.з Оценка влияния ионосферы на поле СНЧ диапазона вблизи источника Для интерпретации результатов измерений СНЧ полей, возбуждаемых в волноводе Земля-ионосфера, используются модельные расчеты амплитуд по формулам, приведенным выше -например (1.7)-(1.11) или их приближенным аналогам (1.15)-(1.19). Можно видеть, что все указанные формулы содержат в качестве сомножителя приведенный поверхностный импеданс земли в области источника Ag или Ags, определяемый эффективной проводимостью ag. Зависимость проводимости от частоты связана с глубинным строением подстилающей среды в данной области и может быть определена, например, по данным глубинных зондирований методами МТЗ/АМТЗ/CSAMT. Другим удобным на практике способом является предлагаемое нами определение проводимости непосредственно по результатам измерений горизонтального магнитного поля в определенной зоне, где отсутствует влияние ионосферы. В этом случае проводимость относительно просто выражается из аппроксимаций формул (1.25)-(1.26) при »
Известно, что зоной, где влиянием верхней стенки волновода на СНЧ поле можно пренебречь, является область в непосредственной близости от источника, в частности, расстояния/) « h. Это, например, видно на графиках (Рисунок 1.2): поле в модовом представлении совпадает с полем диполя на плоской поверхности полупространства до расстояний приблизительно 100-120 км, а затем постепенно приобретает волноводный характер распространения, медленнее затухая с расстоянием. Однако более точные представления о размерах зоны, в которой влиянием ионосферы можно пренебречь, принципиально важны для контроля возбуждения и распространения СНЧ волн в волноводе Земля-ионосфера, поэтому, рассмотрим этот вопрос более подробно на основании имеющихся подходов к теоретическому описанию поля в квазистатической зоне.
Оценить критические расстояния учета ионосферы для разных компонент (Я, Т/, и полного горизонтального поля Я), частот и условий возбуждения, можно, сравнивая поле в волноводе (формулы (5-6)) с полем ГЭД на поверхности плоской земли (формулы (26, 27)). Такие расчеты горизонтального магнитного поля были проведены нами при эффективной удельной проводимости земли ag = 510"5 См/м, ионосферы - ОЇ = 10"6 См/м для двух высот волновода: /ц = 55 км (модель дневных условий) и /72 = 85 км (ночные условия). Определялась разность амплитуд при наличии ионосферы и без нее. Затем, считая существенной разность между ними более 5%, были определены примерные критичные относительно влияния ионосферы расстояния для частот СНЧ диапазона - 30-300 Гц. Найденные таким образом критические расстояния RKp, RKf и щ, представлены на графиках (Рисунок 1.3).
Поле горизонтальной заземленной линии на поверхности двухслойной горизонтально-слоистой земли
Результаты экспериментов, представленные ниже, относятся к работам, выполненным сотрудниками ПГИ – в каждом случае при непосредственном участии автора – в период 2006-2015 г.г. Эксперименты проводились эпизодически в течение всего этого длительного периода времени в различные фазы цикла солнечной активности, в разное время суток и в различные времена года. Учитывая это, а также большую продолжительность цикла наблюдений и большое количество сеансов измерений в данном разделе мы не приводим здесь подробных сведений о состоянии ионосферы, предполагая, что весь представленный массив результатов получен в заведомо разнообразных геофизических условиях.
Передающая установка СНЧ диапазона располагалась в северной части Кольского п-ова и представляла собой горизонтальную заземленную линию длиной 60 км, ориентированную практически вдоль географической широты (Рисунок 2.1). Синусоидальный ток заданной частоты и постоянной амплитуды создавался в антенне, достигая амплитудных значений 200-300 А. В настоящем разделе будут представлены данные измерений, полученные в обсерватории ПГИ в с. Ловозеро (6802 с.ш., 3500 в.д.) – в центральной части Кольского п-ова. Этот пункт измерений был удален от источников излучения на расстояния, сравнимые с высотой ионосферы.
Сеансы измерений проводились небольшими сериями – обычно по одному-два в течение суток, либо в смежные дни. Каждый сеанс включал в себя генерацию квазимонохроматических СНЧ сигналов последовательно из определенного набора частот, промежутками длительностью, как правило, от пяти до пятнадцати минут. В описаниях экспериментов далее будет конкретно указываться используемый источник излучения, особенности геометрии, частотный диапазон, ток в антенне источника и другие существенные особенности.
Во всех экспериментах и во всех пунктах измерений (которые будут упоминаться далее) использовалась однотипная приемная аппаратура. Аппаратная часть периодически модернизировалась, однако, неизменно функционально представляла собой индукционный магнитометр, предназначенный для цифровой регистрации трех компонент магнитного поля – H, D и Z (иногда двух – H и D) в КНЧ-СНЧ диапазоне (на практике – от 3 Гц до 200 Гц) с точной привязкой получаемых данных к всемирному времени UT по сигналам спутниковых навигационных систем (СНС). Рисунок 2.2. Взаимная ориентация магнитоиндукционных датчиков трехкомпонентного магнитометра
Ориентация датчиков магнитометров на местности производилась по показаниям стрелки магнитной буссоли: Я - в направлении на магнитный Север, D - на запад и Z - вертикально вниз (Рисунок 2.2). Дополнительно в местах измерений производился замер величины магнитного склонения для того, чтобы при интерпретации результатов корректно учитывать позиционирование измерительной системы относительно источника излучения.
Регистрация данных в большинстве случаев выполнялась 24-разрядным АЦП с частотой дискретизации 512 Гц. Все датчики в составе измерительных комплексов регулярно проходили метрологические испытания, в ходе которых снимались их амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики и определялись коэффициенты пересчета показаний АЦП в соответствующие единицы напряженности магнитного поля. Типичная форма АЧХ применявшихся приемников показана на диаграмме (Рисунок 2.3). 1г
На передающей станции производилась цифровая регистрация силы тока в антенне источника. Для унификации процедуры обработки записи сохранялись в формате, аналогичном цифровым записям данных приемников магнитного поля и так же имели привязку к мировому времени по сигналам СНС.
Полученные во время сеансов цифровые записи представляли собой временные ряды мгновенных измеренных значений поля (либо тока в антенне). Для обработки квазимонохроматических сигналов применялась методика, основанная на оценивании спектральных плотностей мощности полезного сигнала и шума в окрестности рабочей частоты методом усреднения периодограмм Уэлча [59-61] с регулируемыми для конкретных условий параметрами. После обработки записей магнитометров и силы тока в антенне выполнялась нормировка измеренных полей на амплитуду тока для получения результирующих данных.
Перейдем к изложению результатов измерений. Мы рассмотрим следующие серии экспериментов: I. Серия измерений 13-14 июня 2013 года
Источник – антенна КНЧ-СНЧ диапазона (Рисунок 2.1). Время работы 13.06 – с 03:40 до 06:35 UT, 14.06 – с 04.00 до 05.15 UT, сеансами по 10-15 минут непрерывной генерации сигнала при постоянной мощности на каждой частоте. Значения планетарного Kp-индекса 13.06.2013 – 0-2, 14.06.2013 – 1-2.
В этот период широты области эксперимента находятся в условиях полярного дня, когда нижняя ионосфера в ночные часы продолжает оставаться освещенной Солнцем и, таким образом, не наблюдается типичных ночных условий.
Наблюдение вариаций КНЧ полей в ближней зоне источника
Эксперимент проводился 13-14 июня 2013 г. в промежутки 04-06 UT. Расположенный на Кольском полуострове источник СНЧ излучения с антенной в виде горизонтального электрического диполя, заземленного на концах, генерировал квазимонохроматические сигналы в диапазоне частот 44-188 Гц. Длина его широтно ориентированной антенны L составляла приблизительно 60 км. Длительность сеансов генерации на каждой частоте – 10 мин.
Геометрия эксперимента показана на рисунке (Рисунок 2.17). Измерения магнитного поля производились в ближней зоне источника в обс. Ловозеро (Кольский п-ов) и в двух удаленных приемных пунктах: г. Петрозаводск (респ. Карелия) – на расстоянии 765 км и д. Сторожно (Ленинградская обл.) – 915 км. Магнитное склонение в Сторожно и Петрозаводске составляет 10, в Ловозеро – 12 (везде – восточное). Как видно на рисунке, Петрозаводск и Сторожно находятся практически на общей трассе распространения, а их азимутальные углы не более, чем на 5 отличаются от ортогонального к антенне направления. Рисунок 2.17. Геометрическая схема эксперимента
Измерения магнитного поля производились с использованием однотипных индукционных магнитометров с частотой дискретизации 512 Гц. В штатную комплектацию магнитометра входят три магнитоиндукционных датчика, предназначенные для приема магнитного поля в диапазонах КНЧ и СНЧ. Пара датчиков HNS и HWE ориентировалась в горизонтальной плоскости по сторонам света при помощи магнитной буссоли и уровня, а третий – HZ – устанавливался вертикально. Приемные системы магнитометров оснащены цифровой системой сбора и регистрации данных, а также системой высокоточной привязки ко времени UT по сигналам спутниковых навигационных систем (СНС). Во время сеансов генерации поля на передающей установке производилась цифровая регистрация силы тока в антенне, так же привязанная к мировому времени по сигналам СНС.
Записанные данные проходили цифровую спектральную обработку, при которой оценивались спектральные плотности мощности фоновых шумов, полезного сигнала, а также амплитуды и фазовые сдвиги сигналов относительно тока в передающей антенне. Измерения магнитного поля в обс. Ловозеро необходимы для нахождения эффективной проводимости земли под источником. Близость этого приемного пункта к передающей антенне позволяет получить высокоточные измерения двух горизонтальных компонент поля, практически исключив возможное влияние ионосферы.
Близость приемных пунктов Петрозаводск и Сторожно к поперечной оси диполя приводит к тому, практически отсутствует азимутальная составляющая поля. По этой причине надежные данные регистрируются только на одном из датчиков – ориентированном вдоль оси Север-Юг.
Для последующей интерпретации результатов измерений потребуется выполнить расчеты СНЧ магнитного поля ГЭД в волноводе Земля-ионосфера. При расстояниях от источника, больших длины подземной волны для этого воспользуемся приведенными выше формулами Casey (1.18)-(1.19), но предварительно рассмотрим вопрос о получении адекватных параметров возбуждения и распространения поля в волноводе, необходимых для выполнения расчетов.
Существенной особенностью трасс распространения СНЧ радиоволн, проходящих над Балтийским кристаллическим щитом является низкая проводимость подстилающей земли. Обычно в литературе приводятся параметры, необходимые для расчета распространения СНЧ волн в дневных и ночных условиях для трасс, вдоль которых, как правило, импеданс земли пренебрежимо мал по сравнению с импедансом ионосферы [2, 32-34]. Однако области с низкой проводимостью земли, что характерно для Кольского полуострова и Карелии, могут оказывать особое влияние на распространение над ними СНЧ волн, изменяя фазовую скорость и затухание волны с расстоянием. Учет этого фактора следует использовать при интерпретации результатов.
При низких характерных значениях эффективной удельной проводимости земли на трассе распространения ( 10-5 См/м), характерной для Балтийского кристаллического щита, поверхностный импеданс земли становится сопоставим с ионосферным и возникает необходимость коррекции параметров распространения относительно типичных значений, приводимых в литературе.
Учтем вклад импеданса низкопроводящей земли в (2.6), сохранив неизменной модель ионосферы. Для этого, прежде всего определим из последнего выражения проводимость ионосферы в ночных условиях для стандартных ночных параметров распространения c/v, h и , пренебрегая g:
Влияние солнечного затмения 20 марта 2015 г. на распространение СНЧ радиоволн на высокоширотных трассах
Как видим на рисунке, в контрольные дни поведение поля достаточно сходное, амплитуда имеет максимум в промежутке 10.20-10.40 UT, что объясняется прохождением в это время Солнцем наивысшей точки и эффективная высота ионосферы минимальна. В то же время, при наступлении солнечного затмения наблюдается значительное отличие временного хода с существенным минимумом примерно во время максимальной фазы затмения, что более подробно обсуждалось выше. Этот график показывает значимость эффекта на фоне невозмущенных условий распространения радиоволн в волноводе Земля-ионосфера.
Таким образом, работа представляет новые результаты наблюдений влияния солнечного затмения на нижнюю ионосферу и на условия распространения радиоволн в приземном волноводе – впервые полученные с использованием контролируемого источника СНЧ диапазона. Измерения в областях как частичного, так и полного затмения показали, что амплитуда поля источника во время затмения изменялась на 10-15% практически синхронно с перекрытием Солнца Луной, чего не наблюдалось в то же время суток в предыдущий и следующей за затмением дни.
Уменьшение солнечной радиации замедляет фотоионизацию в нижней ионосфере, меняя структуру волновода. В литературе имеются сведения о том, что это выражается главным образом в увеличении эффективной высоты отражения СНЧ волн в D-области ионосферы. Результаты измерений в нашем эксперименте качественно подтверждают такой механизм. В дальнейшем целесообразно более детально рассмотреть изменение профиля концентрации электронов во время затмения на высотах области E и в верхней части D-слоя, где ионизация солнечной радиацией является преобладающей. Также во время наблюдения затмения в обс. Баренцбург было отмечено изменение амплитуды СНЧ поля, связанное с увеличением угла возвышения Солнца.
Полученные результаты отражают чувствительность радиоволн СНЧ диапазона, распространяющихся в волноводе Земля-ионосфера к состоянию ионосферы и к ее изменениям при изменении условий освещенности Солнцем и показывают потенциальные преимущества использования контролируемых СНЧ источников для мониторинга состояния ионосферы, а также высокую устойчивость сигналов СНЧ диапазона при значительных ионосферных возмущениях, что является благоприятным фактором для их применения в коммуникации.
В главе рассматривалось воздействие масштабных естественных геофизических явлений на возбуждение и распространение радиоволн СНЧ диапазона.
Мониторинговые исследования вблизи контролируемого СНЧ источника в зоне, свободной от влияния ионосферы позволили наблюдать реакцию создаваемого им электромагнитное поле на изменения эффективной проводимости подстилающей земли, вызванные медленными приливными деформациями земной коры. Наблюдались вариации поверхностного импеданса, не превышающие по размаху 1% среднесуточного значения. Быстрые вариации поля и импеданса с характерными периодами порядка суток не удалось наблюдать по всей видимости ввиду влияния вариаций ионосферы вследствие изменения освещенности Солнцем, а также случайных ионосферные возмущения. Наблюдения интервале длительностью до нескольких суток позволяют сглаживать влияние случайных возмущений, улучшая условия для обнаружения медленных приливных вариаций импеданса и полей. В частности, в поведении импеданса были обнаружены 14-суточные вариации с относительным размахом в пределах 0.3%-0.5%, протекавшие в противофазе с медленной приливной волной вертикального смещения земной поверхности. Результаты данного эксперимента показывают потенциальную возможность использования СНЧ полей контролируемых источников для мониторинга приливных и сейсмических процессов. В качестве второго примера воздействия геофизических явлений на распространение радиоволн были представлены результаты исследований эффекта солнечного затмения 20 марта 2015 г. на распространение СНЧ волн в высокоширотной области волновода Земля-ионосфера – в области, кроме прочих обычных факторов, подверженной и корпускулярной ионизации.
В работе наблюдалось падение амплитуды регистрируемого СНЧ сигнала на удалении 450-1200 км при постоянстве параметров возбуждения на передающем конце, вызванное изменением свойств нижней ионосферы как реакции на резкое уменьшение скорости фотоионизации. Было показано, что качественно изменение условий распространения может сводиться к увеличению эффективной высоты отражения СНЧ волн в волноводе при приближении к полной фазе затмения в области трасс распространения.
Данные наблюдения впервые были проведены в СНЧ диапазоне с применением сигналов контролируемого источника, в отличие от имеющихся аналогичных ранее проведенных работ с сигналами СДВ радиостанций. Также впервые эффект наблюдался в высоких широтах. Наблюдения показали устойчивость СНЧ волн, распространяющихся в волноводе Земля-ионосфера к масштабным и быстро протекающим вариациям ионосферы, что является одним из преимуществ использования СНЧ сигналов для организации связи на больших расстояниях от источника.