Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ естественных УНЧ - КНЧ излучений по результатам наблюдений на станциях Лехта (Карелия) и Карымпшно (Камчатка) 13
1.1. Введение 13
1.1.1. Естественные регулярные НЧ излучения 14
1.1.2. Индуцированные НЧ излучения 15
1.1.3. Грозовые источники КНЧ излучений 16
1.2. Движение мировой грозовой активности по анализу трехкомпонентных измерений в диапазоне шумановских резонансов на станции Лехта (Карелия) 18
1.2.1. Пункт наблюдения и аппаратура 18
1.2.2. Методика анализа данных 29
1.2.3. Результаты обработки экспериментальных данных 35
1.2.4. Определение дистанции до распределенного источника МГА 42
1.3. Анализ УНЧ-КНЧ излучений, связанных с магнитосферно-ионосферными источниками на станции Карымпшно (Камчатка) 48
1.3.1. Место наблюдения и аппаратура 48
1.3.2. Анализ УНЧ-КНЧ фона на станции Карымшино 54
1.4. Выводы 58
Глава 2. Наблюдения индуцированных КНЧ излучений от взрывов 60
2.1. Введение 60
2.2. Постановка задачи и приемо-измерительная аппаратура 62
2.3. Обработка и анализ результатов 68
2.3.1. Основные параметры КНЧ-атмосфериков 69
2.3.2. Методика обработки данных 70
2.3.3. Анализ данных 73
2.4. Интерпретация результатов 94
2.4.1. Характеристики ЭМИ наземного и воздушного взрывов 94
2.4.2 Динамика камуфлетного ядерного взрыва 95
2.4.3 Модели КНЧ источника на стадии динамического роста плазменной полости 98
2.4.4. Распространение СНЧ-КНЧ волн в магнитосфере 104
2.4.5. "G''-мода и ее модель 107
2.4.6. Электрические пробои газопылевого облака : 109
2.4.7. Регистрация сейсмических колебаний от ПЯВ 111
2.4.8. Акустическое воздействие взрыва на ионосферу 113
2.5. Выводы 119
Глава 3. УНЧ-КНЧ излучения, индуцируемые сейсмичностью 120
3.1. Введение 120
3.2. Оценка эффективности сейсмического события 124
3.3. Геомагнитные пульсации УНЧ диапазона 127
3.4. Подтверждение обнаруженного эффекта
корреляционным анализом 137
3.5. Интерпретация полученных результатов 142
3.6. Выводы 151
Заключение 152
Библиографический список используемой литературы
- Движение мировой грозовой активности по анализу трехкомпонентных измерений в диапазоне шумановских резонансов на станции Лехта (Карелия)
- Определение дистанции до распределенного источника МГА
- Обработка и анализ результатов
- Геомагнитные пульсации УНЧ диапазона
Введение к работе
В диссертации представлено экспериментальное исследование распространения электромагнитных импульсных излучений, частотный спектр которых перекрывает диапазоны ультранизких (УНЧ) и крайне низких частот (КНЧ), в волноводе Земля - ионосфера и магнитосфере. Анализировались сигналы в этих диапазонах частот, излучаемые как естественными - удалёнными разрядами молний, землетрясениями и вулканической деятельностью, распределёнными по поверхности Земли, так и техногенными источниками — наземными и подземными взрывами. Хотя перечисленные явления вызывают излучения не только в указанном диапазоне частот, тем не менее, НЧ волны заслуженно вызывают к себе повышенный интерес. Благодаря слабому затуханию в волноводе Земля-ионосфера [1] НЧ волны, будучи возбуждены источником и распространяясь в волноводе, несут на себе отпечаток свойств, как самого источника, так и физических свойств среды распространения. Этот, хорошо известный факт, давно сделал низкочастотные электромагнитные излучения эффективным инструментом диагностики процессов в околоземной плазме, атмосфере и земной коре [21,49,77,100].
Однако достоверность такой диагностики зависит как от знания физики процесса генерации и механизмов распространения этих излучений, так и качества регистрации и анализа. Исследуемые электромагнитные поля, наблюдаемые на поверхности Земли, как правило, имеют низкую интенсивность и сильно маскируются помехами [2]. Вероятность обнаружения и точность оценки параметров сигналов зависит от оптимальности применяемого в приемниках алгоритма обработки, который, в свою очередь, определяется априорными данными о характеристиках сигналов и помех. [3,4] К этим данным относятся спектральные и
статистические характеристики, временные параметры сигналов и т.п. Степень "оптимальности" обработки впрямую влияет на достоверность и интерпретацию данных и потенциально зависит от знаний параметров сигналов и помех, что и является основным направлением исследований в данной работе.
Экспериментальные данные, используемые в работе, получены в результате наземной регистрации электрической и магнитных компонент поля естественных и техногенных излучений в различных полосах частот: 0.003 - 40 Гц, 3 - 40 Гц и 3 - 1000 Гц. В экспериментах использовались различные сочетания измеряемых компонент поля: вертикальная электрическая и две взаимно ортогональные горизонтальные магнитные, вертикальная и горизонтальные магнитные. В отдельных экспериментах измерялась одна магнитная компонента поля. Измерения проводились в различных регионах России: республике Карелия, Камчатской, Волгоградской и Семипалатинской областях.
Актуальность работы. Диапазоны УНЧ и КНЧ характеризуются очень слабым затуханием при распространении радиоволн в приземном волноводе. Эти сигналы способны распространяться на очень большие расстояния (до нескольких тысяч километров), что позволяет рассматривать их наблюдение как средство мониторинга глобальных изменений окружающей среды. При этом представляется возможность оценки свойств, как канала распространения, в основном определяемым состоянием нижней ионосферы, так и параметров источников сигналов, таких как их координаты в случае одиночного импульсного излучателя, его мощность, а также пространственное распределение глобальной молниевой активности. Сигналы в этом диапазоне частот уверенно регистрируются на спутниках, но поскольку спутниковые данные во многих случаях не могут заменить наземные, а получение последних связано, как правило, с работой
на фоне высоких индустриальных и естественных (погодные, вибрационные) помех, рассматриваемые экспериментальные методики могут оказаться полезными при решении ряда задач, имеющих важное научное и прикладное значение.
Важную роль в исследованиях играет универсальность и относительная простота приёмоанализирующей аппаратуры, что достигается минимизацией составляющих приёмной части и переносом основных функций фильтрации, подавления помех, обработки в реальном времени и автоматизации процесса измерения на программное обеспечение. В качестве массива данных используются оцифрованные временные реализации сигналов, синхронно принимаемые датчиками различных компонент поля.
Задачи поиска и локализации очагов техногенных явлений до
недавнего времени решались в основном сейсмическим,
гидроакустическим, инфразвуковым и радионуклидным методами. Однако проблема осложняется тем, что глубина и размеры очага, геологическое строение и физические свойства пород варьируют в достаточно широких пределах, что требует в целом комплексного подхода.
Первая открытая публикация, посвященная геомагнитным возмущениям, сопровождающих подземные ядерные взрывы (ПЯВ) появилась в 1966 г. [55] В этой работе впервые были описаны результаты регистрации электрической и магнитной компонент поля в серии опытов на испытательном полигоне США в штате Невада. В последствии появилось множество работ, доказывающих, что электромагнитные излучения, сопровождающие техногенные явления и ПЯВ генерируются в широком диапазоне частот. Но наибольший интерес вызывают излучения в УНЧ-КНЧ диапазонах частот, так как именно для них ионосфера и магнитосфера Земли являются достаточно «прозрачными». Таким образом, изменение
-?
свойств среды может передаваться в ионосферу через вертикальное электрическое поле и изменить функцию распределения энергичных электронов, что, в свою очередь, приведет к модификации спектра и интенсивности УНЧ-КНЧ шумов.
Другим возможным источником воздействия указанных явлений на околоземную плазму является акустическая волна, распространяющаяся вверх от источника и вызывающая колебания заряженных частиц и, соответственно, генерацию электрических полей и токов.
Приведенные в работе результаты являются обобщением опытных данных, полученных в период проведения экспедиционных работ на Семипалатинском полигоне. Анализ этих данных позволил сделать вывод о том, что динамические спектры регистрируемых магнитовариационных процессов на определенном временном интервале после взрыва, наряду со случайной, содержат регулярные компоненты магнитных возмущений. Эти возмущения делают уникальным магнитный "портрет" источника, позволивший разработать оригинальную методику диагностики ПЯВ, о чем получено авторское свидетельство [72].
Естественными источниками в этих диапазонах частот являются также молнии, которые являются предметом исследования от первых опытов с электричеством в XIX веке до настоящих дней. Молнии традиционно используются для исследования распространения радиоволн, что связано, прежде всего, с отсутствием широкополосных искусственных источников полей в этом частотном диапазоне. При этом важную роль играет определение координат источников вследствие дистанционной зависимости спектров регистрируемых полей.
Определяющую роль в глобальной грозовой активности играют мировые грозовые центры, расположенные в Африке, Южной Америке, Юго-Восточной Азии. Известные из литературы данные о распределении
&
источников измерялись за продолжительные промежутки времени или охватывали локальные области Земного шара. Глобальные распределения получались затем сопоставлением данных большого числа отдельных метеорологических пунктов наблюдения [5,6]. Эти результаты не позволяют одновременно оценить динамику и пространственную структуру глобальных источников. Поэтому остается актуальным получение данных о пространственно-временной динамике активности мировых грозовых центров.
Часть работы посвящена возможности использования одной станции для определения направления на источник, реализующая алгоритм Умова-Пойтинга в диапазоне шумановских резонансов, который в этом частотном диапазоне выполнялся впервые [43,47]. Исследования в этой области становятся особенно актуальны в связи с высказанной возможностью отслеживания температуры атмосферы по интенсивности грозовой деятельности, что в свою очередь, позволяет осуществлять мониторинг глобального потепления. Кроме того, грозы являются основным источником электромагнитных помех на частотах выше 5 Гц и исследование их полей стало необходимым условием создания систем обнаружения и анализа сигналов других источников, наблюдаемых на поверхности Земли.
Землетрясения являются одним из наиболее катастрофических процессов в природе и, поэтому, их исследованию и возможности их предсказания посвящено огромное количество работ. Наиболее полные из них посвящены калифорнийскому [11] и спитакскому [12] землетрясениям. Некоторые теоретические и практические работы позволяют делать вывод о том, что существует возможность появления низкочастотных излучений, в том числе и в период подготовки землетрясений [16]. Однако, исследования в этой области поглотили уже огромные средства, но пока не
привели к полной ясности физики процессов и не дают рекомендаций для их прогноза. Результаты, представленные в этой работе получены в районе Петропавловска-Камчатского на комплексном геофизическом полигоне на временном интервале более трех последних лет. Исследование структуры статистических и спектральных характеристик низкочастотных полей, а также их связи с сейсмическими событиями нашло отражение в ряде работ. При этом были обнаружены статистически устойчивые закономерности, которые также приведены в настоящей работе.
Исследуемые в диссертации эффекты тесно связаны с состоянием нижней ионосферы, поэтому они оказываются не только источником дополнительной информации, но и основой новых методов измерения параметров нижней ионосферы. Рассматриваемые экспериментальные методики могут оказаться полезными в изучении грозовых разрядов и других электромагнитных источников естественного и искусственного происхождения в данных диапазонах частот.
Цель работы и метод исследования. Целью диссертации является экспериментальное исследование спектральных и поляризационных свойств электромагнитного поля от нестационарных источников естественного и искусственного происхождения в диапазонах УНЧ-КНЧ, распространяющихся в волноводе Земля-ионосфера и магнитосфере, разработка методики локации источников импульсных сигналов как точечных, так и распределенных в пространстве, попытка решения задачи поиска предвестника землетрясения, получение новых экспериментальных данных о пространственно-временной динамике активности мировых грозовых очагов, обработка, анализ и интерпретация полученных экспериментальных данных.
Методы исследования базируются на теории распространения электромагнитных волн, теории цепей, теории информации, структурном
программировании, математических методах обработки результатов экспериментов.
Научная новизна. Проведены комплексные исследования физических свойств электромагнитного излучения при проведении подземных ядерных взрывов и взаимосвязи его характеристик с информационными параметрами источника его генерации. Предложена и апробирована оригинальная методика обнаружения камуфлетного взрыва. Зарегистрированы и исследованы остаточные геомагнитные вариации и процессы их релаксации после действия ПЯВ. Отработаны физические и математические критерии идентификации источников электромагнитных и геофизических возмущений.
Обнаружены аномальные вариации грозовой активности в Африканском МГЦ по результатам измерения вектора Умова-Пойнтинга. Предложена и апробирована оригинальная методика пеленгации и определения дистанции до МГЦ по волновому импедансу. Экспериментально обнаружены и интерпретированы частотные зависимости азимута МГЦ по средним векторам Умова-Пойнтинга.
Предпринята попытка обнаружения сигналов вблизи зоны готовящегося землетрясения, появление которых предшествует или сопровождает его.
Разработаны и созданы программно-аппаратурные комплексы с автоматической калибровки для 3-х компонентных измерений в диапазонах УНЧ-КНЧ, оптимизированных для решения вышеперечисленных задач. Проведены долговременные непрерывные 3-х компонентные измерения шумановских резонансов и накоплен электронный банк данных средних спектров шумановских резонансов и вектора Умова-Пойнтинга в п. Лехта, респ. Карелия и п. Карымшино, Камчатская обл.
Научная и практическая ценность работы. Полученные в диссертации экспериментальные результаты развивают и дополняют знания о распространении электромагнитных волн УНЧ-КНЧ диапазонов в волноводе Земля-ионосфера. Выявленные физические закономерности и количественные характеристики электромагнитных и геофизических эффектов могут быть использованы как для фундаментальных геофизических исследований, так и в прикладных областях, таких, как обнаружение сигналов из очагов землетрясений, вулканической деятельности, для решения задач, связанных с обнаружением и различением ПЯВ и взрывом химических ВВ. Разработанные алгоритмы обработки сигналов, схемные решения, использованные при разработке аппаратурного комплекса могут быть применены для изучения динамики мировой грозовой активности, создания однопунктовых систем локации молний, автоматических систем мониторинга нижней ионосферы, новых систем связи.
Апробация работы. Результаты исследований были доложены на Всесоюзном межведомственном научном совещании, г. Харьков, 1990 г., межведомственной научной конференции по сейсмоакустическим, инфразвуковым и ионосферным эффектам подземных и наземных взрывов, г. Москва, 1990 г., межведомственной конференции по технологиям мониторинга договора о всеобщем запрещении ядерных испытаний, г. Истра, 1996 г., XXVIth General Assembly URSI, Univ. Of Toronto, Toronto, Ontario, Canada, 1999 г., IV Int.Symposium on EMC and Electromagnetic Ecology. EMC-2001, 2001 г., 25-й Генеральной Ассамблеи Европейского Геофизического Союза (Ницца, Франция), EGS -2001 г., 26-й Генеральной Ассамблеи Европейского Геофизического Союза (Ницца, Франция), ), EGS -2003 г., International Workshop on Seismo Electromagnetics, 2000 of NASDA, The University of Electro-Communications, Chofu-City, Tokyo, Japan.
Материалы диссертации обсуждены на семинарах в ОИФЗ РАН, ИДГ РАН, МИФИ, ИЗМИРАН.
Основные результаты диссертации изложены в 15 печатных работах и включены в ряд отчетов по плановым НИР ИЗМИРАН.
Структура и объём работы. Диссертация общим объёмом 170 страниц состоит из введения, 3 глав, заключения и библиографического списка, содержит 63 рисунка, библиографический список из 162 наименований.
Содержание работы. Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований, изложено краткое содержание и основные результаты, выносимые на защиту.
В первой главе приводится анализ естественных УНЧ - КНЧ излучений по результатам наблюдений на станциях Лехта (Карелия) и Карымшино (Камчатка), состав и описание аппаратуры и пунктов наблюдения, методика обработки данных и результаты наблюдения за динамикой мировой грозовой активности.
Во второй главе рассмотрены результаты экспериментов по обнаружению сигналов в диапазоне КНЧ от подземных ядерных взрывов, приведены их основные временные и спектральные характеристики и предполагаемые механизмы и модели их возникновения.
В третьей главе представлен анализ сигналов в диапазоне УНЧ на станции Карымшино (Камчатка) за более чем 2-х летний период, показана связь наблюдаемых сигналов с процессами подготовки землетрясений, проведен их статистический анализ и дается интерпретация наблюдаемых эффектов в рамках 2-х моделей.
В заключении приведены основные результаты диссертации и выводы.
Движение мировой грозовой активности по анализу трехкомпонентных измерений в диапазоне шумановских резонансов на станции Лехта (Карелия)
Причиной возникновения грозовых разрядов в атмосфере считаются капли влаги, аэрозоли, лед и снег в облаках, которые перемещаются восходящими и нисходящими потоками, что приводит к разделению зарядов. При этом увеличивается напряженность электростатического поля и, когда достигается напряжение пробоя 106 В/м, во влажном воздухе начинается разряд [10].
Молния состоит обычно из двух частей - предразряда и возвратного разряда. Вначале из центра облачного заряда на 50-100 м движется слабо ионизированный пилот-стриммер, скорость которого около 5-Ю5 м/с. Затем его догоняет сильно ионизированный лидер, распространяющийся до конца стриммера за время порядка 1 мкс, скорость которого около 7-Ю7 м/с при токе около 300 А. Из конца образовавшегося ионизированного столба снова вырывается пилот-стриммер и процесс повторяется. Время, за которое лидер достигает земли, составляет 1-10 мс. При подходе к земле ступенчатый лидер несет в среднем отрицательный заряд 5 Кл. Выделяемая при этом энергия составляет-10 Дж.
После этого начинается возвратный разряд, движущийся по ионизированному столбу. Ток возвратного разряда в 90 % случаев создается потоком отрицательно заряженных частиц от облака к земле. Если промежуток земля-облако пробивается только один раз, то разряд называется коротким. Пиковый ток при этом составляет 10-20 кА, который достигается через 5-10 мкс после начала возвратного разряда. Время спада тока менее 100 мкс. Полный электрический заряд, переносимый на землю составляет 10-20 Кл, а выделяемая при этом энергия 1010 Дж.
У некоторых облаков в нижней части находится область инверсии заряда. Если разряд начинается из этой области, то направление тока изменится на противоположное. Положительно заряженные вспышки переносят заряд больший, чем обычные отрицательно заряженные вспышки. Пиковые токи при этом составляют 200-300 кА и длительность на порядок больше. Короткие возвратные разряды наблюдаются в 15-20 % случаев. Как правило, возвратный разряд является многократным и состоит из нескольких последовательных пробоев, в среднем от 2 до 6, иногда наблюдается до 25. Длительность каждого около 100 мкс, средний интервал между ними - около 40 мс. Между пробоями по каналу разряда течет сравнительно слабый ток в сотни ампер, длящийся до 100 мс после окончания последнего пробоя. Этот межпробойный ток обусловливает повышение низкочастотной составляющей излучения многократных возвратных разрядов.
Большая доля энергии молнии идет на ионизацию и разогрев плазмы канала разряда. Температура шнура при диаметре 3-10 см достигает 3-Ю4 С. Часть этой энергии идет на омические потери в земле, часть на создание звуковых волн (гром) и только 0.1-0.01 %, т.е. порядка 106 Дж, полной мощности грозового разряда преобразуется в электромагнитное излучение в диапазонах частот от СНЧ до оптического. Максимум излучения короткого возвратного разряда приходится на 2-4 мкс после его начала, поэтому его энергетический спектр будет иметь максимум в области частот 10-100 кГц. На область частот до 100 Гц приходится часть энергии порядка 10-100 Дж.
Результирующее поле грозовых источников определяется суперпозицией излучений отдельных гроз, и место их максимальной концентрации зависит от мирового времени. В полях от молниевых разрядов на расстояниях до 20 км преобладает электростатическая компонента, а свыше 100 км поле носит электромагнитный характер, и его параметры определяются распространением волн КНЧ диапазона в волноводе Земля -ионосфера [20].
Движение мировой грозовой активности по анализу трехкомпонентных измерений в диапазоне шумановских резонансов на станции Лехта (Карелия)
Пункт наблюдения и аппаратура Трехкомпонентные измерения естественных электромагнитных полей в диапазоне шумановских резонансов были начаты в июле - августе 1998 г. на геофизической станции Лехта. Выбор места для проведения измерений был обусловлен рядом факторов.
Во-первых, для проведения такого рода измерений необходимо располагать датчики поля как можно дальше от источников промышленных помех, таких как линии передачи электрических силовых сетей, электрифицированных железных дорог и т.п. Как правило, в большей или меньшей степени таким требованиям отвечают пункты, расположенные в сельской местности.
Во-вторых, выбор северной точки был сделан исходя из низкой предполагаемой вероятности ближних гроз, так как они приводят не только к существенным помехам в сигнале, но иногда являются причиной полного обесточивания поселков и, соответственно, регистрирующей аппаратуры.
В-третьих, данный пункт имеет удачное расположение относительно мировых грозовых центров (рис.1.1.). Азиатский центр виден под углом -90 на восток (от севера по часовой стрелке), африканский - под углом 180 на юг и южноамериканский - под углом 270 на запад. Такой значительный разнос по азимуту облегчает задачу слежения за движением мировой грозовой активности (МГА).
Определение дистанции до распределенного источника МГА
Применение процедуры усреднения для сеанса 25 июля 1998 г. Суточные зависимости амплитуд магнитных компонент Нх и Ну в рабочей полосе частот, усредненные по всему ансамблю данных приведены на рис. 1.9а. Характер вариаций может быть интерпретирован следующим образом. Максимальный вклад в амплитуду компоненты Ну вносят источники, расположенные на западе и на востоке, т.е. в азиатском и американском МГЦ. На графике в этой компоненте наблюдаются два максимума в 11 и 23 ч. В суточной зависимости амплитуды сигнала магнитного поля Нх, максимум чувствительности которого приходится на южное и северное направление (африканский МГЦ), наблюдается один выраженный максимум в 15 ч. Таким образом, измеренные вариации амплитуд магнитных компонент достаточно хорошо согласуются с известными данными о суточных вариациях активности МГЦ. Из графиков вариаций магнитных компонент Нх и Ну видно, что различие между их амплитудами не превышает 50% в течение суток. Это говорит о том, что оценка азимута по соотношению амплитуд магнитных компонент будет некорректна, если предполагать, что в каждый момент времени в течение суток грозовая активность сосредоточена в компактной экваториальной области и, принимая во внимание, что ожидаемый диапазон изменения пеленгов лежит между Азией и Америкой ( 180). Данное обстоятельство можно отнести за счет распределенных по всей Земле молний, вклад
Среднесуточные вариации амплитуды магнитных компонент X (3-В) и У (С-Ю); (Ь)-усредненная зависимость азимута на источник, совмещенная с моделью и положением вечернего терминатора от излучения которых образует смещение уровня в спектрах обеих магнитных компонент. Можно также предположить влияние эллиптической поляризации поля, о которой сообщалось в работах [38,49]. На рис.1.9Ь представлены усредненные за июль 1998г. зависимости азимута на источник, совмещенные с моделью трех очагов МГЦ и положением вечернего терминатора за исключением дней с неполными данными. Как видно из графиков, в интервале максимумов грозовой активности с 6-7 ч до 21-22 ч пеленги следуют за движением Солнца, и их поведение имеет сходный характер практически для всех суток. Суточный размах вариаций пеленга охватывает направления от 90 (восток, Азия) до 270 (запад, Южная и Центральная Америка), что хорошо согласуется с общепринятым расположением МГЦ.
Из графиков для отдельных суток (рис. 1.10а) видно, что поведение пеленгов в интервале минимума грозовой активности (от 23-0 ч до 6-7 ч) два типа поведения пеленгов в интервале минимума МГА; b - средний суточный ход пеленгов по всему ансамблю данных; - экспериментальная кривая; теоретическая зависимость 1-е учетом и 2 -без учета ночного африканского максимума грозовой активности b может быть разделено на два типа: резкий переход через северный сектор от западного направления на восток к началу работы азиатского МГЦ; плавный возврат к направлению на Африку и затем переход на восток к началу активности азиатского МГЦ.
Стабильность и компактность пространственного распределения источников может быть охарактеризована среднеквадратичным отклонением пеленгов, которые получаются из 12-секундных значений усредненных по частотам компонент вектора Умова-Пойнтинга. Этот параметр также обнаруживает повторяющиеся от суток к суткам закономерности, что проявляется в усредненных данных на рис. 1.1 Ob. Как и следовало ожидать, наименьший разброс наблюдается в период максимальной активности МГЦ ( 8 - 20 ч) и составляет несколько десятков градусов. В период минимума грозовой активности в суточных ходах величина среднеквадратичного отклонения пеленга достигает 100 и более градусов. Следует отметить резкий (в течение 1 ч или меньше) скачок среднеквадратичного отклонения в 6-7 ч, совпадающий с началом активности азиатского МГЦ.
Результаты моделирования показывают, что оба типа суточных ходов пеленга объясняются в модели трех МГЦ. Экспериментальные данные показывают, что, как правило, размах вариаций угла, определенного по вектору Умова-Пойнтинга охватывает направления на каждый МГЦ, что укладывается в простую модель, по которой активность плавно перетекает из одного МГЦ в другой в течение суток следуя за терминатором. Однако есть примеры, когда размах вариаций азимута отличается от типичного - т.е. простая модель в данном случае не работает и какие-то источники активны в «неположенное» время. Для получения согласия с экспериментальными данными был введен дополнительный максимум активности, расположенный в Африке и приходящийся на 2-3 ч. Амплитуда этого максимума равна примерно трети от амплитуды от основного дневного африканского максимума.
Обработка и анализ результатов
Выбор именно такой функции преобразования датчика магнитного поля имеет большое значение, поскольку уровень фонового сигнала в КНЧ диапазоне спадает с частотой f1. Во-первых, в приведенных спектрах улучшается выделение слабых сигналов в районе высоких частот КНЧ диапазона. Во-вторых, происходит «сжатие» динамического диапазона, который оказывается около 30 дБ в приведенных спектрах и почти 60 дБ в регистрируемых полях. Последнее обстоятельство существенно снижает требования к динамическому диапазону приемоанализирующей аппаратуры. Под приведенными будем понимать спектры, получаемые на выходе широкополосного приемника с коэффициентом преобразования Кщ», прямо пропорциональным частоте. Такую характеристику будет иметь приемник с рамочной антенной, подключенной ко входу широкополосного усилителя с входным импедансом, существенно превышающим импеданс рамки, и постоянным коэффициентом передачи К в рабочем диапазоне частот. Его коэффициент преобразования будет равен: Кпр = КПРАСО КУС; гДе КПР коэффициент преобразования малой по сравнению с длиной волны рамки, к которой относится и рассматриваемый датчик. Таким образом, с учетом (1.2) Km = cf, где постоянная c=27t-N-S-n rHo i i -Kyc. Следовательно, амплитуда спектральных составляющих в приведенных спектрах Априв.(г) связана с полем H(f) 10 следующим соотношением: АПРИВ.(І) = c-f-H(f) . (2.1) Основные параметры приемоанализирующего комплекса следующие: рабочий диапазон частот, Гц 3 - 1000; пороговая чувствительность, нТЛ/Гц на частоте 10 Гц 3-Ю"5; на частоте 1000 Гц 10"6; отклонение Кпр от линейности, не более дБ на частотах 10 Гц 3; на частотах 10 - 1000 Гц 1,5; Л ослабление сигналов с частотами 3 кГц, дБ 30; коэффициент демодуляции при частоте несущей fH =20 кГц, напряженности поля Нн = 10"2 нТ, частоте модуляции FM = 75 Гц 10"7; цепь калибровки датчика обеспечивает эквивалентное поле 10 пТ при подаче на ее вход сигнала напряжением 0,1 В от источника с выходным сопротивлением 75 Ом. Погрешность цепи калибровки не более, дБ 1; датчик сохраняет свои характеристики в диапазоне температур, С ±30
Обработка и анализ результатов. 2.3.1. Основные параметры КНЧ-атмосфериков.
В разделе 2.4. рассмотрены различные механизмы генерации электромагнитных излучений при ПЯВ. Как уже упоминалось выше, в конце 50-х - начале 60-х годов, американские исследователи провели серию измерений электромагнитных эффектов при ПЯВ, в которых отчетливо над фоном наблюдалась волновая форма сигналов на расстояниях до 20 км. Многочисленные последующие наземные радиофизические измерения, как у нас, так и за рубежом, выявили возмущения в нижней ионосфере при проведении ПЯВ.
Основным источником электромагнитной энергии в КНЧ-диапазоне (30 ч- 3000 Гц) являются молниевые разряды. Медленные изменения тока во времени в молниевом канале генерируют импульсы, называемые в литературе либо КНЧ-атмосфериками, либо "хвостами" ОНЧ-атмосфериков. Для более достоверного выделения импульсов ЭМИ на их фоне перечислим наиболее характерные их свойства.
Волновая форма как правило содержит один или более (до 5) полупериодов общей длительностью от нескольких мс (на расстояниях 1000 км от источника) до нескольких десятков мс ( на расстояниях 9000 км). При этом первый полупериод может быть как положительной, так и отрицательной полярности. Отрицательная полярность наблюдается преимущественно ночью, а положительная - днем. Поскольку электромагнитное поле в КНЧ-диапазоне описывается ТНо-модой, которая не имеет особенностей в приземном волноводе, то знак первого полупериода будет определяться источником.
Энергетические спектры импульсов. Большая часть энергии сигналов сосредоточена в полосе 70 -г 500 Гц. При этом с увеличением расстояния до источника от 1000 до 6000 км максимум в спектрах смещается в область более низких частот, так что при удалении в 6000 KM fmax 80 н-100 Гц.
Интенсивность. Максимальные пиковые напряженности поля Е изменяются в широких пределах: от единиц мВ/м до десятков мВ/м. Поток сигналов, т.е. число атмосфериков в единицу времени, зависит, как известно, от порога флуктуационной части поля и при уровне 5 мВ/м составляет 10 мин 1 и может возрастать до 20 с"1 при очень низком пороге.
Суточные вариации. Отмечено, что в течение суток заметно изменялась пиковая амплитуда сигналов, повторяя суточный ход грозовой активности: ночью амплитуда сигналов на порядок выше, чем днем. Наблюдается незначительный максимум в послеполуденные часы в летнее время и минимум в утренние часы в течение всего года. При этом поток атмосфериков имеет слабо выраженный суточный ход.
Геомагнитные пульсации УНЧ диапазона
Электромагнитный импульс наземного и воздушного ЯВ хорошо изучены [99,109]. Развита теория формирования ЭМИ [93]. Впервые расчеты комптоновского механизма провел Компанеец А.С. [93], а более реалистичная модель с учетом рождения электронно-позитронных пар была развита позднее. Важнейшей составляющей при идентификации сигнала и определении параметров опыта является теория распространения радиоволн в КНЧ-ОНЧ диапазонах [9,10,75, 98,102].
В первых опытах ЯВ выделяли следующие временные формы гамма-излучения [121]: 1 - мгновенный компонент в моменты времени 30-100 не принят за 1; И 2- гамма-излучение, рождаемое в актах неупругого рассеяния нейтронов 1-2 МэВ в следующий временной интервал на 4 порядка слабее; 3 -изомерное излучение через 10"4 с, связанное с распадом короткоживущих изотопов, имеет интенсивность на 6 порядков меньше; 4 - излучение, рождаемое в актах захвата нейтронов в конце временного интервала 10"3 - 1 с уменьшается на 8 порядков.
В современных ЯВ используются заряды с реакцией деление-синтез-деление. Первичная энергия в виде теплового рентгеновского излучения используется для сжатия термоядерного заряда. Через несколько мкс создаются условия для протекания реакции синтеза с рождением потока нейтронов, которые вызывают основную реакцию деления.
Сферически симметричный поток гамма квантов вызывает сферически симметричный поток комптоновских электронов, которые создают радиальное электрическое поле. В воздушных и наземных ЯВ электромагнитное излучение формируется при нарушении сферической симметрии из-за взаимодействия с поверхностью земли.
На больших расстояниях в сотни и тысячи километров максимум спектральной плотности электромагнитных импульсов воздушных ЯВ наблюдали в радиочастотном ОНЧ диапазоне ( 10 кГц) [81,114], по которым определяли отдельные характеристики опытов. На слабые КНЧ хвосты в этих наблюдениях не обращали серьезного внимания.
Динамика камуфлетного ядерного взрыва
Обсуждаемые эффекты относятся к камуфлетным ядерным взрывам полного внутреннего действия. Это ПЯВ на сравнительно большой глубине h 120q1/3 м, при проведении которого не образуется прямой гидрогазодинамической связи между центром заложения заряда и атмосферой. В штатных ситуациях отсутствует напорный выход или истечение радиоактивных продуктов в атмосферу.
В результате ядерной цепной реакции деления 235U, 239Pu и др. выделяется энергия, которую будем характеризовать в килотоннах тротилового эквивалента qicr, 1 кт = 410 Дж. В продуктах взрыва и окружающей среде при ЯВ развивается целый ряд различных процессов, которые распределены во времени [52,92,105,109,121,125,126]. В силу ограниченности поставленных задач [81,96] при проведении данной работы, основное внимание будет уделено процессам, которые могут приводить к электромагнитному сигналу, наблюдаемому на удалении в «100 км, за территорией Семипалатинского полигона.
Обычно выделяют следующие фазы, характеризующие развитие камуфлетных ядерных взрывов в скальных и полускальных грунтах. С определенными оговорками эти данные можно отнести и к мягким грунтам # [105]. Первая фаза - фаза тепловых и электрических превращений окружающей среды. Плотность первоначально выделившейся энергии настолько высока, что перенос ее в плотную среду, окружающую заряд, происходит преимущественно путем лучистой теплопроводности. Максимальный радиус, охваченный тепловой волной составляет Rra = 0,15-0,2 м/кт1/3. Вторая фаза - фаза механического преобразования пород, которая своим происхождением обязана кинетической энергии. Плотность энергии падает и начинается смена режима на газодинамический. Основной механизм - ударная волна. На фронте волны вещество претерпевает ударное сжатие до плотности в 4-5 раз превосходящее начальное. Горные породы ведут себя как сжимаемые газы, испаряются, плавятся, на более далеких расстояниях дробятся в песок и щебень.
На этой стадии газовый шар расширяется, пока его давление не станет меньше литостатического давления грунта. Размеры возникшей полости близки к сфере приведенного радиуса Rnon = 7-8 м/кт1/3. На границе полости присутствует расплавленная порода Ah 10 см, которая удерживает газы внутри полости. Далее зона раздробленного и растрескавшегося вещества R = 40M/KT1/3. Следующая промежуточная зона, расположена в виде оболочки толщиной
ARnp= 10-15 м/кт1/3 вокруг центральной зоны. Она характеризуется избыточной остаточной напряженностью пород по сравнению с величиной, определяемой естественным горным давлением, что способствует сжатию всех крупных пустот. Горные породы в этой зоне отличаются повышенным фильтрационным сопротивлением.
Похожие диссертации на Вариации УНЧ-КНЧ полей, вызванные мощными взрывами и сейсмической активностью
