Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Воздействие геофизических факторов на электрическое поле в приземном слое атмосферы 25
1.1. Физические механизмы возбуждения вариаций электрических полей в резонаторе Земля-ионосфера 25
1.1.1. Резонатор Земля - ионосфера. Основные характеристики 25
1.1.2. Условия приема в приземном слое атмосферы 29
1.2. Источники вариаций электрических полей в приземном слое атмосферы .33
1.2.1. Мировая грозовая активность 33
1.2.2. Сейсмогравитационные и собственные колебания Земли, космические источники 36
1.2.3. Лунно-солнечные приливы 41
1.3. Выводы 52
Глава 2. Разработка теоретической модели электрических процессов в приземном слое атмосферы 54
2.1. Влияние лунно-солнечных приливов на электрическое поле приземного слоя атмосферы (Ez) 54
2.2. Ионный состав атмосферы и электрическая структура приземного слоя атмосферы 59
2.3. Решение задачи проникновения электрического поля, возникающего на уровне ионосферы под действием приливов, в приземный слой атмосферы с учетом конечной и бесконечной электрической проводимости земной коры...67
2.4. Анализ деформационной модели приливов в электрическом поле приземного слоя 71
2.5. Выводы 74
Глава 3. Оценка влияния лунно-солнечных приливов на вертикальную составляющую напряженности электрического поля в приземном слое атмосферы 76
3.1. Классификация методов спектрального оценивания и общая постановка задачи 76
3.2. Исследование методов спектрального оценивания с точки зрения решаемой задачи 88
3.3. Авторегрессионое спектральное оценивание и спектральный анализ на основе преобразования Фурье экспериментальных временных рядов по данным Е z в приземном слое атмосферы 101
3.4. Применение статистических критериев спектральной оценки параметров детерминированных сигналов, анализ законов распределения экспериментальных временных рядов Ez в приземном слое атмосферы 110
3.5. Использование корреляционного квадратурного приемника для оценки амплитуды спектральных компонент Е z приземного слоя атмосферы на частотах лунно-солнечных приливов 122
3.6. Оценка амплитуды Е z, отношения сигнал/шум и точности оценки амплитуды на частотах лунно-солнечных приливов 129
3.7. Выводы 154
Глава 4. Специализированная радиотехническая система мониторинга электромагнитных полей в приземном слое атмосферы в сети разнесенных в пространстве станций 157
4.1. Приемно-регистрирующий комплекс экспериментального полигона для исследования лунно-солнечных приливов 157
4.2. Структура приемно-регистрирующих комплексов, разнесенных в пространстве 171
4.3. Методика измерения и восстановления абсолютных значений EZB приземном слое атмосферы 183
4.4. Выводы 188
Глава 5. Создание системы станций мониторинга электромагнитного поля на основе наземных измерений и перспективные направления исследований 190
5.1. Перспективы исследований электрических и магнитных полей в сети станций, разнесенных в пространстве 191
5.2. Анализ сезонных и суточных вариаций напряженности электрического поля приземного слоя атмосферы, взаимосвязь атмосферного электричества с динамикой метеопроцессов 195
5.3. Оценка амплитуды Ez приземного слоя атмосферы на частотах лунных приливов по данным станций ВлГУиГГОНИЦДЗА 210
5.4. Возможность прогнозирования землетрясений по измерениям напряженности электрического поля в приземном слое атмосферы 215
5.5. Выводы 223
Заключение 225
Литература 229
Приложение
- Источники вариаций электрических полей в приземном слое атмосферы
- Ионный состав атмосферы и электрическая структура приземного слоя атмосферы
- Авторегрессионое спектральное оценивание и спектральный анализ на основе преобразования Фурье экспериментальных временных рядов по данным Е z в приземном слое атмосферы
- Структура приемно-регистрирующих комплексов, разнесенных в пространстве
Введение к работе
В последние годы все большее внимание привлекает к себе проблема влияния на состояние окружающей среды геофизических факторов. Исследования электрических характеристик нижней части тропосферы (приземного слоя), где протекает большая часть деятельности человека, играет при этом важную роль. Изменения электрического поля приземного слоя атмосферы происходят под действием различных антропогенных и естественных процессов. Атмо-сферно-электрические характеристики вблизи поверхности земли тесно связаны с глобальной грозовой активностью, приливными эффектами, метеорологическими явлениями, сейсмической и солнечной активностью.
Работа направлена на проведение мониторинга электрического поля приземного слоя атмосферы и оценку степени воздействия лунно-солнечных приливов на электрические характеристики приземного слоя. Исследования влияния лунно-солнечных приливов на электрические характеристики приземного слоя важны с нескольких точек зрения. Это фундаментальные исследования в разделе геофизики, связанном с атмосферно-электрическими явлениями в приземном слое. Проводимые исследования являются важным шагом при изучении физической природы и характерных признаков взаимосвязи электрических полей с глобальными геофизическими процессами. Существует тесная взаимосвязь техногенных процессов и жизнедеятельности человека как с локальными, так и глобальными вариациями электромагнитных полей. Например, приливные колебания оказались настолько значительными, что без их знания невозможен точный расчет движения искусственных тел в верхней атмосфере. Приливы играют важную роль в формировании геодинамического режима в сейсмоактивных регионах Земли.
Приливные эффекты наблюдаются в гравиметрии, геомагнитном поле,
5 записях атмосферного давления, электрическом поле ионосферы и приземного слоя атмосферы и являются предметом теоретических и экспериментальных исследований в течение последних двух столетий. Подобные исследования проводятся как в нашей стране, так и за рубежом. В настоящее время в России проводятся исследования взаимосвязи приливных явлений с электрическими полями в приземном слое атмосферы в ряде научно-исследовательских институтов и высших учебных заведений: Объединенном институте физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН (ОИФЗ РАН); Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн (ИЗМИРАН); Иркутском Институте солнечно-земной физики СО РАН (ИСЗФ СО РАН); Главной геофизической обсерватории, Санкт-Петербург (ГГО); Институте космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН (ИКИР ДВО РАН); Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова (МГУ), Казанском государственном университете; Санкт-Петербургском государственном университете; Владимирском государственном университете.
При достаточно большом количестве теоретических и экспериментальных работ в данном направлении остается не выясненным ряд вопросов, связанных с вариациями электрического поля в приземном слое атмосферы, методами оценки воздействия приливов на характеристики электрического поля.
Воздействие солнечного и лунного приливов на электрическое поле ионосферы теоретически детально исследовано, тогда как задача проникновения электрического поля, вызванного приливами и возникающего на уровне ионосферы, в приземный слой атмосферы не решена. Экспериментальные исследования воздействия приливных эффектов на электрическое поле приземного слоя атмосферы связаны с необходимостью получения достоверных оценок амплитуды спектральных компонент электрического поля на частотах приливов. Оценка степени воздействия лунно-солнечных приливов на электромагнитные поля в резонаторе Земля - ионосфера осуществлялась на основе результатов, полученных с помощью классических и параметрических методов спектраль-
ного оценивания. Указанные методы спектральной оценки эффективно работают только на участках стационарности сигнала и не позволяют провести достоверную оценку амплитуды электрического поля на конкретной частоте прилива.
Экспериментальные исследования таких процессов, как лунно-солнечные приливы могут эффективно осуществляться путем анализа результатов регистрации электрического поля в сети разнесенных в пространстве на большие расстояния станций. Организация подобных экспериментов является сложной, но реальной задачей.
Основная задача исследований связана с проведением мониторинга электрического поля приземного слоя атмосферы с оценкой степени воздействия на электрическое поле лунно-солнечных приливов и обеспечением возможности на этой основе прогнозирования и анализа техногенных процессов и сейсмической активности.
Таким образом, в настоящее время существует актуальная научная проблема совершенствования методов исследования электрического поля приземного слоя атмосферы и она определяется необходимостью проведения мониторинга атмосферного электрического поля в сети разнесенных в пространстве станций; решения задачи о распространении возмущений электрического поля, вызванных приливами и возникающих на уровне ионосферы, в приземный слой атмосферы; анализа законов распределения экспериментальных данных по электрическому полю в приземном слое атмосферы; оценки амплитуды спектральных компонент электрического поля приземного слоя на частотах лунно-солнечных приливов.
Цель исследований
Целью диссертации является исследование радиофизическими методами вариаций амплитуды электрического поля приземного слоя атмосферы на частотах лунно-солнечных приливов на основе разработанной радиотехнической системы мониторинга в сети разнесенных в пространстве станций.
7 Объекты исследования:
электрические поля приземного слоя атмосферы;
модели электрических процессов в приземном слое атмосферы;
методы и алгоритмы обработки экспериментальных данных;
методы спектрального оценивания;
лунно-солнечные приливы в электрическом поле приземного слоя. Поставленная цель достигается решением следующих задач:
Организация и проведение мониторинга электрического поля в сети разнесенных в пространстве специализированных радиотехнических станций.
Оценка амплитуды спектральных компонент электрического поля и отношения сигнал/шум на частотах лунно-солнечных приливов по экспериментальным данным станций ВлГУ и ГГО НИЦ ДЗА.
Разработка теоретической модели электрических процессов в приземном слое атмосферы. Решение задачи проникновения электрического поля, возникающего на уровне ионосферы под действием лунно-солнечных приливов, в приземный слой атмосферы с учетом конечной и бесконечной электрической проводимости земной коры.
Исследование адекватности разработанной теоретической модели экспериментальным данным.
Исследование статистических характеристик анализируемых сигналов.
Разработка каталога спектров электрических полей в приземном слое атмосферы в диапазоне лунно-солнечных приливов.
Методы исследований
Работа основывается на результатах десятилетних экспедиционных и стационарных измерений электрического поля в приземном слое атмосферы, проводившихся на разнесенных в пространстве станциях. Разработка приемно-регистрирующего комплекса осуществлялась с помощью радиотехнических методов и средств. Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась с применением корреляционного и спектрального анализов. Оценка
8 уровней спектральных компонент на частотах лунно-солнечных приливов осуществлялась с помощью радиофизических методов. Установленные экспериментально закономерности сопоставлялись с результатами аналитического и численного моделирования, а также с широким комплексом наземных геофизических данных других станций.
Достоверность полученных в работе экспериментальных результатов определяется:
- обоснованной методикой постановки эксперимента, отбора и первичной обра-
ботки экспериментальных данных;
- повторяемостью выделенных экспериментально закономерностей на большом
статистическом массиве данных;
- сопоставимостью результатов экспериментальных исследований с выводами,
полученными по результатам теоретического моделирования;
- совпадением основных установленных в работе закономерностей поведения
электрических полей с закономерностями, полученными с помощью экспе
риментальных данных других станций.
Научная новизна работы заключается в следующем:
На основе мониторинга электрических полей на специализированных радиотехнических станциях, разнесенных в пространстве, получены каталоги спектров электрического поля приземного слоя атмосферы вблизи частот лунно-солнечных приливов.
Оценены амплитуды гармонических компонент вариаций напряженности электрического поля приземного слоя атмосферы на частотах, соответствующих лунно-солнечным приливам, по данным разнесенных в пространстве станций.
Разработана модель проникновения электрического поля, возникающего на уровне ионосферы под действием лунно-солнечных приливов, в приземный слой атмосферы с учетом конечной и бесконечной проводимости земной коры. Получены теоретические оценки воздействия приливных сил на верти-
9 кальную составляющую электрического поля приземного слоя атмосферы, подтвержденные в ходе экспериментальных исследований. 4. Впервые проведен статистический анализ амплитуд электрического поля приземного слоя атмосферы на больших массивах экспериментальных данных. Данные для статистического анализа получены по записям электрического поля приземного слоя атмосферы станций на физическом полигоне ВлГУ; в ВлГУ; в ГГО НИЦ ДЗА. Анализ гистограмм распределения амплитуды электрического поля показал, что наиболее часто встречающимися являются нормальный закон распределения, законы распределения Коши и Лапласа. Подтвержден нестационарный характер регистрируемых сигналов. Практическая значимость и реализация результатов работы:
Создана система мониторинга электрического поля приземного слоя атмосферы в сети разнесенных в пространстве станций с достоверной оценкой степени воздействия глобальных геофизических процессов. Разработан переносной приемно-регистрирующий комплекс с установкой его на выездных пунктах работы, служащий для непрерывных регистрации электрического поля приземного слоя атмосферы и метеопараметров с привязкой к системе единого времени. Мобильность и компактность комплекса позволяют применять его в удаленных и труднодоступных пунктах наблюдений за параметрами природной среды.
Получены оценки амплитуды спектральных компонент электрического поля приземного слоя атмосферы на частотах лунно-солнечных приливов.
Предложена модель проникновения электрического поля, возникающего на уровне ионосферы под действием лунно-солнечных приливов, в приземный слой атмосферы с учетом конечной и бесконечной проводимости земной коры. Получены теоретические оценки воздействия приливных сил на вертикальную составляющую электрического поля приземного слоя атмосферы, подтвержденные в ходе экспериментальных исследований.
Созданы базы экспериментальных данных и каталоги спектров электриче-
10 ского поля приземного слоя атмосферы за период с 1997 по 2005 годы по разнесенным в пространстве станциям, позволяющие проводить анализ воздействия геофизических процессов, сезонных и суточных изменений Ez, анализ взаимосвязи атмосферного электричества с динамикой метеопроцессов и сейсмической активностью в приземном слое атмосферы.
Включение в информационно-навигационные системы МЧС в сейсмоопас-ных районах малогабаритных приемных комплексов электрического поля позволяет проводить мониторинг сейсмоопасных районов и значительно повысить достоверность прогнозов сейсмической активности, техногенных катастроф, значительно снизить ущерб от катастроф природного характера, сохранить жизнь людей,
В диссертации на основе радиотехнических разработок и применения радиофизических методов решена крупная научная проблема современной геофизики, связанная с изучением влияния лунно-солнечных приливов на электрическое поле в приземном слое атмосферы.
Полученные на основе теоретических и экспериментальных исследований результаты могут быть использованы при создании систем мониторинга электрического поля приземного слоя на разнесенных в пространстве станциях; для организации атмосферно-электрических наблюдений; для расчетов электрических характеристик приземного слоя атмосферы; исследования влияния глобальных геофизических процессов, метеопараметров и радиоактивности воздуха на электрические поля вблизи поверхности земли; контроля антропогенного воздействия на атмосферу; при прогнозировании опасных природных явлений (землетрясений, гроз).
Результаты исследований имеют практический интерес для университетов и научно-производственных объединений, работа которых связана с теоретическими и экспериментальными проблемами радиофизики и геофизики. Часть результатов может быть использована в лекционных курсах по радиотехнике, радиофизике и геофизике.
Внедрение:
Разработанная цифровая система регистрации с программой автоматического сбора данных для приема информации внедрена в практику работ филиала Главной геофизической обсерватории Научно-исследовательского центра дистанционного зондирования атмосферы (г.Санкт-Петербург).
Разработанная методика обработки экспериментальных данных регистрации электрического поля приземного слоя атмосферы и полученные результаты спектральной обработки временных рядов с помощью корреляционного приемника использованы при выполнении НИР «Научно-методическое руководство сетью пунктов наблюдений за атмосферным электричеством» в филиале Главной геофизической обсерватории Научно-исследовательского центра дистанционного зондирования атмосферы.
Разработанная мобильная система регистрации электрического поля в приземном слое атмосферы прошла испытания на Владимирском заводе «Электроприбор» и внедрена в производство с разработкой конструкторской документации и изготовлением опытных образцов.
Система регистрации электрического поля приземного слоя атмосферы внедрена в практику исследований атмосферно-электрических явлений в приземном слое на экспериментальной базе Иркутского института солнечно-земной физики СО РАН (п. Листвянка).
Мобильный приемно-регистрирующий комплекс мониторинга электрических полей в приземном слое внедрен в информационно-навигационную систему Байкальского поисково-спасательного отряда Сибирского регионального центра МЧС.
Методика измерения электрической составляющей электромагнитного поля крайненизкочастотного диапазона в среде (грунте) внедрена в практику экспериментальных работ Пензенского научно-исследовательского электротехнического института (ПНИЭИ).
12 7. Научные и практические результаты диссертации, а именно - исследования воздействия геофизических факторов на атмосферное электрическое поле; оценка амплитуды спектральных компонент электрического поля приземного слоя на частотах глобальных геофизических процессов; приемно-регистрирующий комплекс для исследования воздействия геофизических процессов на электромагнетизм приземного слоя - используются в учебном процессе на кафедре радиотехники и радиосистем Владимирского государственного университета по специальности «Радиофизика», дисциплина «Радиофизические методы исследования и зондирования природных сред Земли». Положения, выносимые на защиту:
Радиотехническая система мониторинга электрического поля в приземном слое атмосферы в сети разнесенных в пространстве станций.
Оценки амплитуды спектральных компонент электрического поля приземного слоя атмосферы на частотах термогравитационных солнечных приливов.
Модель проникновения электрического поля, возникающего на уровне ионосферы под действием лунно-солнечных приливов, в приземный слой атмосферы с учетом конечной и бесконечной проводимости земной коры. Теоретические оценки амплитуд спектральных компонент электрического поля приземного слоя атмосферы на частотах лунно-солнечных приливов.
Статистические характеристики электрических полей приземного слоя атмосферы.
Результаты спектрального анализа с помощью корреляционного квадратурного приемника экспериментальных данных по электрическому полю приземного слоя атмосферы в сети разнесенных в пространстве станций в диапазоне лунно-солнечных приливов. Каталоги спектров электрического поля приземного слоя атмосферы.
Апробация работы
Основные результаты работы, составляющие содержание диссертации, докладывались на научных семинарах ВлГУ, ИЗМИР АН, ИФЗ РАН, ИКИ РАН,
13 ГАИШ МГУ, НИРФИ. Основные положения диссертации докладывались на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах и опубликованы в материалах и трудах:
всесоюзной конференции «Прием и анализ СНЧ колебаний», Воронеж, 1987 ;
международной научной конференции «Геометризация физики-IV», Казань, 1999 год;
Второй Международной конференции «Фундаментальные проблемы физики», Саратов, 2000 год;
VI Региональной конференции по распространению радиоволн, Санкт-Петербург, 2000 год;
всероссийской конференции «Геофизика и математика», Пермь, Горный институт УРО РАН, 2001 год;
XXXIV Тектонического совещания «Тектоника неогея: общие и региональные аспекты», Москва, Геологический институт РАН, 2001 год;
IV Международной конференции «Проблемы геокосмоса», Санкт-Петербург, 2002 год;
Международной школы-семинара «Вопросы теории и практики комплексной геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей», Апатиты, 2002 год;
Шестой Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерения физических величин», Нижний Новгород, 2002 год;
Третьего Всероссийского симпозиума по прикладной и промышленной математике, г. Сочи, 2002;
V Российской конференции по атмосферному электричеству, Владимир, 2003 год;
Международной конференции по атмосферному электричеству, ICAE-2003, Париж, 2003 год;
V Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимир, 2003 год;
10-й Международной научно-технической конференции «Радиофизика», Москва, 2004 год;
V Международной конференции «Проблемы геокосмоса», Санкт-Петербург, 2004 год;
всероссийской научно-технической конференции «Информационно-телекоммуникационные технологии» Сочи , 2004 год;
6-й Международной конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии», г. Владимир, 2004 год;
VI Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», г. Владимир, 2005 год.
Личный вклад автора
Основные результаты диссертации были получены автором в ходе выполнения научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре физики ВлГУ в период с 1972 по 2005 годы.
Исследования, составляющие основу данной работы, проводились в рамках проектов, в которых автор выступал научным руководителем: научно-техническая программа «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» № 209.06.01.035; гранты РФФИ: № 98-05-64346; № 00-05-79028; № 01-05-64652; № 01-05-79027; № 02-05-79011; №03-05-79130; №03-05-06151; № 04-05-64895.
Все основные виды работ выполнялись лично автором или осуществлялись под его руководством. Автору принадлежат: разработка структуры станций, разнесенных в пространстве; непосредственное участие в создании аппаратурного комплекса на экспериментальном полигоне ВлГУ, в радиофизическом корпусе ВлГУ, на станции ГГО НИЦ ДЗА; разработка методик обработки результатов измерений, создание алгоритмов и программ для расчетов на ЭВМ; получение и обработка экспериментальных данных по мониторингу электрического поля в приземном слое атмосферы в сети разнесенных в пространстве станций с помощью корреляционного квадратурного приемника; постановка и
15 решение задач теоретического моделирования процесса распространения возмущений электрического поля из ионосферы в нижнюю атмосферу с учетом конечной и бесконечной электрической проводимости земной коры; организация и проведение ежегодных (с 1997 года) экспедиционных работ на полигоне ВлГУ и с 2002 года на станции в ГГО НИЦ ДЗА.
Публикации по работе:
По теме диссертации опубликовано 78 работ, в том числе 29 статей - из них 13 в центральных журналах перечня ВАК, 46 публикаций в трудах конференций и тезисах докладов, монография, получены авторское свидетельство СССР и патент Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы, насчитывающего 285 наименований. Работа изложена на 258 страницах и содержит 46 рисунков и 10 таблиц.
Во введении показаны актуальность, научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы цель и задачи работы, указана методика исследований и обоснована достоверность полученных результатов, определен личный вклад автора, указана апробация работы и сформулированы основные научные результаты, представленные на защиту.
В первой главе дан анализ специфики электромагнитных полей приземного слоя атмосферы и их природа. Проанализирована природа атмосферного электричества и основные источники его вариаций. Проведен анализ источников вариаций атмосферного электричества в диапазоне лунно-солнечных приливов. Главным источником электромагнитной энергии данного диапазона являются грозовые разряды. В колебательной структуре реализаций геофизических полей присутствуют квазирегулярные периодичности различной длительности. Они могут быть поняты как результат воздействий на геофизическую среду таких внешних колебательных процессов, как лунно-солнечные приливы, сейсмогравитационные и собственные колебания Земли, вариации солнечной активности и т.д. В литературе достаточно широко рассматриваются крупно-
масштабные колебания атмосферы, возникающие в результате а) действия сил притяжения Луны и Солнца (лунно-солнечные приливы) б) теплового воздействия Солнца (термогравитационные солнечные приливы). Проанализированы все известные типы приливов: гравитационное воздействие со стороны Луны и Солнца на Землю и ее атмосферу приводит к приливам, наблюдаемым как над океанами, так и в атмосфере; атмосферные приливы возникают вследствие изменения атмосферного давления; солнечные приливы обусловлены неоднородным нагревом солнечным излучением, так и гравитационным взаимодействием с Землей; лунные приливы обусловлены гравитационным взаимодействием Луны с земной атмосферой.
Проанализированы модели механизмов генерации вариаций атмосферного электрического поля в ионосфере под действием лунно-солнечных приливов. Приливы в земной атмосфере приводят вследствие изменения давления к формированию горизонтальных течений. Движение плазмы через магнитное поле создает силу Лоренца. Благодаря амбиполярной диффузии электронов и ионов, возникает разделение зарядов, которое создает электрическое поле поляризации. Под влиянием этого поля и силы Лоренца согласно уравнениям магнитной гидродинамики в динамо области течет электрический ток, который приводит к вариациям магнитного поля, известным, как Sq (солнечно спокойные) и L (лунные) геомагнитные вариации. Кроме того, в ионосфере вследствие конечной электрической проводимости возникает горизонтальная разность потенциалов, создающая горизонтальные электрические поля, которые могут проникать на тропосферные высоты.
Расчеты воздействия солнечного и лунного приливов на электрическое поле ионосферы проведены Г. Волландом [114,115].
Задача проникновения электрического поля, возникающего на уровне ионосферы, в приземный слой атмосферы с учетом бесконечной электрической проводимости земной коры не проанализирована и требует своего решения. Оценка степени воздействия лунно-солнечных приливов на электромагнитные
17 поля в приземном слое атмосферы при этом играет важную роль. В условиях, характеризуемых разнообразием помеховой обстановки, разработка достаточно совершенного метода обработки экспериментальной информации, связанного с оценкой параметров спектральных компонент электрического поля на частотах лунно-солнечных приливов возможна на базе оптимальной обработки принимаемых сигналов с помощью корреляционного приемника.
Таким образом, в первой главе на основании аналитического обзора публикаций сформулированы проблемы и задачи исследований: решение задачи проникновения электрического поля, возникающего на уровне ионосферы под действием приливов, в приземный слой атмосферы с учетом конечной и бесконечной проводимости земной коры; анализ статистических характеристик вариаций электрического поля приземного слоя атмосферы на больших массивах данных; оценка амплитуды электрического поля на частотах лунно-солнечных приливов; разработка системы мониторинга электрического поля приземного слоя в сети разнесенных в пространстве станций; осуществление длительных регистрации электрического поля в приземном слое атмосферы в сети разнесенных в пространстве на десятки и тысячи километров станций, обеспеченных временной синхронизацией. Решению данных вопросов и посвящена работа.
Во второй главе осуществлено теоретическое моделирование электрических процессов в приземном слое атмосферы. Решена задача распространения возмущений электрического поля, вызванных лунно-солнечными приливами, из ионосферы в нижнюю атмосферу с учетом конечной и бесконечной электрической проводимости земной коры. В разделе 2.1. осуществлен переход от уравнений Максвелла к квазистационарному случаю, т.е. осуществлены оценки условий потенциальности поля. В разделе 2.2. проанализирован ионный состав атмосферы и электрическая структура приземного слоя атмосферы. При исследовании взаимодействия лунно-солнечных приливов с электрическим полем в приземном слое атмосферы важное значение имеют задачи об ионном составе
18 атмосферы и задача об электрической структуре приземного слоя атмосферы. Эти две задачи определяют распределение электрической проводимости и напряженности электрического поля в атмосфере с высотой. В основном электродинамику нижней атмосферы определяют легкие ионы, т.е. распределение полей и токов. Основную роль в формировании высотного профиля электрической проводимости Л играет турбулентный обмен и рекомбинация ионов, а высотный профиль напряженности электрического поля определяется турбулентным обменом и градиентом электрической проводимости. Из расчетов сделан вывод, что для исключения электродного эффекта необходимо проводить измерения напряженности электрического поля за пределами электродного слоя: z > 1, z > Lm. При этом необходимо контролировать метеорологические параметры (скорость ветра, температуру, давление).
В разделе 2.3. проанализирована и решена задача о распространении возмущений электрического поля, вызванных приливами, из ионосферы в приземный слой атмосферы с учетом конечной электрической проводимости земной коры. Решена задача о распространении возмущений электрического поля из ионосферы в нижнюю атмосферу с учетом бесконечной электрической проводимости земной коры (квазистационарный случай). Получены численные оценки величины Ez вблизи земной поверхности. Различные модели дают Lx, Ly — 100 - 1000 км. Принимая для солнечных приливов фо(х,у) = 25 кВ, получено, что при z =0 Ez = (10 - 15) В/м с учетом электродного приземного слоя. Лунные приливы создают 3% величины Ez для солнечных приливов, поэтому в этом случае Ez = (0,3 - 0,5) В/м.
В третьей главе осуществлена обработка экспериментальной информации в задаче оценки влияния лунно-солнечных приливов на электрическое поле приземного слоя атмосферы с помощью корреляционного квадратурного приемника. Проведен анализ классических и параметрических методов спектрального оценивания. Анализ существующих методов классического спектрального оценивания позволяет сделать вывод о необходимости поиска способа досто-
19 верной оценки амплитуд спектральных компонент на конкретных частотах
лунно-солнечных приливов.
Сформулирована общая постановка задачи спектрального оценивания процесса, анализируемого в данной работе и состоящего из комплекса помех и частично детерминированного периодического процесса (лунно-солнечные приливы): необходимо по данным дискретных измерений Е z приземного слоя атмосферы получить достоверную оценку амплитуды для спектральных компонент, соответствующих частотам лунно-солнечных приливов.
В разделе 3.4. проанализированы статистические критерии спектрального оценивания. Проведено исследование статистических характеристик вариаций электрического поля приземного слоя атмосферы. Данные для статистического анализа получены по записям электрического поля приземного слоя атмосферы по трем станциям: полигон ВлГУ, станция ВлГУ, станция ГГО НИЦ ДЗА. Анализ гистограмм показал, что наиболее часто встречающимися являются нормальный закон распределения, а так же законы распределения Коши и Лапласа. Нестационарный характер анализируемых сигналов потребовал привлечения нетрадиционных для геофизики методов спектральной оценки.
В разделе 3.5. для решения поставленных задач были модернизированы характеристики корреляционного приемника (ККП) путем включением в его структуру фильтра низких частот с целью повышения достоверности оценки амплитуды спектральных компонент электрического поля приземного слоя на частотах, связанных с лунно-солнечными приливами. Применение в ККП фильтра низких частот вместо интегратора позволило улучшить его частотную характеристику при незначительном расширении главного лепестка. Если уровень сигнала в полосе подавления ФНЧ будет не менее -20дБ, то уровень боковых лепестков снизится в 2 раза. Это обстоятельство позволяет повысить достоверность результатов при спектральном анализе входных временных рядов. Альтернативным вариантом решения этой задачи является взвешивание исходных данных косинусоидальным окном. При обработке входных данных взве-
20 шивающим окном уровень боковых лепестков в частотной характеристике ККП был снижен до 7% от высоты главного при его незначительном расширении. Данная структура была применена для решения задач оптимальной оценки уровня спектральных компонент, соответствующих частотам лунно-солнечных приливов в экспериментальных регистрациях электрического поля приземного слоя атмосферы.
В разделе 3.6. дана характеристика исходных экспериментальных данных, использованных в работе, и их предварительная обработка. Осуществлен детальный анализ спектров электрического поля приземного слоя атмосферы, полученных с помощью корреляционного квадратурного приемника, в диапазоне лунно-солнечных приливов за период с 1997 по 2004 год. Полученные каталоги спектров по результатам экспериментальных исследований 1997-2004 годов позволили проанализировать воздействие лунно-солнечных приливных эффектов на электрическое поле приземного слоя. Получены средние оценки амплитуды на частотах термогравитационных солнечных приливов по результатам анализа Ez приземного слоя атмосферы с помощью корреляционного приемника. ККП, являясь узкополосным фильтром, выбеливающим входной процесс, позволяет получить оценку амплитуды на фоне гауссовых шумов, что является необходимым условием оптимальности получаемой оценки. Диапазон изменения средней амплитуды на частотах термогравитационных солнечных приливов составил: 16 В/м (S1) , 8 В/м (S2), 3 В/м (S3). Отношения сигнал/шум на частотах термогравитационных солнечных приливов составили: отношение сигнал/шум на S1 -с/ш 7.5-КЗ; на S2 с/ш 5.2-КЗ; на S3 с/ш 3-2; на S4 с/ш 2.5-2.
Установленные экспериментально закономерности сопоставлялись с результатами других экспериментов. Были проанализированы экспериментальные данные по электрическому полю приземного слоя атмосферы по станциям: Гидрометеорологической службы: Воейково( 1966-1995гг.), Верхнее Дуброво^ 974-1995гг.), Душети( 1967-1980гг.). Среднее значение амплитуды электри-
21 ческого поля и отношение сигнал/шум на частотах приливов SI, S2, S3 по указанным станциям составили соответственно: Sl( 15В/м, с/ш-6,4; , 10В/м, с/ш-3,9; 12В/м, с/ш-4,2); S2 (10В/м,с/ш-5,2; 7В/м, с/ш-4,9; ЮВ/м, с/ш-5,4); S3 (ЗВ/м, с/ш-5,3; 4В/м, с/ш- 4,9; бВ/м, с/ш-3,5 ). Большой массив данных (29 лет, 21 год, 14 лет) позволяет получить необходимую разрешающую способность для разделения близких по частоте приливов Р1 и S1. Сравнение полученных оценок амплитуды электрического поля на частотах солнечных приливов по станциям полигона ВлГУ, станции в ВлГУ и станций Гидрометеорологической службы показывает их сопоставимость и одинаковый порядок результатов с полученными теоретическими оценками.
Разработанный метод позволяет получать оптимальную оценку уровня каждой спектральной компоненты анализируемого временного ряда по критерию максимального правдоподобия. Впервые с помощью радиотехнического метода корреляционного приема и обработки информации по мониторингу электромагнитного поля приземного слоя атмосферы в сети разнесенных в пространстве станций удалось достоверно оценить средние амплитуды электрического поля на частотах, соответствующих лунно-солнечным приливам. Доказана перспективность применения радиотехнического метода корреляционного приемника при решении ряда геофизических задач. Перспективные результаты по анализу лунно-солнечных приливов получены при использовании данных, разнесенных в пространстве станций: ВлГУ и ГГО НИЦ ДЗА, т.е. используются преимущества разнесенного приема при выделении долгопериодических вариаций.
В четвертой главе приведено краткое описание аппаратуры, использованной для экспедиционных и стационарных измерений напряженности атмосферного электрического поля, дана структура трех приемно-измерительных комплексов. В разделах 4.1.,4.2. описана измерительная сеть полигона ВлГУ и станций в ВлГУ и в ГГО НИЦ ДЗА. Комплекс приемных антенн полигона включает в себя токовые антенны наземного, подземного и подводного типа,
22 магнитные антенны (феррозондовые магнитометры), флюксметры для измерения электростатического поля Земли, электродные системы, метеокомплекс -всего 20 приемных каналов. На экспериментальном полигоне ВлГУ создана станция многоканальной синхронной регистрации, отслеживания, хранения и обработки информации по электромагнитному полю в приземном слое с тестированием и калибровкой аппаратуры с помощью ЭВМ. Система предназначена для автоматического сбора информации с датчиков и их калибровки. Система обеспечивает синхронное преобразование входного сигнала, аналого-цифровое преобразование сигналов с приемных каналов, помехозащищенную посылку данных в центральный пульт сбора, управляемую программно (в цифровом коде) генерацию стабильного низкочастотного сигнала для калибровки датчиков, а также отсчетов точного времени при помощи термостатированного генератора и синхронизацию моментов измерений с текущим временем.
Для исследований электрического поля на станциях используется датчик электростатического поля (разработка ВлГУ), отличающийся простотой и надежностью работы, с эксплутационными характеристиками, позволяющими использовать его как в экспедиционных, так и в стационарных условиях. Основные характеристики прибора: чувствительность - 0,2 В/м/мВ; реальная рабочая полоса частот устройства - 4,5 Гц; неравномерность коэффициента передачи в полосе частот - 0,5 дБ; подавление сетевой помехи на частоте 50 Гц - не менее 40 дБ. Разработан современный вариант электрометрического усилителя на микросхемах AD549L.
На расстоянии 50 км от экспериментального полигона в радиокорпусе ВлГУ расположен второй приемно-регистрирующий комплекс, состоящий из датчика электростатического поля Земли, феррозондового магнитометра и датчиков температуры, давления, влажности. Комплекс работает в непрерывном режиме регистрации. На расстоянии 500 км от экспериментального полигона расположен третий приемно-регистрирующий комплекс (электростатический флюксметр, метеостанция) на территории научно-исследовательского центра
23 дистанционного зондирования атмосферы - ГГО ЬіИЦ ДЗА им. А.И.Воейкова (г. Санкт-Петербург). Все три приемных комплекса обеспечены датчиками электростатического поля, разработанными в ходе выполнения данной работы. Временная синхронизация станций обеспечивается GPS приемниками. В разделе 4.3. описана методика измерения и восстановления абсолютного значения Ez. В процессе регистрации периодически осуществляется тестирование и калибровка приемно-регистрирующей аппаратуры.
Пятая глава посвящена перспективам практической реализации результатов экспериментальных исследований электрического поля приземного слоя атмосферы в сети разнесенных в пространстве станций. Практическая реализация результатов проведенных исследований возможна в нескольких основных направлениях.
Постановка регулярных измерений атмосферно-электрических параметров и данных магнитометрии в сети разнесенных в пространстве станций позволит осуществлять наземную диагностику полей различной природы и анализ их взаимосвязей с геофизическими процессами. Цифровая система регистрации и электронная база данных позволяют обмениваться данными с геофизическими центрами и работать в сетях геофизических наблюдений.
Намечены пути решения задачи обнаружения воздействия лунных приливов на электрическое и магнитное поля приземного слоя атмосферы. Несмотря на то, что амплитуда лунных приливов мала, они имеют отличающийся период и представляют большой интерес, поскольку механизм их возбуждения хорошо известен. Анализ спектров электрического поля приземного слоя на частотах лунных приливов говорит о недостаточном отношении сигнал/шум на частотах приливов, что не позволяет на сегодня сделать однозначный вывод об их выделении. Необходимы дальнейшие исследования электрического поля приземного слоя на частотах лунных приливов с привлечением как большого массива экспериментальных данных, так и с использованием результатов разнесенного в пространстве приема.
Результаты длительного мониторинга позволяют проанализировать взаимосвязь атмосферного электричества с динамикой метеопроцессов, а также сезонные и суточные вариации электрического поля приземного слоя атмосферы по трем станциям: полигон ВлГУ, станция ВлГУ и станция в ГГО НИЦ ДЗА. Получены результаты исследований зависимости суточного хода Ez от сезона года и от станции наблюдения.
Разработанный комплекс датчиков и специальное программное обеспечение позволяют проводить мониторинг электромагнитного поля приземного слоя атмосферы, анализ сейсмической активности и взаимосвязь атмосферного электричества с динамикой метеопроцессов. Проведение синхронного мониторинга электрического и магнитного полей в приземном слое атмосферы в сети разнесенных в пространстве станций, с передачей сведений по цифровым каналам информационно-навигационной системы МЧС, а также накопление и обработка получаемой информации в реальном масштабе времени позволит прогнозировать очаги сейсмической активности в различных регионах России.
В заключении приведены основные результаты, полученные в работе.
Источники вариаций электрических полей в приземном слое атмосферы
Вариации электрического поля в промежутке Земля-ионосфера могут возбуждаться двумя типами естественных источников - земными и космическими. Главным источником электромагнитной энергии КНЧ и ИЗЧ диапазона являются грозовые разряды (разряды облако-земля и внутриоблачные разряды) [31]. Разность потенциалов между облаком и землей может изменяться в пределах 50 106-1 Ю9В. Разряд молнии сопровождается мощным электромагнитным излучением с широким спектром частот. Например, для среднего разряда, переносящего около 20 Кл с высоты 4 км, выделяемая энергия примерно равна 2 Ю9 Вт с. Развиваемая при этом мощность составит около 7000 МВт при длительности разрядов 0,25 с. Мощность грозовых разрядов велика, однако, не вся она преобразуется в электромагнитное излучение. Значительная доля энергии молний идет на ионизацию и разогрев плазмы канала разряда. Определенная часть идет на омические потери в земле, на создание ударных звуковых волн и только остаток преобразуется в электромагнитное излучение от ИЗЧ до световых волн. Мощность импульса излучения составляет около 106 Вт, т.е. десятую долю процента полной мощности грозового разряда. Электромагнитное излучение существует на значительных расстояниях от грозового очага и определяет, в основном, помехи от дальних гроз. Электромагнитное излучение от близких гроз (грозы на расстояниях до десятков километров) включает в себя электростатическое поле, поле индукции и поле излучения грозового разряда [32,33].
Принято считать, что существующее электростатическое поле Земли напряженностью 100-120 В/м создается глобальной грозовой активностью [1].В работах [1,34,35,36] показано, что средние за год вариации электростатического поля Земли связаны со средними за год суточными вариациями площади мировых грозовых очагов. Более обоснованной является связь с числом грозовых разрядов, а не с площадью гроз.
Разность потенциалов между Землей и верхней атмосферой обеспечивается динамическим равновесием между током утечки тропосферы (ток положительных зарядов на Землю) и током грозовых разрядов [35,37,38]. Плотность тока утечки мала, около 3 х 10"12 А/м2.
По климатологическим данным [35], на поверхности Земли одновременно действуют в среднем около 2000 грозовых очагов, площадь каждого из которых составляет примерно 1000 км2.
Результаты оценок хорошо согласуются с экспериментальными данными [35,39,40,41], в соответствии с которыми время восстановления дипольного момента облака после грозового разряда равно 5-10с [42], а среднее число вертикальных разрядов составляет 30-100 разрядов в секунду [1].
Шумановский фон является откликом резонатора Земля-ионосфера на всю совокупность грозовых разрядов, возникающих на земном шаре. Вспышки порождены ближними (до 1000 км) грозовыми разрядами и на несколько порядков превосходят уровень шумановского фона. Вследствие малого расстояния от молнии до пункта наблюдения вспышка содержит радиационную компоненту, индукционное поле и статическое поле. Всплески являются откликом резонатора на одиночные мощные молниевые разряды, их амплитуда может превосходить уровень фона до 10 раз, а длительность обычно составляет около секунды [1]. На частотах 5-45 Гц спектральный состав и интенсивность шумов определяется резонансными свойствами волновода Земля - ионосфера. Значение резонансных частот и затухание на частотах были предсказаны Шуманом. Возбуждение электромагнитных колебаний на резонансных частотах земного шара происходит за счет воздействия разрядов атмосферного электричества на резонатор Земля-ионосфера или за счет колебаний в магнитосфере Земли [44,45]. Ночью резонансные свойства земного шара слабее выражены, чем днем, так как в это время суток возрастает утечка энергии низкочастотных колебаний сквозь ионосферу [37]. Возбуждение колебаний на нижних резонансных частотах вызвано в основном медленными составляющими послеразрядно-го тока молний, а на верхних резонансных частотах - главными разрядами молний на землю. Вариации распределения энергии между этими частотами в течение суток обусловлены суточной периодичностью грозовой деятельности на низких и средних широтах.
В анализируемый диапазон частот попадают сейсмогравитационные и собственные колебания Земли. Теория сейсмоэлектродинамики (СЭД) описывает возбуждение электромагнитных сигналов, коррелирующих с землетрясениями. Поиск таких сигналов сопряжен с немалыми трудностями. По теоретическим оценкам [45-48] и по опыту наблюдений [49-51] это весьма слабый сигнал.
Необходимость таких исследований для волновых процессов в атмосфере следует из результатов анализа синхронных записей сеисмогравитационных колебаний Земли и приземного атмосферного давления [52]. В них обнаружено сходство спектрального состава, его статистическая устойчивость. В спектрах синхронных записей, охватывающих период времени в несколько месяцев, выделены неслучайные составляющие, существование которых невозможно объяснить метеофакторами. Высокие значения коэффициентов когерентности позволили поставить задачу о возможном возбуждении атмосферы процессами, происходящими в Земле [51].
Исследование этих колебаний, начатые в 70-е годы [53], к настоящему времени позволили установить структуру спектра и факт его статистической устойчивости во времени [54,55], планетарный характер регистрируемых колебаний и их воздействие на волновые процессы в атмосфере [56]. Выявлены сравнительные кратковременные феномены-предвестники землетрясений, длительность которых варьирует от 5-6 до 20 ч.
Ионный состав атмосферы и электрическая структура приземного слоя атмосферы
При исследовании взаимодействия лунно-солнечных приливов с электромагнитным полем в земной атмосфере важное значение имеют задачи об ионном составе атмосферы и задача об электрической структуре приземного слоя атмосферы. Эти две задачи определяют распределение электрической проводимости и напряженности электрического поля в атмосфере с высотой. Ионный состав нижней атмосферы довольно сложен. Легкие ионы, имеющие подвижность: Ь+=\,36 см2 /В-с, б_ = 1,56 см21В-с [119,120] представляют собой заряженные молекулярные кластеры, существенное влияние на образование которых оказывает водяной пар, содержащийся в атмосфере. Примерами легких ионов являются следующие: Н3О+(Н20)п, Н Н О),,, О (Н20)п, СО4"(Н20)п, где п=4-8. Для сравнения подвижность электронов равна \Ье\ = 7-\02см2 /В-с, т.е. почти в 500 раз больше подвижности легких ионов. Подвижность легких ионов зависит от давления P(z) и температуры атмосферы T(z) и определяется выражением [122]: Схема образования легких ионов следующая: галактические космические лучи ионизируют молекулы кислорода и азота. Возникающие электроны присоединяются за время 10"7с к нейтральным молекулам и создают отрицательные ионы. Затем отрицательные и положительные ионы, взаимодействуя с молекулами Н20 образуют молекулярные кластеры - легкие ионы за несколько микросекунд.
Легкие ионы рекомбинируют друг с другом и присоединяются к аэрозольным частицам, образуя долгоживущие малоподвижные большие ионы (аэрозольные ионы). В стационарных условиях и при равных концентрациях положительных и отрицательных ионов, концентрация находится из уравнения баланса: где q - интенсивность ионообразования, а - коэффициент рекомбинации, Р коэффициент присоединения легких ионов к аэрозольным частицам, Z концентрация аэрозольных частиц. Наряду с ионизацией галактическими и космическими лучами, которые дают q = \0Ьм г -с ] на уровне моря и = (4-5)-107лГ3 -с"1 в умеренных широтах на высоте 15 км, важную роль могут играть радиоактивные газы, выделяющиеся из земной коры. В частности, газ радон может давать вблизи земной поверхности q = 10і м с ]. Его действие может простираться до высоты 100м. Таблицы 3 и 4 составлены по данным, взятым из статьи Брикара [120], показывают сложность определения ионного состава атмосферы. В работе [119] вводятся также конденсационные ионы, которые возникают при конденсации различных микропримесей воздуха на отрицательные и положительные ионы. Их подвижности находятся в интервале 0,3-0,5 см11В-с. Электрическая проводимость в атмосфере определяется выражением: Для высот, лежащих выше приземного слоя, часто используется следующее представление для Я [122,8]: где а = (0,2 - 0,3)KVW_I. где n+- концентрации легких ионов, Ez - вертикальная составляющая напряженности электрического поля, (р - потенциал электрического поля, к+, к_ члены, описывающие взаимодействие легких ионов с аэрозольными частицами, DT(z,t) - коэффициент турбулентного обмена, vz - вертикальная составляющая конвективных движений воздуха.
Система уравнений (2.30) записана для средних величин, характеризующих электрическое состояние приземного слоя [121]. Турбулентные процессы входят в коэффициент турбулентного обмена Dj(z,t), который определяется равенством: средний квадрат турбулентной скорости, тк - время корреляций (или время жизни вихря). В метрологии приземного слоя для DT(z,t) используется представление [123]: где т=0 соответствует устойчивой стратификации приземного слоя, т=1 -нейтральной стратификации, т=4/3 - термической неустойчивой стратификации. Умножая первые два уравнения системы (2.30) на элементарный заряд электрона е и вычитая из первого уравнения второе, получим уравнение для плотности электрического заряда р = е(п+ -п_): В общем случае системы уравнений (2.30) и (2.33) применимы для описания электрических процессов в нижней атмосфере, но специфика приземного слоя определяется наличием процессов турбулентного обмена, характеризуемых коэффициентами турбулентного обмена Di(z,t). Вертикальная составляющая скорости vz может появляться вследствие многих причин, одной из которых может явиться приливное воздействие со стороны Луны и Солнца [124]. Как показывается в [121] существует два предельных случая в описании электрического состояния приземного слоя, определяемого параметрами: где т - время жизни иона, Ет - напряженность электрического поля за пределами приземного слоя. Первый случай »1 соответствует приближению сильного поля или классическому электродному эффекту. Второй случай +«1 соответствует приближению сильного турбулентного перемешивания или турбулентному электродному слою. Классический электродный эффект был предметом многочисленных исследований [121,122]. Как следует из теории этого эффекта, характерная толщина электродного приземного слоя равна: при Ек =100 В/м, а = 1,6-10""12 л 3/с, Ь0 =1,5 см21В-с, / = 3,8 м. Критерием для классического электродного эффекта в приземном слое является выполнение неравенства: Во втором случае, используя разложение решения системы (2.30) по малому параметру +, получим, что система уравнений (2.30) в стационарном случае сводится к системе уравнений: где jo - плотность электрического тока. Характерными масштабами задачи в этом случае являются масштаб турбулентного переноса ионов lm={Dmr)xl{1 m) и масштаб изменения напряженности электрического поля Lm = (Dm І4яЛл)т т). Физический смысл полученного приближения состоит в том, что основную роль в формировании высотного профиля электрической проводимости Л играет турбулентный обмен и рекомбинация ионов, а высотный профиль напряженности электрического поля определяется турбулентным обменом и градиентом электрической проводимости. Критерием реализации случая сильного турбулентного перемешивания в приземном слое является выполнение неравенства: В случае нейтральной стратификации приземного слоя DT = Z),z имеем: Результаты расчетов профилей п+, Л, , приведены в [121]. Напряженность электрического поля убывает с высотой до значения Ех = j01 Лл. В отсутствии аэрозольных частиц в приземном слое Ею =100 В/м, I, =15 м, /, =50 л ,при , =0,2 м/с. Из этих расчетов можно сделать вывод, что для исключения электродного эффекта необходимо проводить измерения напряженности электрического поля за пределами электродного слоя: z 1, z Lm. При этом необходимо контролировать метеорологические параметры (скорость ветра, температуру, давление). В связи с проведением исследований термогравитационных солнечных приливов в приземном слое атмосферы необходимо рассмотреть задачу об эффекте, связанном с восходом Солнца [8,125]. Рассмотрим уравнение (2.33) при DT = const, Л = const. При этих предположениях получим уравнение для р: Решение уравнения (2.41) при граничном условии: записывается в следующем виде: Используя второе уравнение системы (2.33) получим для Ez Плотность электрического заряда р0 определяется электродным эффектом и оценивается как р0 =200 е/см3и р0 0. Из выражения (2.44) следует, что j0 0, абсолютная величина \EZ\ или градиент потенциала при z=0 растет с ростом D. В этом состоит эффект восхода Солнца [8]. Этот эффект связан с нагревом земной поверхности солнечным излучением, приводящим к появлению вертикальных турбулентных движений, т.е. к появлению турбулентного обмена. Плотность тока проводимости также увеличивается с ростом D, т.к.
Авторегрессионое спектральное оценивание и спектральный анализ на основе преобразования Фурье экспериментальных временных рядов по данным Е z в приземном слое атмосферы
В процессе анализа существующих методов спектральной оценки с точки зрения решения поставленной в работе основной задачи была осуществлена обработка экспериментальных данных, полученных на полигоне ВлГУ по реги-страциям вертикальной составляющей напряженности электрического поля (Ez) в приземном слое, с помощью метода максимальной энтропии [156, 176].
Использованию ММЭ предшествует специальная подготовка данных к спектральной обработке. На первом этапе производится полосовая фильтрация с помощью цифрового фильтра Тьюки. Данные, полученные на полигоне имеют дискретность измерения At = 30с. Поскольку основной интерес представляют гармонические составляющие в диапазоне периодов от 1 часа и выше, то целесообразно проводить высокочастотное сглаживание (низкочастотная фильтрация) (для избежания элайзинга), после чего дискретность следования довести до Аі = 10мин. В результате этого объем вычислений уменьшается без потери информации в нужном диапазоне частот.
Как показал предварительный анализ данных низкочастотные составляющие процесса на периодах выше 2 суток представляют собой существенно нестационарный процесс, что значительно искажает оценки вблизи диапазона частот 1 сутки. Поэтому было принято решение проводить дополнительную высокочастотную фильтрацию для удаления всех составляющих процесса, имеющих период больше двух суток.
Оба процесса фильтрации проводились с помощью фильтра Тьюки, весовые коэффициентов которого задаются следующими соотношениями: где Р - длина фильтра.
Основным полезным свойством фильтра Тьюки является то, что он не искажает фазы сигналов. Для низкочастотного фильтра полагалось Р=20, а для высокочастотного Р=300 (частота обрезания имеет период чуть больше 2 суток). После низкочастотной фильтрации производилась децимация ряда с шагом N=20. В результате чего дискретность ряда стала А/ = 20 30с = Юмин.
Для того чтобы исключить остающуюся нестационарность рядов в выбранном диапазоне обработка проводилась на последовательных отрезках длинной 2 суток (число точек 286). В результате удается отследить изменчивость пиков в спектре от одного отрезка данных к другому.
Предварительные результаты обработки указывают на то, что действительно в указанном диапазоне частот существуют устойчивые источники гармонических колебаний с частотами от 30 минут и до 1 суток. Однако, эти процессы погружены в шум, сравнимой с ними мощности. Типичные спектры процессов без высокочастотной фильтрации приведены на рисунках 3.1,а.-3.1,в. Первый рисунок соответствует спектру в начале процесса измерения, второй -спектру в середине процесса измерения, а третий в конце. Во всех случаях порядок модели соответствует М=26. Именно этот порядок выбран как порядок соответствующий середине области порядков с устойчивой структурой спектра. Форма спектра практически не меняется в диапазоне порядков от 23 до 29. Как видно из этих графиков устойчивые пики имеются для точек 70-80, что соответствует Т 100-20/80 = 25мин. Частота этого пика меняется от первого отрезка ко второму в небольших пределах (от 25 минут на первом графике до 28 минут на последнем) Для выяснения истинности смещения пика требуется проведение дополнительной обработки. Устойчивый пик имеется и на периоде Т = 20-100/30 = 66мин..
Однако в близи этого пика имеются нестационарные пики, которые мешают точной его идентификации. В этом диапазоне частот уже сказывается низкочастотная нестационарность процесса, которая будет исключена в дальнейшем дополнительной обработкой данных. Существуют и другие характерные пики, анализ которых так же требует привлечения дополнительных средств обработки. С помощью метода максимума энтропии был осуществлен спектральный анализ изменчивости вертикальной компоненты напряженности электрического поля приземного слоя по трем приемным каналам (канал 1 - наземная 10м антенна; канал 2 - наземная 40м антенна; канал 3 - подземная Юм антенна) экспериментального полигона ВлГУ в 2002 году (3 месяца: 129810 точек с интервалом 30 сек.).
Одним из основных элементов процедуры спектрального оценивания по ММЭ является выбор порядка спектральной модели. От выбора порядка модели зависит степень достоверности формы спектральной плотности от частоты. Порядок модели определяет максимальное число спектральных пиков, которые может одновременно разрешить модель в доступной для оценивания области частот (0-fH=l/2At). Если это число меньше числа реально существующих гармонических составляющих, то оценка спектра не будет содержать всей полезной информации (часть информации оказывается утерянной), если же это число существенно превышает число реально существующих гармонических составляющих, то в спектре появляются ложные пики, ошибочно выделенные моделью из шума, в который, как правило, погружены гармонические составляющие процесса. Поскольку заранее не известно число реально существующих гармонических составляющих, то возникает задача по косвенным признакам установить оптимальный порядок модели, наиболее близкий к числу реально существующих гармонических компонент процесса. Для решения этой задачи предлагались различные методы [148-150,155,158,159,161], однако однозначного решения этой проблемы предложено не было. В данной работе выбор порядка модели осуществляется с помощью установления порядков модели по области максимальной устойчивости формы спектральной кривой и остаточной дисперсии. На рис.3.2. представлена спектральная плотность Ez и когерентность, полученные с помощью ММЭ (два графика рядом - спектры рядов, сдвинуты между собой на 3 часа). Обработка осуществлена с распараллеливанием рядов. Ряд получен сглаживанием исходных данных длиной в один год с шагом 60 с.
Таким образом, использование метода максимальной энтропии для решения задачи выделения эффектов воздействия лунно-солнечных приливов на электрическое поле приземного слоя сталкивается с рядом трудностей. Во-первых, как было отмечено, высокий уровень шумов не позволяет данным методом с высокой степенью достоверности выделить необходимую информацию о приливных частотах в электрическом поле приземного слоя атмосферы, также согласно рис.3.2. - оценка амплитуды нестационарна. Во-вторых, ММЭ не решает задачу анализа амплитуды спектральных компонент на конкретных частотах анализируемых источников.
По результатам экспериментальных регистрации 1999-2004 годов была осуществлена спектральная обработка записей электрического поля приземного слоя атмосферы с помощью БПФ. На рис 3.3,а,б,в,г. представлены результаты спектральной обработки с помощью БПФ по данным флюксметров полигона ВлГУ и на рис.3.4,а,б,в,г. станции в ГГО НИЦ ДЗА. Спектры Фурье позволяют анализировать процессы в заданном диапазоне частот. Получить же несмещенные оценки амплитуд на конкретных частотах приливов, известных заранее, данный метод не позволяет. Спектральный анализ на основе преобразования Фурье не позволяет достоверно оценить амплитуды спектральных компонент на конкретных частотах анализируемых источников, что является важным фактором при оценке отношения сигнал/шум на частотах приливов. Оценка амплитуды Е z приземного слоя атмосферы на частотах приливов является основной задачей проводимых исследований.
Структура приемно-регистрирующих комплексов, разнесенных в пространстве
Экспериментальные работы осуществляются на уникальном загородном полигоне ВлГУ, расположенном в 50 км от г. Владимира на территории 4 га и служащего для непрерывных синхронных регистрации электрического и магнитного полей в диапазоне (0.00001-100 Гц). Комплекс приемных антенн включает в себя антенны наземного типа, подземного и подводного типа, магнитные антенны (феррозондовые магнитометры), флюксметры для измерения электростатического поля в приземном слое, систему графитовых электродов, метеокомплекс (рис.4.1., 4.2.) [248-259].
Экспериментальный полигон включает в себя здания и приемные пункты для обеспечения непрерывной работы аппаратуры. Приемно-усилительная аппаратура: электрометрические усилители; комплект осциллографов и низкочастотных генераторов для градуировки приемной аппаратуры. Прием и регистрация экспериментальных данных обеспечены средствами вычислительной техники: Intel Pentium III-800MHz и Intel Celeron 1300 MHz.
Для проведения исследований электрического поля в приземном слое атмосферы в 1997 году на экспериментальном полигоне ВлГУ была создана уникальная станция многоканальной синхронной регистрации, отслеживания, хранения и обработки информации по электромагнитному полю приземного слоя атмосферы с тестированием и калибровкой аппаратуры с помощью ЭВМ. Система предназначена для автоматического сбора информации с датчиков и их калибровки. Система обеспечивает синхронное преобразование входного сигнала, цифровую фильтрацию помех, аналого-цифровое преобразование сигналов с приемных каналов, помехозащищенную посылку данных в центральный пульт сбора, управляемую программно (в цифровом коде) генерацию стабильного низкочастотного сигнала для калибровки датчиков, а также отсчетов точного времени при помощи термостатированного генератора и синхронизацию моментов измерений с текущим временем. Система рассчитана на передачу данных в ЭВМ через стандартный последовательный порт (на рис. 4.3. фото оконечного пункта системы регистрации). На рис. 4.4. приведена структурная схема приемно-регистрирующего комплекса.
Отличительными особенностями системы является аналого-цифровое преобразование сигналов непосредственно в месте их получения и использование для связи надежной помехозащищенной цифровой сети на основе промышленного интерфейса RS-485. Высокая надежность и помехозащищенность линии связи обеспечивается дифференциальной передачей сигналов и применением для проверки достоверности информации контрольной суммы CRC-16. Информация со всех источников поступает в центральный контроллер. Основными функциями, выполняемыми контроллером, являются поддержание точного счета реального времени, синхронизация выборок АЦП, упаковка и пересылка накапливаемой информации в компьютер для архивирования и в блок индикации для отображения. Разработан и включен в приемную систему опорный генератор для синхронизации работы приемного комплекса со стабильностью 10"8с. Для контроля информации разработан цифровой блок индикации.
Созданы, протестированы и включены в работу приемного комплекса электрометрические усилители на базе твердотельного буфер-усилителя AD549JH(pHC.4.3.).
В 2003г впервые была осуществлена точная привязка результатов измерений к всемирному времени (UTC) при помощи системы GPS. Система GPS предназначена для точного определения координат на местности. Выполнение этой задачи требует точной временной синхронизации приемников GPS-сигнала. Система GPS состоит из 24 спутников, каждый из которых имеет на борту высокостабильные атомные (рубидиевые) часы. Спутниковые часы синхронизируются на каждом витке с цезиевым стандартом времени Agilent 5071А, установленным в Морской обсерватории США и являющимся также одним их хранителей единого времени (UTC).
