Экспериментальное исследование распространения атмосфериков и динамики мировой грозовой активности

Экспериментальное исследование распространения атмосфериков и динамики мировой грозовой активности

ВВЕДЕНИЕ

Курсовая посвящена экспериментальному изучению распространения естественных электромагнитных импульсных излучений, частотный спектр которых перекрывает верхнюю область сверхнизкочастотного (СНЧ) и нижнюю область сверхдлинноволнового диапазонов (СДВ) в волноводе Земля - ионосфера и исследованию пространственно - временного распределения их источников. Работа основана на результатах наземной и морской регистрации вертикальной электрической (E ) и двух взаимно ортогональных горизонтальных магнитных (Hx и Hy ) компонент поля естественных излучений в диапазоне от 0.3 до 13 кГц. Измерения проводились в пос. Мартовая Харьковской обл. и на борту научно-исследовательского судна (НИС) @Академик Вернадский@ в акваториях Индийского и Атлантического океанов.

Актуальность работы. Диапазоны СНЧ и особенно СДВ активно используются для связи, навигации, передачи сигналов точного времени. Важную роль при разработке соответствующих систем играет выбор частоты, способ возбуждения волновода Земля-ионосфера, интенсивность и спектральный состав помех и пр. Однако, интервал частот 0.3 - 10 кГц остается при этом наименее изученным, что связано, прежде всего, с отсутствием искусственных источников таких полей. Поэтому весьма актуально исследование электромагнитных волн, возбуждаемых естественными широкополосными источниками грозами.

Определяющую роль в глобальной грозовой активности играют так называемые мировые грозовые центры, расположенных в Африке, Южной Америке, юго-восточной Азии. Известные из литературы распределения источников измерялись за продолжительные промежутки времени, или охватывали локальные области Земного шара. Глобальные распределения получались затем сопоставлением данных большого числа отдельных метеостанций. Эти результаты не позволяют оценить одновременно динамику и пространственную структуру глобальных источников атмосфериков. Поэтому актуально получение данных о пространственно-временной динамике активности мировых грозовых центров.

Значительный интерес представляет изучение системы Земля - ионосфера, как радиофизического объекта. До настоящего времени наименее изучена нижняя часть ионосферы, оказывающая основное влияние на распространение низкочастотных радиоволн.

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. Кроме того, радиоволны в промежутке Земля-ионосфера несут информацию и об источнике возбуждения. Поэтому рассматриваемые в диссертации экспериментальные методики могут оказаться полезными в исследовании грозовых разрядов и других естественных электромагнитных источников в данном диапазоне частот.

Цель работы и метод исследования. Целью диссертации является экспериментальное исследование спектральных и поляризационных свойств электромагнитного поля естественных импульсных сигналов в диапазоне частот от 0.3 до 13 кГц, распространяющихся в волноводе Земля-ионосфера, разработка методики пеленгации импульсных сигналов, 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 радиоволн, теории цепей, теории информации, структурном программировании, математических методах обработки результатов экспериментов.

Научная новизна. Экспериментально обнаружены поперечные резонансы полости Земля-ионосфера в средних и единичных спектрах атмосфериков в диапазоне частот от 0.3 до 13 кГц.

Обоснована методика оценки добротности полости Земля-ионосфера на поперечных резонансах. Разработаны методы выделения резонансных мод в динамических спектрах атмосфериков, позволяющие оценивать эффективную высоту отражения от ионосферы, дальность до источника. Экспериментально обнаружено преобладание TM волн при распространении атмосфериков с запада на восток и преобладание TE волн при распространении с востока на запад. Предложена и апробирована оригинальная методика пеленгации источников импульсного излучения. Получены длительные непрерывные ряды измерений интенсивности потока и азимутальных распределений СДВ атмосфериков, позволившие проследить динамику активности мировых грозовых центров за период, охвативший смену сезона. Разработан и создан аппаратурный комплекс для регистрации трех компонент э/м поля импульсных излучений и их обработки.

Научная и практическая ценность работы. Полученные в диссертации экспериментальные результаты развивают и дополняют знания о распространении электромагнитных волн СНЧ-СДВ диапазонов в волноводе Земля-ионосфера, динамике мировой грозовой активности, позволяют оценить эффективную высоту отражения НЧ волн от ионосферы. Результаты проведенных экспериментов могут быть использованы как для фундаментальных геофизических исследований, так и в прикладных областях, таких, как радионавигация и радиосвязь. Разработанные алгоритмы обработки сигналов, схемы и принципы, использованные при конструировании универсального аналого-цифрового комплекса, могут быть применены для создания однопунктовых систем локации молний, автоматических систем мониторинга нижней ионосферы, новых систем связи.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на XII г. Красноярск, 1986 г.` межведомственном семинаре по распространению километровых и более длинных радиоволн, 16 Всесоюзной конференции по распространению радиоволн г. Харьков, 1990 г.`, 3 Всесоюзной научно-технической конференции @Прием и анализ сверхнизкочастотных колебаний естественного происхождения@ ~г. Львов, 1990 г.`, 9 Международной конференции по атмосферному электричеству ~г. Санкт-Перербург, Рос- сия, 1992 г.`, на 24 Генеральной Ассамблее URSI ~ заказной доклад, г. Киото, Япония, 1993 г.` Основные результаты диссертации изложены в 9 печатных работах и включены в ряд отчетов по плановым НИР.

Структура и объем работы. Курсовой общим объемом 153 страницы состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 32 рисунка, список литературы из 80 наименований.

Содержание работы. Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований, изложено краткое содержание и основные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе описана аппаратура, использованная в измерениях. Здесь рассмотрены принципы конструирования широкополосного приемника прямого усиления СДВ диапазона, указаны технические характеристики экспериментальной установки, предназначенной для регистрации и обработки естественных сигналов.

В первом параграфе оценены требуемые параметры антенны и антенного усилителя тракта электрической компоненты. Эти параметры использовались при конструировании приемника.

Во втором параграфе получена оценка эффективной площади магнитной антенны с ферромагнитным сердечником. Отмечено, что реальные антенны с ферромагнитным и воздушным сердечниками, имеющие одинаковое количество витков обмотки, обладают эффективной площадью одного порядка, если диаметр воздушной рамки равен длине ферромагнитного сердечника.

Важным требованием к магнитной антенне, при измерении импульсных полей является передача сигналов без искажения их формы. Эти искажения в индукционной антенне обусловлены тем, что Э.Д.С. пропорциональна производной по времени от падающего магнитного поля. Это приводит к линейному росту модуля коэффициента передачи антенны с частотой и постоянному фазовому сдвигу на 90 Э.Д.С. относительно падающего поля. Для устранения этих недостатков в третьем параграфе предложена схема антенного усилителя для магнитной антенны, построенная на основе усилителя тока. В нем индуктивность магнитной антенны используется для компенсации фазо-частотных искажений. Схема обеспечивает постоянный действительный коэффициент передачи сквозного тракта антенна - антенный усилитель по полю в рабочем диапазоне частот.

В четвертом параграфе приведено описание комплекта аппаратуры для измерения спектров вертикального электрического поля атмосфериков в диапазоне 1 - 10 кГц. В его состав входят:

вертикальная электрическая антенна

широкополосный антенный усилитель

фильтры верхних и нижних частот

магнитограф НО-62

анализатор спектра СК4-72/2.

Динамический диапазон сквозного тракта регистрации - воспроизведения составлял не менее 40 дБ.

В пятом параграфе описан универсальный аналого-цифровой комплекс, предназначенный для одновременного приема и обработки трех компонент электромагнитного импульса СНЧ-СДВ диапазона. В его состав входят:

вертикальная электрическая антенна

две магнитные рамочные антенны

широкополосные антенные усилители

трехканальный тракт полосовых фильтров

масштабирующие усилители

двенадцатиразрядные АЦП в каждом канале

цифровое буферное устройство

ПЭВМ @ Электроника - 85 @

комплекс программ, обеспечивающих ввод данных в ЭВМ и их обработку в реальном времени.

Технические и эксплуатационные характеристики комплекса:

рабочая полоса частот: 0.3 - 13.0 кГц

девиации АЧХ и ФЧХ между различными каналами не более 2 дБ и 3 градусов соответственно.

пределы ступенчатой регулировки усиления одновременно по трем каналам: 0 - 48 дБ с дискретностью 6 дБ

динамический диапазон во всех каналах: не хуже 66 дБ

частота дискретизации: 100 кГц

длительность запоминаемой цифровой реализации по каждому каналу: 40.96 мсек (3 * 4096 12-разрядных слов)

длительность предыстории импульсного сигнала: от 0 до 38.4 мсек

Предусмотрена фиксация даты и времени прихода каждого сигнала. Передача информации в ЭВМ осуществляется через последовательный ~RS - 232` или параллельный ~ИРПР` интерфейсы.

Режим работы комплекса - ждущий. Запись информации происходит при превышении сигналом в канале электрической компоненты установленного порога. После записи в память буферного устройства, временные формы трех компонент принятого сигнала контролируются по экрану осциллографа. По решению оператора цифровые реализации передаются в память ЭВМ для обработки. В автоматическом режиме каждый принятый атмосферик передается в ЭВМ без предварительной визуальной оценки. Информация в виде файлов накапливается на магнитных дисках.

Во второй главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований влияния поперечных резонансов (ПР), возникающих в вертикальном сечении полости Земля-ионосфера, на спектры СДВ-атмосфериков, рассмотрены поляризационные свойства э/м поля атмосфериков на поверхности Земли.

В начале главы приведен обзор литературы, посвященной резонансным явлениям в полости Земля-ионосфера.

В первом параграфе показано, что при падении волн в направлениях близких к нормали к границам полости собственные частоты сферической полости и плоского промежутка совпадают. Различие между сферической и плоской системами состоит в том, что в сферической полости имеется дискретный спектр собственных частот, определяемый номером зональной гармоники, в то время, как в плоской системе резонансные частоты имеют сплошной спектр. Таким образом, частоты поперечных резонансов, обусловленных переотражениями от границ полости Земля - ионосфера, определяются высотой нижней границы ионосферы над поверхностью Земли, поверхностным импедансом ионосферы, углом падения волн, конструирующих резонансную моду. При возбуждении полости Земля-ионосфера точечным источником - разрядом молнии, возникает набор волн, которые распространяются под различными углами к границам, и соответствуют различным поперечным резонансам. Показано, что для выделения резонансных колебаний, возникающих при нормальном падении на частотах близких к частотам отсечки волновода, необходимо рассматривать хвостовую часть атмосферика.

Во втором параграфе рассмотрены результаты измерений средних энергетических спектров вертикальной электрической компоненты естественных импульсных сигналов в диапазоне 1 - 10 кГц, которые проводились с помощью комплекта аппаратуры, описанного в главе 1. В обработку включались атмосферики, амплитуда которых превышала пороговый уровень, величина которого выбиралась достаточной для предотвращения срабатывания аппаратуры от помех, излучаемых силовой сетью на высших гармониках. Усреднение проводилось по ансамблям, состоявшим из 60- 80 отдельных спектров атмосфериков. Для набора одного ансамбля обычно требовалось от 10 до 45 минут в зависимости от сезона и времени суток.

Были получены средние спектры двух типов: гладкие, с широким плавным максимумом в области частот 4 - 8 кГц, и содержащие характерные резонансные максимумы вблизи частот 2, 4 кГц. Средние спектры первого типа наблюдались, как правило, в светлое время суток, тогда как спектры второго типа - только ночью. Как показал эксперимент, резонансная структура средних спектров сохраняется в нескольких подряд идущих сериях измерений. Время жизни резонансной структуры составляет от нескольких десятков минут до единиц часов, что согласуется с временем существования локальных грозовых очагов.

Таким образом, приведенные результаты наблюдений позволили заключить, что поперечные резонансы проявляются в средних спектрах, если во время проведения измерений существовал достаточно мощный компактный грозовой очаг. В этом случае процедура усреднения сглаживает тонкую структуру пиков, возникающих в спектрах отдельных импульсов, подчеркивая резонансные максимумы.

В третьем параграфе рассмотрены результаты трехкомпонентных измерений электромагнитного поля атмосфериков в диапазоне 0.3 - 13 кГц, выполненных на борту научно-исследовательского судна. Регистрация сигналов вертикальной электрической и двух скрещенных горизонтальных магнитных компонент проводилась с помощью разработанного автором комплекса ~см. Гл. 1`. Исследовались сигналы характерной формы с многократными отражениями, записанные в ночное время суток. Цифровые реализации трех компонент поля длительностью 40 мсек. записывались на гибкие магнитные диски и обрабатывались впоследствии на ПЭВМ IBM PC AT. Для каждого обрабатываемого сигнала определялось направление прихода волны, а затем система координат в точке наблюдения разворачивалась на источник. Полученные вертикальная электрическая, а также азимутальная и продольная магнитные компоненты поля подвергались спектральному анализу с частотным разрешением 50 Гц. Характерная форма спектра амплитуд представляет собой ряд широких изрезанных максимумов, начинающихся вблизи частот ПР и, в среднем, спадающих с ростом частоты.

Показано, что поперечные резонансы, соответствующие близким к нормальному углам падения волн наблюдаются в спектрах хвостовой части атмосфериков.

Были получены также динамические спектры электрической и магнитных компонент поля (сонограммы). В обработку включались последовательно отрезки длительностью 2.56 мсек., начало которых сдвигалось с шагом 0.4 мсек. от начала импульса к “хвосту”. При этом использовалось временное окно Хэмминга, что уменьшило дисперсию спектральных оценок. Получающиеся максимумы в текущих спектрах группировались при этом в резонансные ветви (моды), имеющие вид кривых, монотонно спадающих по частоте с увеличением времени, асимптотически приближающихся к значениям частот отсечки волновода. В результате выделения таких мод получались временные зависимости частот ПР, разности фаз между спектральными составляющими горизонтальных магнитных компонент и отношений их амплитуд. Для увеличения разрешения по частоте значения частот максимумов получались путем определения “центра тяжести” спектрального пика по соседним отсчетам в спектре. В сонограммах различных атмосфериков наблюдались от одной до восьми мод. В основной массе импульсов можно было выделить не более двух первых мод, пригодных для анализа.

В результате обработки более чем 200 ночных импульсов, зарегистрированных в южном полушарии, путем выделения первой и второй моды, было установлено, что, независимо от направления прихода, поляризация электромагнитного поля в хвостовой части стремится к левой ~вектор поля вращается по часовой стрелке и совпадает с направлением вращения положительного заряда вокруг вектора магнитного поля Земли `. В ряде обработанных импульсов (около 30 штук) для первой моды наблюдалось изменение знака поляризации в начальной части. Переход от начальной линейной поляризации к конечной левой мог происходить тремя путями:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8