Раздел 2. Регулярные вариации и аномалии в естественных СНЧ сигналах
В настоящем разделе проведено исследование полного набора вторых статистических
моментов фонового электромагнитного СНЧ поля. Рассмотрено применение вектора
Умова-Пойнтинга [6, 119, 218], среднего волнового импеданса [174], а также
поляризационных параметров [121, 249, 250] для получения информации о динамике
мировой грозовой активности в азимутальном и в дистанционном направлениях, а
также о компактности распределенных источников по отношению к высокоширотному
пункту наблюдений.
Рассмотрено применение новых современных методов цифровой обработки и
аппаратура для измерений естественных СНЧ сигналов. Обсуждаются постановка
эксперимента и методы непрерывных измерений вертикального электрического и двух
ортогональных горизонтальных магнитных компонент естественных СНЧ полей в
диапазоне частот 4 – 40 Гц [183, 185, 208, 247, 248, 264].
На основе накопленного долговременного банка данных средних спектров СНЧ полей
проведены детальные исследования динамики резонансных параметров СНЧ поля во
время мощных солнечных протонных событий, произошедших в 2000 – 2003 гг. [152,
265].
2.1. Пункт наблюдений, аппаратура и методы измерений СНЧ полей
Наблюдения естественных электромагнитных полей в диапазоне частот 4 – 40 Гц
проводились на высокоширотной геофизической станции Лехта (Карелия, Россия,
64°26ў37" с.ш., 33°58ў25" в.д.) Санкт-Петербургского филиала института земного
магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн (ИЗМИРАН) в июле – августе
1998 года и, начиная с августа 1999 г., до мая 2005г. выполнялись на постоянной
основе. В эксперименте одновременно измерялись три компоненты поля:
вертикальная электрическая (Ez) и две взаимно-ортогональные горизонтальные
магнитные компоненты. Для анализа привлекались также данные, полученные на
станции Карымшино, Камчатка (53° с.ш., 157° в.д.) [151, 152].
Географическая карта в азимутальной проекции с центром в пункте наблюдений в
Лехте представлена на рис. 2.1.
Выбор места для измерений был обусловлен рядом факторов. Во-первых, для СНЧ
измерений необходимо располагать датчики поля как можно дальше от источников
промышленных помех, таких как линии передачи электрических силовых сетей,
радиотрансляционных линий и т.п. Как правило, таким требованиям удовлетворяют
пункты, расположенные в сельской местности. Во-вторых, данный пункт имеет
удачное расположение относительно континентальных мировых грозовых центров,
которые связаны с юго-восточной Азией и Океанией, Африкой и Южной Америкой. Эти
области схематически отмечены эллипсами на рис. 2.1. Направления на центры
данных областей с максимальной грозовой активностью составляют приблизительно
90° (от севера по часовой стрелке) на восток – азиатский, 180° на юг –
африканский и 270° на запад – южноамериканский. Такой значительный разнос по
азимуту облегчает задачу разделения сигналов от разных МГЦ в ортогональных
магнитных компонентах.
Рис. 2.1: Расположение пункта наблюдений в Лехте по отношению к мировым
грозовым центрам
В качестве магнитных антенн использованы индукционные датчики с ферромагнитным
сердечником и со встроенными антенными усилителями. Магнитные антенны в Лехте
ориентированы в направлении юг - север (компонента Hy) и запад - восток
(компонента Hx) относительно географической системы координат, а в Карымшино -
относительно геомагнитной системы координат (компоненты поля H и D). Магнитные
антенны помещены в специальный бункер, заполненный песком для уменьшения
вибрационных помех, который позволяет установить антенны над поверхностью земли
с целью предотвращения затопления их почвенными водами. Электрическая антенна
представляет собой изолированную металлическую сферу диаметром 40 см и
собственной емкостью 22 пФ, установленную на мачте высотой около 3 м.
Фотография антенной площадки в Лехте приведена на рис. 2.2.
Рис. 2.2: Бункер с магнитными антеннами (слева) и электрическая антенна
(справа) в пункте измерений в пос. Лехта
Питание всех антенных усилителей осуществлялось от аккумуляторной батареи
напряжением 12В.
Сигналы от датчиков передавались на вход приемника, установленного в
лаборатории, по симметричным линиям длиной около 150м. Трехканальный приемник
состоит из синхронных режекторных фильтров для подавления гармоник сети [266],
масштабирующих усилителей, и фильтров нижних частот. В канале электрической
компоненты был включен фазовращатель, что позволило обеспечить рассогласование
фазовых характеристик для всех каналов менее 3° во всем рабочем диапазоне
частот. Основные параметры разработанного для настоящих измерений комплекса
следующие:
Диапазон 1 – 100 Гц
Чувствительность, А/(мЧГц1/2)
* f = 3 Гц 10 –7
* f = 10 Гц 2,4Ч10 –8
* f = 30 Гц 10 –8
Коэффициент преобразования магнитных антенн, f>4Гц 103 ОмЧм
Погрешность калибровочной цепи магнитных антенн < 2%
Неидентичность каналов (в полосе 6 – 32 Гц):
* коэффициент преобразования < 10%
* разность фаз между E и H каналами < 3°
Комплексные передаточные частотные характеристики всех трактов были измерены с
помощью калибровочных катушек на магнитных антеннах и электрического диполя,
расположенного вблизи электрической антенны.
Блок-схема приемо-анализирующего комплекса, датчики поля и аналоговая часть
которого были разработаны в ИЗМИРАН, приведена на рис. 2.3.
Рис. 2.3: Блок-схема приемо – анализирующего комплекса. АУ – антенный
усилитель, МУ – масштабирующий усилитель, ФНЧ – фильтр нижних частот, СРФ –
синхронный режекторный фильтр
Сигналы трех компонент поля после усиления и фильтрации подаются на вход
многоканального АЦП, уста
- Київ+380960830922