Содержание диссертации
Сокращения...................................................................4
Введение.....................................................................5
1. Результаты экспериментальных исследований спектральных особенностей магнитного фонового шума в частотном диапазоне 0.1-15 Гц...................22
1.1 Исследования вероятности появления резонансной структуры спектра РСС
в цикле солнечной активности................................................22
1.2 Исследования особенностей РСС по измерениям в приемных пунктах на разных широтах.............................................................33
1.3 Результаты по обнаружению вариаций в частотных масштабах РСС после
захода солнца...............................................................43
1.4 Экспериментальные исследования широкополосного спектрального максимума в естественном шуме..............................................49
2. Теоретические исследования и численные расчеты резонансной структуры спектра и широкополосного спектрального максимума в магнитном
шуме........................................................................60
2.1 Расчеты параметров РСС для модели плоского волновода
земля - ионосфера с вертикальным магнитным нолем земли......................60
2.2 Результаты решения задачи о возбуждении плоского волновода земля -анизотропная ионосфера с учетом наклона магнитного поля земли.
Методика расчета компонент матрицы поверхностного импеданса анизотропной неоднородной ионосферы....................................71
2.3 Результаты моделирования РСС для разных модельных профилей ионосферных параметров и исследование особенностей расчетной РСС в зависимости от угла наклона магнитного поля земли и направления на источник. Сопоставление с экспериментом.........................................79
2.4 Моделирование широкополосного спектрального максимума в амплитудах магнитных компонент и в поляризационном параметре. Сопоставление с экспериментом...................................................................91
3. Исследование распространения искусственных сигналов от Кольского излучателя в диапазоне частот 0.3-12 Гц........................................101
3.1 Первые эксперименты 1993 и 1998 г.г. по генерации искусственных
2
сигналов в УНЧ диапазоне....................................................101
3.2 Результаты регистрации низкочастотных сигналов от Кольского излучателя
на меридиональную цепочку финских станций..................................113
3.3 Результаты численных расчетов распространения низкочастотных нолей в волноводе земля-ионосфсра от наземного источника типа горизонтальный
магнитный диполь............................................................127
Заключение..................................................................135
Литература................!.................................................137
3
Сокращения
ИЛР - Ионосферный альвеновский резонатор
РСС — Резонансная структура спектра
ШСМ - широкополосный спектральный максимум
УНЧ - ультранизкочастотный диапазон радиоволн (0.1 - 20 Гц)
МГ'Д - волновод - магнитогидродинамический волновод в ионосфере.
ВГВ - внутренние гравитационные волны
ПИВ - перемещающиеся ионосферные возмущения
ТН - поляризация - поляризация электромагнитной низкочастотной волны, при которой магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости падения ТЕ - поляризация - поляризация электромагнитной низкочастотной волны, при которой электрическое поле направлено перпендикулярно плоскости падения.
4
Введение
Актуальность проблемы.
Экспериментальные и теоретические исследования распространения электромагнитных полей ультранизкочастотного диапазона (УНЧ) в околоземном пространстве выявили большие диагностические возможности этого диапазона для изучения параметров и процессов в верхней атмосфере, ионосфере и магнитосфере. В диапазоне частот (0.1-20) Гц в формировании сигнала от источника участвуют несколько типов резонансных и волноводных систем: глобальный резонатор Земля-ионосфера [1]; ионосферный альвеновский резонатор [3, 6-8]; магнитозвуковой волновод в Р2-слое ионосферы [3]. Каждая из выше названных структур приводит к определенному изменению спектральных и поляризационных характеристик излучений, возбуждаемых источниками электромагнитного излучения, расположенными на поверхности Земли. Характеристики принимаемого УНЧ сигнала могут содержать важную информацию о параметрах околоземных структур. Например, в спектре атмосферного магнитного шума (УНЧ сигнал естественного происхождения) на высоких, средних и низких широтах наблюдается резонансная структура спектра (РСС) [4, 5], которая формируегся благодаря существованию в F-слос ионосферы ионосферного альвсновского резонатора (ИАР) [3]. Параметры этой-структуры зависят от профилей электронной и ионной концентрации в ионосфере на высотах 100 - 1000 км над точкой приема [6-8, 10]. Таким образом, резонансная структура несет информацию о локальных параметрах верхней атмосферы и их вариациях, связанных, например, с волновыми возмущениями в ионосфере, имеющими горизонтальный пространственный масштаб более 100 км. Измерение поляризации атмосферного шума также важно для разработки методов диагностики, так как на поляризацию влияет наклон геомагнитного поля и профиль электронной концентрации [А7, А21].
С середины 80-х годов в НИРФИ стали интенсивно проводиться исследования атмосферного шумового фона в диапазоне частот 1-5 Гц. Впервые была обнаружена резонансная структура спектра фонового магнитного шума, связанная с влиянием ионосферного альвсновского резонатора на УНЧ поля от гроз на среднеширотном приемном пункте «Новая Жизнь» [4]. В последующем совместно с учеными из Оулу (Финляндия) и Крит (Греция) РСС была обнаружена на высоких [9] и низких широтах, причем на низких широтах фоновый шум имел более сложную и изменчивую структуру [15, 16]. Свойства РСС в полярных и высоких широтах детально изучались
учеными из Полярного геофизического института Кольского научного центра РАМ [11, 17J. Исследонались также различные источники возбуждения ИАР [13, 14]. Кроме резонансной структуры спектра в магнитном шуме была зарегистрирована еще одна спектральная особенность. По данным мониторинга естественных электромагнитных полей в приемном пункте «Новая Жизнь» было обнаружено, что на частотах ниже 8 Гц в темное время суток регистрируется своеобразный спектральный максимум, аналогичный Шумановскому и сравнимый с ним по амплитуде [А5]. Максимум имеет характерную динамику центральной частоты, а механизм его формирования связан с наличием еще одной резонансной полости на высотах нижней ионосферы [А 13, А15, А18].
Использование генерации' искусственных УНЧ полей для развития методов диагностики околоземного пространства создает новые возможности для тестирования теории- распространения УНЧ волн в полости земля-ионосфера и алгоритмов для решения обратной задачи по восстановлению ионосферных параметров. Использование УНЧ сигнала с контролируемыми- параметрами позволяет исследовать состояние нижней и верхней атмосферы, влияющее на принимаемый сигнал. В июле 1998 г., учеными из НИРФИ и Российского института мощного радиосгроения были проведены первые успешные испытания российского геофизического УНЧ излучателя (линия электропередач 108 км. длиной, токи, 70-90 А), на трассе длиной 1500 км (Кольский полуостров *- Н.Новгород). Получены надежные данные о возможности генерации и приема крупномасштабных УНЧ полей (отношение сигнал/шум ~ 15-20 дб в диапазоне частот 1-12 Гц) [А5]. В. 2001 г. был проведен новый эксперимент с использованием Кольского излучателя [А6, А8-А11, А16]. В этом цикле измерений было задействовано существенно большее количество приемных пунктов.
Исследуемый в диссертации круг вопросов относится к интенсивно развивающейся в настоящее время области физики околоземного космического пространства, связанной с новыми подходами к вопросам генерации- и распространения УНЧ полей естественного и искусственного происхождения: В диссертации, всесторонне
проанализированы результаты экспериментальных исследований спектральных особенностей естественных полей на приемных пунктах разных широт, что позволило выявить особенности резонансной структуры спектра при различных наклонах магнитного поля, обнаружить новые свойства широкополосного максимума и разработать новый механизм формирования этой спектральной структуры, связанный с
б
существованием сильных вариаций показателя преломления низкочастотных волн на высотах ионосферы 120-300 км (структура суб-ИАР). В диссертации, кроме того, исследованы особенности распространения искусственных УНЧ сигналов в диапазоне
0.6-12 Гц в волноводе Земля-ионосфера, что позволило обнаружить влияние ионосферной структуры суб-ИАР на амплитудные спектры электромагнитных полей от контролируемого источника.
Целью диссертационной работы является исследование влияния ионосферных резонансных структур на спектры низкочастотных полей (диапазон частот 0.1-15 Гц) естественного и искусственного происхождения, а именно:
1. Экспериментальные исследования резонансной структуры спектра и анализ большого массива данных, полученных по измерениям магнитных компонент естественного шума на среднеширотном пункте «Новая Жизнь» за период с 1985 по 1995 г.г., с целью анализа вероятности появления РСС в зависимости от уровня солнечной активности.
2. Проведение одновременной регистрации естественных шумовых полей в приемных пунктах, разнесенных на большие и малые (до 50 км) расстояния для выявления особенностей РСС на различных широтах и более детального исследования свойств широкополосного максимума.
3. Развитие численных методов в расчетах спектральных структур в фоновом шуме, позволяющих мобильно отслеживать суточные и сезонные зависимости спектров амплитуды и поляризации электромагнитных низкочастотных полей. Анализ 'зависимости свойств расчетной РСС от углов наклона магнитного поля Земли и направления на источник.
4. Разработка механизма широкополосного спектрального максимума (ШСМ), адекватно описывающего все наблюдаемые в экспериментах свойства этой спектральной структуры.
5 Исследование распространения искусственных низкочастотных полей в диапазоне 0.6-12 Гц от контролируемого источника, исследование влияния различных ионосферных условий на спектры искусственных сигналов.
Научная новизна работы Использование данных мониторинга магнитного фонового шума, выполненного на высокочувствительной аппаратуре, позволило получить качественно новые данные о свойствах резонансной структуры в цикле солнечной активности.
7
Получены новые данные о сложном характере РСС на средних и низких широтах и об эквидистантном характере РСС в полярных широтах.
Впервые широкополосный максимум зарегистрирован на станциях финской цепочки магнитометров и обнаружено влияние локальных свойств ионосферы на параметры ШСМ.
Оригинальная методика приема низкочастотных естественных полей в разнесенных точках с базой в 50 км и специальная дифференциальная обработка сигналов позволили получить новые данные о пространственном распределении полей на частотах ШСМ. Впервые выполнено теоретическое исследование зависимости параметров РСС от угла наклона магнитного поля Земли и от направления на источник.
Впервые предложен механизм ШСМ, основанный на наличии в ионосфере на высотах 120-250 км области с сильными вариациями показателей преломления низкочастотных электромагнитных волн.
Впервые по исследованиям распространения искусственных сигналов в У114 диапазоне частот исследован характер спадания амплитуды нолей от расстояния до приемного пункта и обнаружено влияние ионосферной структуры суб-ИАР на амплитудные спектры сигнала.
Практическая ценность
Полученные результаты представляют интерес для разработки механизмов и моделей формирования спектров и поляризации естественного шумового фона в диапазоне частот 0.1-15 Гц, учитывающих совместное влияние отклика различных естественных резонансных систем. Обнаруженное влияние ионосферных структур ИАР и суб-ИАР на спектры фонового шума дают возможность развивать новые методы диагностики как нижней, так и верхней ионосферы, сопоставляя результат регистрации РСС и ШСМ и численные расчеты для различных модельных профилей ионосферных параметров. Данные исследований распространения искусственных УНЧ полей могут быть использованы в диагностических целях (т.к. задействован источник с заданными параметрами), а также при планировании последующих экспериментов с искусственным излучателем при выборе приемных пунктов.
На защиту выносятся
1. Результаты исследовании зависимости частоты появления резонансной структуры спектра (РСС) на среднсширотном пункте «Новая Жизнь» от уровня солнечной активности.
8
2. Обнаружение разного характера резонансной структуры спектра на приемных
*
пунктах разных широт: появление добавочных максимумов, наличие нескольких 1 1 частотных масштабов в резонансных осцилляциях, зеркально симметричные
амплитудные осцилляции в разных магнитных компонентах - на средних и / низких широтах, и “правильный характер” РСС - в полярных широтах.
3. Результаты экспериментальных исследований широкополосного спектрального максимума в амплитудах магнитных компонент и в поляризационном параметре фонового шума по измерениям на среднеширотном пункте «Новая Жизнь» и на станциях финской цепочки магнитометров.
4. Результаты численных расчетов резонансной структуры спектра для модели плоского волновода Земля - анизотропная неоднородная ионосфера с использованием разных модельных профилей ионосферных параметров и обнаружение зависимости характера РСС от угла наклона магнитного поля Земли и направления на источник.
5. Разработка нового механизма формирования широкополосного максимума (ШСМ) в магнитных компонентах естественных шумовых полей, связанного с существованием “долины” в показателе преломления нормальных волн в ионосферной плазме (структура суб-ИАР).
6. Результаты исследований спектров параметров искусственных низкочастотных полей в диапазоне 0.6-12 Гц от контролируемого источника, расположенного на Кольском полуострове. Обнаружение разного характера амплитудно-частотных зависимостей искусственных нолей в дневное и ночное время, а также разного характера спектров в периоды различной геомагнитной возмущенности. Определение характера спадания амплитуды поля в зависимости от расстояния до источника. Обнаружение влияния структуры суб-ИАР на амплитудные спектры искусственных низкочастотных полей в диапазоне 0.6-5 Гц.
Личный вклад автора В работах А1-А5 Е. И. Ермакова участвовала в обработке, анализе данных и последующей интерпретации экспериментальных результатов. Основной вклад в этих работах по оснащению приемного пункта высокочувствительной аппаратурой, по организации и проведению экспериментов принадлежит П. П. Беляеву. В работе А7 постановка задачи принадлежит научному руководителю С. В. Полякову. Автором
9
выполнялись численные расчеты спектров параметров низкочастотных полей. Интерпретация полученных результатов проводилась совместно с С. В. Поляковым.
В работах по регистрации искусственных сигналов от Кольского излучателя на финскую цепочку магнетометров автору принадлежит основной вклад по организации получения данных с финской цепочки магнетометров, в обработке данных, проведении численных расчетов полей искусственного происхождения и в интерпретации данных по влиянию состояния ионосферы на параметры сигналов [Аб, А8-А11]. В работах А12-Л23, Л26 но исследованию резонансной структуры в фоновом шуме на средних и высоких широтах и по исследованию широкополосного максимума вклад автора является определяющим, и основные результат!»I по экспериментальным и теоретическим исследованиям РСС и LIICM принадлежат ей. В работах по исследованию особенностей РСС на низких широтах автору принадлежит выполнение численных расчетов параметров РСС для разных модельных профилей и сопоставление с экспериментом [А24, А25].
Благодарности-
Выражаю глубокую благодарность В. Ю. Трахтенгерцу за интерес к моей работе, постоянную поддержку и плодотворные обсуждения. Выражаю благодарность П. Г1. Беляеву за организацию экспериментальных исследований распространения УНЧ полей в приемном пункте «Новая Жизнь», где были получены основные экспериментальные результаты диссертации. Выражаю благодарность сотрудникам ФГНУ НИРФИ Д. С. Котику, Б. И. Резникову, Ю. В. Шлюгаеву, А. В. Щенникову. за участие в выполнении- работ, составивших основу данной диссертации: Работы, составившие основу данной диссертации, выполнены при по;1держке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 94—05-16861-а, 97-02-17298-а, 01-02— 16742-а, 04-02-17333-а, 07-02-01189-а), фонда Сороса, INTAS (грант 99—0335). Апробации результатов
Основные результаты диссертационной работы докладывались на XX Всероссийской конференции но распространению радиоволн (Н.Новгород, 2002 г.), ежегодных Анатитских семинарах по физике авроральных явлений (Апатиты, 2003, 2006, 2007,2009), на генеральных ассамблеях Европейского геофизическою общества (Ницца, Франция, 2004, Вена, Австрия, 2005), на Международном Суздальском URSI симпозиуме (Москва, 2004), на Международном семинаре “Low frequency wave processes in space plasma” (Звенигород, 2007), на Международной конференции
10
“Problems of Gcocosmos”, на Международном симпозиуме по экваториальной аэрономии (Крит, Греция, 2008), а также на научных семинарах ФГНУ НИРФИ. Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 работ в реферируемых журналах, 3 работы в трудах конференций, 12 тезисов докладов, 1 препринт.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения, содержит 144 страницы текста, 94 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 79 наименований. Содержание работы.
Но Введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы основные задачи работы, приведено краткое содержание каждой главы, даны сведения об апробации работы и по публикациям включенных в диссертацию материалов.
В первой главе диссертации изложены результаты экспериментальных исследований спектральных особенностей магнитного фонового шума в частотном диапазоне 0.1-
15 Гц.
В разделе 1.1 приводятся данные многалетних наблюдений резонансной структуры спектра (РСС) в магнитных компонентах шума в диапазоне частот 0,1-10 Гц в течение
11-летнего солнечного цикла на среднеширотном пункте «Новая Жизнь» (55,97° N, 45,74° Е). Как известно, к появлению РСС в шуме приводит наличие ионосферного альвеновского резонатора (ИАР), который был впервые экспериментально обнаружен в' 1985 г. при исследовании спектра фонового приземного электромагнитного шума в диапазоне частот 0,1-10 Гц [4, 5]. Центральная часть ИАР приходится на максимум F-слоя, а верхняя граница обусловлена нарушением геометрической оптики для альвеновских волн на спаде концентрации заряженных частиц ионосферной плазмы выше максимума F-слоя (нижняя граница ИАР служит в то же время верхней стенкой волновода Земля—ионосфера). Наличие резонансных условий для альвеновских воли в ионосфере приводит к формированию резонансной структуры спектра (РСС) возбуждаемых разрядами молний электромагнитных волн в полости Земля— ионосфера (высоты 0-100 км) на частотах 0,1-10 Гц. РСС проявляется в глубокой квазигармои и ческой модуляции спектра приземного электромагнитного шума с характерным частотным масштабом ДFk k+l ~ fk+J - fk и глубиной модуляции,
пропорциональной добротности резонатора Ок. В работах [4,5, А1] получены убедительные экспериментальные доказательства существования РСС. В работах
И
[6-8, 10] показано, что учёт влияния ИАР позволяет естественным образом объяснить её основные свойства. Исследования показали, что резонансные условия для альвеновских волн внутри ионосферы однозначно контролируются уровнем солнечной активности. РСС регулярно наблюдаегся в годы минимума солнечной активности и практически не наблюдается в годы максимума солнечной активности. Этот экспериментальный факт основан на анализе наблюдений, выполненных в 1985— 1995 гг. Показано, что учёт влияния ИАР позволяет естественным образом объяснить зависимость параметров РСС от активности Солнца [AI, A3].
В разделе 1.2 приведены результаты экспериментальных исследований особенностей РСС но измерениям в приемных пунктах на разных широтах. Для анализа задействованы данные со среднеширотного пункта «Новая Жизнь» (55.97 °N, 45.74° Е, угол наклона магнитного поля Земли 0 =19°), наблюдательный пункт в полярных широтах «Ловозеро» (68 °N., 35 "Е, в -12°), приемный пуша1 на о. Крит, Греция, 35.15°N, 25.20° Е, 0=39°).
Как показывают результаты наблюдений в «Новой Жизни», резонансная структура спектра магнитного шума на средних широтах - это многообразное явление. Наряду с «правильной» резонансной структурой, которая характеризуется высокой эквидистантностью спектра и идентичной формой осцилляций в обеих компонентах, довольно часто обнаруживаются структуры, в которых трудно выделить один частотный масштаб [А12, А14]. Кроме того, параметры резонансной структуры в компонентах север-юг и восток-запад могут существенно отличаться друг от друга. Обнаружено, что наиболее часто сложная РСС наблюдается в весенние и осенние периоды, когда глубина осцилляций и частотная полоса, в которой регистрируется РСС, являются наибольшими по сравнению с другими сезонами [А21, А22]. Было также обнаружено, что зеркально-симметричные резонансные осцилляции в разных компонентах, как правило, наблюдаются в зимнее время при максимальной активности африканского источника гроз [А20, А25]. В летний период, когда в темное время суток африканский источник проявляет наименьшую активность, наоборот, резонансные осцилляции в компонентах север-юг и восток-запад чаще всего синфазны. Очень информативным явился анализ данных одновременной регистрации на пуншах разных широт «Новая Жизнь» и «Ловозеро». Анализировался характер РСС и вероятность появления РСС за 2006, 2007 г.г. Обнаружено существенное различие в характере РСС на этих пуншах: высокая степень эквидистантности осцилляций на станции
12
- Київ+380960830922