CC BY
16Электромагнитный фон высокочастотного и среднечастотного диапазона в западной сибири
Колесник С.А. serkol@elefot.tsu.ru) (1)(, Колмаков А.А. (kolmakov@elefot.tsu.ru) (2), Топольник С.В. (767-top@elefot.tsu.ru) (2), Шинкевич Б.М. boris@elefot.tsu.ru) (1)(
(1) Сибирский физико-технический институт (2) Томский Государственный университет
Введение
Высокочастотный (ВЧ) и среднечастотный (СЧ) диапазоны играют особую роль в распределении электромагнитной (ЭМ) энергии по частоте в силу следующих обстоятельств. Первое - уровень ЭМ фона в ВЧ и СЧ диапазонах формируется, в основном, за счет антропогенного излучения, которое уже на несколько порядков по величине превосходит уровень фона естественного происхождения. Второе - эти диапазоны является пограничными между участками электромагнитного спектра, для которых ионосферно-магнитосферная плазма либо не оказывает существенного влияния на формирование уровня ЭМ фона, либо является полностью или частично отражающим (поглощающим) экраном, который вносит определяющую роль в процессы формирования уровня ЭМ фона СЧ и более низкочастотных диапазонов, включая его планетарные и региональные особенности.
Таким образом, проблема оценки состояния электромагнитного фона ВЧ и СЧ диапазонов включает в себя в качестве составных частей:
• поиск и изучение характеристик источников полей (в первую очередь антропогенного происхождения);
• анализ механизмов переноса и потерь электромагнитной энергии в околоземном пространстве;
• разработку методов контроля и прогноза пространственно-временного распределения плотности электромагнитной энергии в окружающем пространстве.
1. Основные физические механизмы формирования уровня ЭМ фона
Известно, что ионосферная плазма является своеобразным отражающим экраном для радиоволн земного происхождения, частота которых удовлетворяет условию [1]:
/ ^ /о(1)
где у 0 - угол падения радиоволны на ионосферную плазму (см. рис. 1а), /ор2 - критическая частота области Б2 ионосферной плазмы, равная
/0Р2 = 9 • ю-6,/^ . (2)
В (1), (2)/и/ор2 выражаются в мегагерцах, а электронная концентрация в максимуме Б2-области Итр2 - в электрон/м3.
В зависимости от гелио-геофизических условий, в которых находится ионосферная плазма, /ор2 может изменяться в пределах от 1 до 20 МГц (это стандартный диапазон станций вертикального радиозондирования ионосферной плазмы). Поэтому при вертикальном рас-
пространении радиоволн (уо= 0) частотный диапазон с/>20 МГц будет всегда областью
пропускания, а с / < 1МГц—областью отражения (см. рис. 1б). Это означает, что радиоволны с / > 20 МГц (область пропускания) будут покидать околоземное пространство, практически не оказывая влияния на формирование его электромагнитного фона. С другой стороны, радиоволны с /< 1 МГц (область отражения) будут оставаться в околоземном пространстве, включая область ионосферной плазмы, и должны давать основной вклад в формирование его электромагнитного фона. Область частот 1 - 20 МГц, в зависимости от гелио-геофизических условий, в которых находится ионосферная плазма, может быть полностью или частично либо областью пропускания, либо областью отражения.
1 ю А,м
Рис.1. Области отражения (1), области пропускания (2) и вентильная зона (3) при наклонном падении радиоволны под углом г0 на слой ионосферной плазмы (4) в зависимости от частоты радиоволны / или длины волны X; (5) - земная поверхность.
При наклонном распространении радиоволн ( у 0 ^ 0) частоты отражения смещаются, в соответствии с (1), в высокочастотную область. На рис. 1б эта область обозначена как «вентильная зона». В зависимости от величины/ор2 и у0 вентильная зона перекрывает длины радиоволн от ~3 м до ~300 м.
Аналогичные рассуждения справедливы и для радиоволн космического происхождения. Различие здесь заключается в том, что, если при смещении вентильной зоны вправо (в область более низких частот, см. рис. 1 б) радиоволны земного происхождения получают возможность покидать околоземное пространство (расширяется область пропускания), то радиоволны космического происхождения при этом, наоборот, получают возможность проникать в околоземное пространство. При смещении вентильной зоны влево (в область более высоких частот) картина изменится на обратную. Таким образом, плотность энергии и ее распределение в спектре электромагнитного фона ВЧ диапазона в околоземном пространстве должно определяться состоянием ионосферной плазмы, которая формирует вентильную зону (ее положение).
При данном качественном анализе учитывалось только единственное свойство ионосферной плазмы—способность отражать радиоволны определенных частот. В реальной ситуации картина, безусловно, сложнее.
2. Методика измерений уровня ЭМ фона
Случайный характер уровня радиошумов во времени и по диапазону частот в любой точке приема определяется множеством независимых факторов:
• количеством и характеристиками радиоисточников, одновременно действующих в полосе приема;
• видами передачи информации;
• многолучевостью, связанной с одно- или многократным отражением приходящих радиоволн от ионосферы;
• турбулентностью ионосферы, приводящей к появлению рассеянной компоненты электромагнитного поля.
Традиционные способы измерения параметров электромагнитных полей условно можно разделить на несколько характерных групп, различающихся между собой как целями и задачами, так и методикой проведения измерений и аппаратурным обеспечением.
К первой группе следует отнести измерения в ближней волновой зоне, т.е. в непосредственной близости от излучающего устройства там, где механизмы распространения радиоволн наиболее устойчивы во времени и определяются структурой подстилающей поверхности и расположением местных предметов. Эти измерения, как правило, используются для определения диаграмм направленности антенн и взаимного влияния их элементов друг на друга [2 - 5].
Отдельную группу измерений составляют измерения случайных радиопомех [4, 6], которые проводятся с целью определения статистических свойств радиопомех в различных условиях и предназначены для оптимального использования ресурсов ВЧ участка радиоспектра и развития систем различного назначения, использующих ВЧ канал. При мониторинговом исследовании электромагнитного фона, как одного из физических полей окружающей среды, необходимо регистрировать уровень электромагнитного поля вне зависимости от его происхождения. Поэтому, наиболее приемлемой является методика приема, регистрации и обработки, которая используется при исследовании случайных радиосигналов [4, 6].
В этом случае на произвольной частоте напряжение на входе Ц^) в полосе приема представляет собой сложный случайный процесс и является суммой всех интерферирующих ВЧ сигналов, приходящих от источников радиоизлучения различными путями с кратковременными и длительными изменениями [4]:
и2(1)= II и2и(г), (3)
г=1М 4
где и / : (I) - напряжение у-го луча /-го источника, V - случайное число попадающих в полосу приема радиостанций, п/ - количество лучей, приходящих от /-го источника.
Суммарное напряжение ВЧ сигналов и(^ зависит также от реальной избирательности
измерительного приемника и от линейности всего тракта вплоть до выходного фильтра, которые определяют степень взаимодействия всех ВЧ шумов, попадающих на вход приемника.
Методика измерений случайных радиошумов была подчинена основной задаче—обес-печение мониторинговых исследований уровня ЭМ фона в ВЧ диапазоне с целью выявления вероятностных закономерностей и определения их основных числовых характеристик и подробно представлена в [7]. Для ее решения в Сибирском физико—техническом институте создан измерительно-вычислительный комплекс [7, 9], в состав которого входят:
• приемная антенна (несимметричный вертикальный вибратор);
• радиоприемное устройство («Катран - А» [10]);
• устройство управления на базе персонального компьютера (ПК).
Длительность последовательного опроса всего диапазона частот 1 - 32 МГц с шагом перестройки частоты 5 кГц составляет 620с. Такая длительность опроса накладывает соответствующие ограничения на исследования уровня электромагнитного фона и исключает из последующего анализа кратковременные изменения, которые связаны преимущественно с изменениями путей прихода различных составляющих сигнала в точку приема при многолучевом распространении, с интерференцией между компонентами одного и того же и разных модов, а также с влиянием ионосферной турбулентности малых временных масштабов. Таким образом, регистрируются изменения уровня ВЧ шума с временными масштабами в десятки минут и более.
Систематические измерения уровня электромагнитного загрязнения ведутся в режиме мониторинга, начиная с 1995 года круглосуточно с четырехразовой процедурой измерений в час. Пятнадцатиминутные интервалы выбраны из-за совпадения с временным тактом зондирования на станциях вертикального зондирования ионосферы. Проведение измерений в режиме мониторинга позволило получить временные ряды частотного распределения уровня ЭМ фона с одновременным контролем состояния ионосферы над приемно-измерительным комплексом.
Сложная зависимость суточного хода плотности потока мощности от указанных факторов не позволяет провести анализ закономерностей пространственно-временного распределения уровня ЭМФ только на основе данных мониторинга и требует привлечения методов математического моделирования механизмов переноса электромагнитного излучения в полости Земля - ионосфера с учетом реальных свойств поверхностей, ограничивающих эту полость и реального континуума источников ВЧ излучения [11,12].
Рассмотрим вариации плотности потока мощности ЭМ фона в диапазоне частот от 1 до 31 МГц в зависимости от времени суток и сезона года. Для 1997 года сезонно-суточное распределение плотности потока мощности ЭМ фона создаваемого радиовещательными станциями (жирная кривая) и различными службами связи (тонкая кривая) представлено на рис. 2. Как следует из анализа зарегистрированных данных (см. рис. 2), в любое время года плотность потока мощности излучения радиовещательных станций превосходит на ~10 дБ и более плотность потока мощности излучения других служб, использующих ионосферный канал связи. Минимальные значения плотности потока мощности приходятся на дневные часы, а максимальные - на ночные часы местного времени (ЬТ). Как для радиовещательных станций, так и для других служб связи, суточный ход плотности потока мощности регулируется состоянием канала переноса электромагнитного излучения - ионосферной плазмы, а также пространственным распределением и временным режимом работы реально существующего континуума источников излучения.
3. Обсуждение результатов
Экспериментальные исследования в режиме мониторинга в г.Томске в течение 19951999 г.г. позволили выявить характерные особенности вариаций ЭМ фона в Западной Сибири. За весь период проведения измерений уровня ЭМ фона, независимо от сезона года и времени суток, значения /ор2 по данным Томской ионосферной станции не опускались ниже 3 МГц. Это обстоятельство явилось причиной того, что вариации плотности распределения электромагнитной энергии в диапазоне частот 1 - 7 МГц (с учетом наклонного распространения радиоволн) в основном обусловлены сильным дневным ионосферным поглощением. Во время цикла измерений уровень солнечной активности был невысоким и фактически отсутствовали геомагнитные возмущения. Величина потока мощности солнечного радиоизлучения (Т10,7) варьировалась в пределах ~70 - 100, а К,- индекс, характеризующий планетарную возмущенность геомагнитного поля, только в отдельные часы за все время измерений превышал 3-4. Закономерности вариаций уровня ЭМ фона в диапазоне частот менее 7 МГц радикальным образом отличаются от закономерностей вариаций уровня фона в его высоко-
частотной части (более 10 МГц). Поэтому рассмотрим каждый из поддиапазонов частот отдельно.
мости от времени суток ЬТ и сезона года (1997г).
Диапазон частот от 1 до 7 МГц.
На рис. 3 представлено сезонно-суточное распределение показателя 5 плотности потока мощности Б=105 Вт/(м2 Гц), зарегистрированное в 1997г, в изолиниях (жирной кривой показано положение терминатора в течение всего года). Аналогичные результаты мониторинга ЭМ фона в диапазоне частот 5 - 6 МГц представлены на рис. 4(а). Совместные результаты численных и экспериментальных данных суточного распределения Б для трех сезонов года приведены на рис. 4(б) (жирная кривая - эксперимент, тонкая - численный расчет). Видно,
что в любое время года в диапазоне частот 1 - 7 МГц максимум интенсивности принимаемых радиосигналов приходится на ночные часы, а минимальные значения интенсивности регистрируются в освещенное время суток. При увеличении длительности освещенного времени суток (от зимы к лету) интервал минимальных значений плотности потока мощности (Б= 10-8 ВтДУ Гц)), представленный в таблице, возрастает.
-7.6 -7.8 -8.0 -8.2 -8.4 -8.6 -8.6 -9.0 -9.2 -9.4 -9.6 -9.8
Местное время, час.
Рис.3. Сезонно-суточное изменение распределение показателя 5 плотности потока мощности Б=10д Вт/(м2Гц) (1997г., Дf = (1 ^ 3) МГц).
Уменьшение уровня ЭМ фона в дневные часы связано с увеличением поглощения радиоволн в слое Б днем и маневром по частоте различных служб, использующих ионосферное распространение радиоволн. В ночное время в диапазоне частот 1 - 7 МГц распространение происходит и земным лучом, и за счет отражений от ионосферы. В результате их взаимодействия поле в точке приема не остается постоянным, а изменяется во времени. Это проявляется в увеличении амплитуды и сильной изменчивости поля. Колебания напряженности поля возникают вследствие интерференции нескольких волн, пришедших к месту приема по разным путям. Фаза и амплитуда этих составляющих неустойчивы во времени из-за нерегулярных изменений, происходящих в ионосфере. Наряду с изменением амплитуды и фазы изменяется также ориентация и отношение полуосей эллипса поляризации.
Таблица.
Дf Зима Равноденствие Лето
1 - 3 МГц 9.00 - 18.00 ЬТ 6.00 - 20.00 ЬТ 1.00 - 23.00 ЬТ
5 - 6 МГц 10.00 - 20.00 ЬТ 8.00 - 20.00 ЬТ 5.30 - 21.30 ЬТ
-3.0 -8.5
-9.5
-10,0
-10.5
-11,0
-11,5
-12,0
-12,5
-13.0
-13,5
-14,0
Местное время, час.
Январь
Июнь
Сентябрь
О б 12 13 24
Местное время, час
Рис.4. То же, что на рис.3, но для Дf = (5^6) МГц.
Диапазон частот выше 10 МГц.
В частотном диапазоне выше 10 МГц основной геофизической причиной суточных вариаций является отражение (прохождение) радиоволн от ионосферной плазмы. Для трех частотных диапазонов 9.5-10.5 МГц на рис. 5, 11.5-12.5 МГц на рис. 6 и 17.5-18.5 МГц на рис. 7 представлены аналогичные сезонно - суточные распределения плотности потока мощности Б.
В зимнее время года интенсивность сигналов на частотах, выше 10 МГц, имеет ярко выраженный суточный ход с максимумом в дневное время суток и минимумом (в ряде случаев близком к естественному фону) ночью. В дневное время радиосигналы регистрируются на частотах до 25 МГц, распространение которых осуществляется посредством отражения от ионосферной плазмы.
-7.6 — 7,6 -8,0 -3.2 -8.4 -8,6 -а 8
-9 О -9 2 -9.4 -9.6
6 9 12 15 1В 21
Местное время, час.
б)
-н
"в
со
Рч"
Январь
12 13 24
Июнь
12 18 24
Сентябрь
Местное время, час
Рис.5. То же, что на рис.3, но для Дf = (9.5^10.5) МГц.
В период равноденствия картина суточно-частотного распределения качественно остается такой же, но максимальные значения принимаемых частот понижаются до 18 - 21 МГц. В ночное время суток интенсивность радиосигналов на частотах выше 18 МГц незначительно превосходит естественный фон только в предвосходные часы (4 - 6 ЬТ).Наиболее слабо суточно - частотный ход выражен в летнее время, когда практически в любое время суток регистрируются радиосигналы на частотах до 18 МГц, и только в послеполуденные часы регистрируется повышение уровня электромагнитного фона на частотах до 21 МГц. В это же время года на частотах 10 - 12 МГц в дневные часы наблюдается минимум интенсивности, связанный с ионосферным поглощением радиоволн. Необходимо заметить, что скорость изменения электронной концентрации в Б области ионосферы в утренние часы приблизительно в 3 раза больше, чем в вечерние. Это иллюстрируется рис. 7, где пунктирной кривой показано, как должен приблизительно быть расположен терминатор относительно реального, если бы процессы ионизации в восходные и заходные часы были индентичны. Видно, что на восходе сдвиг терминатора составляет ~1 час, а на заходе около 2.5 - 3 часов.
-7,4 -7,6 -7.8 -5,0 -8.2 -В.4 -8.6 -3.3 -9.0 -9.2 -9,4 -9.6 — 9.0
12 15 Местное время, час.
б) Сентябрь
Январь Июнь
1Е-7-1 1Е-7-1 1Е-7-1
1Е-8- 1Е-8 М /Г
Р-н [ \ Л> д/кг
£ 1Е-8-
н Л 1Е-9- 1Е-9 ЧД
Ры
6 12 18 24 6 12 18 24 6 12 18 24
Местное время, час
Рис.6. То же, что на рис.3, но для Дf = (11.5^12.5) МГц.
Результаты математического моделирования позволили выявить преимущественные направления переноса радиоизлучения в конкретный регион для верхней части ВЧ диапазона (10 - 30 МГц). Например, в дневное время суток в Сибирский регион основной поток радиоизлучения переносится от радиоцентров, расположенных западнее, а для Северной Америки уровень ЭМ фона формируется сетью радиостанций, расположенных восточнее (в Европе).
Заключение
В результате проведения работы были получены количественные оценки уровня электромагнитного фона в полосах частот, отведенных для радиовещания и других служб связи, в зависимости от сезона года и времени суток.
Сравнительный анализ экспериментальных данных с модельными расчетами позволил установить, что формирование уровня электромагнитного поля в СЧ и ВЧ диапазонах определяется в основном состоянием ионосферной плазмы (временное распределение критических частот Б2 области и эффективных частот электронных соударений в нижней части ионосферы).
Местное время, час.
б) 1Е-7-1 Январь 1Е-7- Июнь 1Е-7-1 Сентябрь 1 к гг
1? и 1Е-8 1Е-8- \л Г
£ \т 1Е-& \ Л /
н я 1Е-9 ¿>Ы<7 \ 1Е-9- 41V Щ I
Еы IV
6 12 18 24 6 12 18 24 6 12 18 24
Местное время, час
Рис.7. То же, что на рис.3, но для Дf = (17.5^18.5) МГц.
Работа выполнена при поддержки гранта РФФИ №01-05-65315.
Литература
1. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. М.: Наука.1988. 527с.
2. Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М. и др. Коротковолновые антенны. Радио и связь. 1985. 535с.
3. Кашпровский В.Е. Экспериментальное исследование распространения радиоволн. М.: Наука. 1980. 151с.
4. Комарович В.Ф., Сосунов В.Н. Случайные радиопомехи и надежность КВ связи. М.: Связь. 1977. 135с.
5. Васьков В.В., Комраков Г.П., Ораевский В.Н., Прутенский И.С., Пулинец С.А., Кирага А., Клос З. Возникновение плазменных шумов при воздействии мощной радиоволны на Б-слой ионосферы по данным спутника "АПЭКС"// Геомагнетизм и аэрономия. 1995. Т.35. №1. С.154-158.
6. Хмельницкий Е.А. Оценка реальной помехо-защищенности приема сигналов в КВ диапазоне. М.: Связь. 1975. 232с.
7. Региональный мониторинг атмосферы. Часть 3. Уникальные измерительные комплексы / Под ред. М.В.Кабанова. СО РАН. Томск: 1998. 239с.
8. Белов В. А., Колесник А.Г., Колесник С.А. и др. Измерительно-вычислительный комплекс для экологического мониторинга электромагнитных полей в окружающей среде // Международн. конф. по физике солнечно-земных связей. Тез. докл. Алматы: 1994. С. 76.
9. Kolesnik A.G., Kolesnik S.A., Nagorsky P.M., Shinkevich B.M. Radiotechnical Complex for Remote Diagnostics of Lower Ionosphere Parameters // The Scientif. Conf. on Use of Research Conversion Results in the Siberian Institutions of Higher Education for Intern. Cooperation (Sibconvers'95). Tomsk: 1995. P. 17-18.
10. Устройство радиоприемное Р-399А. Техническое описание.
11. Колесник А.Г., Колесник С. А., Нагорский П.М. Роль ионосферной плазмы в формировании электромагнитного поля КВ - диапазона в окружающей среде// Изв. ВУЗ'ов Физика. 1996. №10. С. 16-23.
12. Колесник А.Г., Колесник С. А., Нагорский П.М. Электромагнитное загрязнение окружающей среды в коротковолновом радиодиапазоне при различных уровнях солнечной активности// Геомагнетизм и аэрономия. 1996. №6. С.59-66.
