CC BY
73
УДК 551.594
КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ПОТОКОВ СВИСТЯЩИХ АТМОСФЕРИКОВ И ГРОЗОВЫХ РАЗРЯДОВ
Н.В. Чернева1, Г.М. Водинчар1, 2, В.П. Сивоконь1, А.Н.Мельников1, Д.В. Санников1, И.В.Агранат1
1 Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, 684034, Камчатский край, п. Паратунка, ул. Мирная, 7
2 Камчатский государственный университет имени Витуса Беринга, 683032, г. Петропавловск-Камчатский, ул. Пограничная, 4
E-mail: [email protected]
Исследована статистическая связь между вистлерами, регистрируемыми на Камчатке, и грозовой активностью в магнитно-сопряженной точке. Проанализирована возможность влияния на поток вистлеров нагревного стенда HAARP.
Ключевые слова: атмосферики, вистлеры, ОНЧ-излучение, модификация ионосферы
(с) Чернева Н.В. и др., 2013
MSC 86M0
CORRELATION ANALYSIS OF STREAMS OF WHISTLERS AND
LIGHTNINGS
N.V. Cherneva1, G.M. Vodinchar1, 2, V.P. Sivokon’1,
A.N. Mel’nikov1, D.V. Sannikov1, I.V. Agranat1
1 Institute of Cosmophysical Researches and Radio Wave Propagation Far-Eastern Branch, Russian Academy of Sciences, 684034, Kamchatskiy Kray, Paratunka, Mirnaya st., 7, Russia
2 Vitus Bering Kamchatka State University, 683031, Petropavlovsk-Kamchatsky, Pogranichnaya st., 4, Russia
E-mail: [email protected]
The sttatistical relationship between whistlers in Kamchatka and thunderstorm activity was studied. Possibility of impact HAARP on stream of whistlers analyzed.
Key words: atmospherics, whistlers, VLF radiation, modification of the ionosphere.
(c) Cherneva N.V. et al., 2013
Введение
Грозовые разряды, являясь источниками импульсных электромагнитных сигналов, порождают электромагнитное излучение в очень широком диапазоне частот, в том числе и в радиодиапазоне очень низких частот (ОНЧ). Радиоимпульсы грозовых разрядов, называемые атмосфериками, распространяются вдоль поверхности Земли по радиоволноводу земля-ионосфера и могут через ионосферу проникать в магнитосферные радиоволноводы (дакты) и вдоль силовых линий геомагнитного поля распространятся в магнитно-сопряженные точки (рис. 1).
Рис. 1. Расчетные траектории вистлеров (сплошные кривые) и силовые линии геомагнитного поля (пунктирные линии) из работы [1]
Радиосигналы грозовых разрядов, прошедшие через магнитосферу, диспергируют, и в пункт регистрации наблюдается понижающийся по частоте сигнал. Акустическим аналогом таких сигналов является свист, поэтому их называют свистящими атмосфериками или вистлерами (whistlers) [1]. Связь формы вистлеров с плотностью магнитосферной плазмы позволяет определять ее состояние, а отражения вистлеров в волноводе позволяют исследовать его неоднородности. Эти особенности радиосигналов используются при разработке дистанционных методов исследования динамики магнитосферы, которая рассматривается как система космической погоды. Исследование вистлеров имеет большое значение и для изучения особенностей грозовой активности, электромагнитных шумов атмосферы и взаимодействия нижних и верхних ее слоев.
Аппаратная и методическая организация наблюдений
Для регистрации атмосфериков создана Всемирная сеть локализации гроз World Wide Lightning Location Network (WWLLN, R.H. Holzworth, а для детектирования вистлеров - Automatic Whistler Detector and Analyzer systems’ network (AWDANet, J. Lichtenberger). В Институте космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН (ИКИР)под руководством разработчиков этих систем изготовлены и установлены приемные станции, интегрированные в обе сети. Кроме
этого, ИКИР имеет две системы радионаблюдений собственной разработки: ОНЧ-пеленгатор для локации атмосфериков и ОНЧ-регистратор для определения вистле-ров.
ИКИР непрерывно осуществляет пеленгацию гроз, что позволяет определять координаты источника грозового импульса, а также регистрировать частоту разрядов в определенном районе и по всей Земле, с помощью приемной станции, входящей во Всемирную сеть WWLLN. Сеть включает около 80-ти приёмных станций, определяющих местонахождение гроз по всему миру, находящихся на парных расстояниях от нескольких метров до 10 тыс. км. Размещение станций мировой сети показано на сайте http://webflash.ess.washington.edu/. Приёмные станции регистрируют излучения, приходящие по волноводу Земля-ионосфера, с максимумом на частоте 10 кГц (длина волны 30 км). Для локализации грозы достаточно трех приёмных станций, окружающих грозу. Каждая из этих станций посылает в центральный обрабатывающий компьютер с точностью до нескольких микросекунд время прибытия радиоимпульса грозового разряда (атмосферика) и уже через 10 минут спектрограммы с этих станций обновляются на http://webflash.ess.washington.edu/spectra.html.
Для определений характеристик вистлеров создана AWDANet, которая в комплексе с WWLLN позволяет проследить пути движения зондирующих радиосигналов и исключить возникающие неоднозначности в их распространении. Сеть AWDANet [2] была недавно расширена дальневосточной станцией Карымшина, Камчатка, Россия (LAT 52.83, LON 158.13, L=2.13). Активность вистлеров необычно высокая, самая высокая в сети AWDANet, в отличие от Европейских станций. За первых пять месяцев работы было зарегистрировано более 200000 вистлеров. Глобальная система AWDANet недавно была дополнена включением в нее автоматического анализатора PLASMON (http://plasmon.elte.hu). Он основан на недавно разработанной модели инверсии вистлеров [3], что позволило автоматизировать процесс анализа вистлеров не только для событий с приходом одного вистлера, но и для комплексного анализа многокомпонентного распространения групп вистлеров.
В ИКИР разработан алгоритм автоматического распознавания вистлеров [4]-[5]. Работа детектора в данном алгоритме основывается на двумерной корреляции спектра исходного сигнала и спектра сигнала-эталона. Необходимо отметить, что имеющаяся аппаратура не позволяет регистрировать носовую частоту, но диапазон частот от 2.5 ^ 7 кГц может быть полезным для статистического анализа, т.к. захватывает часть вистлера, и в тоже время является наименее зашумленным. Моделирование сигнала-эталона происходит в результате аппроксимации пика атмосферика в текущий момент времени функцией, соответствующей плотности нормального распределения и аппроксимации зависимости частоты от времени экспоненциальной функцией. Система, основанная на этом методе, состоит из детектора и решающего фактора - адаптивного порога. Детектор выполняет двумерную корреляцию спектра фрагмента сигнала длительностью 4 секунды и смоделированного идеального спектра. Адаптивный порог представляет некоторую усредненную величину, при превышении «нормального уровня» которого формируется вывод о том, что в сигнале присутствует вистлер. Необходимо отметить, что большую погрешность (до 50% ложных срабатываний) вносят атмосферики (грозовые разряды), которые видны в спектре как вертикальные линии. Для уменьшения их влияния на результат вводятся дополнительные процедуры, выполняемые по превышению порога:
1) Выполняется проверка, на сколько процентов превышен порог. Если это превышение не достигает заданного пользователем значения (10^ 15%), формируется сигнал «0» (нет вистлера).
2) Выполняется проверка, в течение какого времени наблюдалось превышение над порогом. Поскольку длительность вистлера находится в пределах 0.5^2 сек., то свистящий атмосферик определяется тем, как длительность сигнала укладывается в эти пределы.
3) После обработки 4-х секундного фрагмента детектор обрабатывает следующий фрагмент, сдвинутый относительно предыдущего на 0.2 секунды, за счет чего происходит дополнительное уточнение результата.
Визуальный анализ связи вистлеров и грозовой активности
Полученные промежуточные результаты автоматического детектирования свистящих атмосфериков были сопоставлены с данными сети WWLLN. Был проведен визуальный сравнительный анализ гистограмм потока распознанных вистлеров на Камчатке и потоков грозовых разрядов на Камчатке и в магнитно-сопряженной для Камчатки точке в Австралии. Было обнаружено, что грозовые разряды, генерирующие атмосферики в магнито-сопряженной точке, не всегда имеют высокую корреляцию с количеством зарегистрированных на Камчатке вистлеров, число которых достигает нескольких тысяч в течение суток. Возможно, что молниевые удары генерируют свистящие атмосферики, которые распространяются в волноводе Земля-ионосфера, даже если грозовой очаг находится на значительном расстоянии от сопряженной точки.
При сравнении потока вистлеров с грозовой активностью с 01:30 по 08:12 UT 22.02.2012 было обнаружено увеличение потока вистлеров с увеличением грозовой активности в сопряженной точке (рис. 2а).
а) 22.02.2012 б) 02.05.2012
04:00 08 00 12:00 18:00 20:00 24:00 04:00 08:00 12:00 18Л0 20:00 24:00
time. UT lime. UT
Рис. 2. Сравнение потока вистлеров (число вистлеров/15 минут) с грозовой активностью (число атмосфериков/час) в сопряженных точках за 22.02.2012 г. и 02.05.2012 г.
Можно сделать вывод о том, что изменение потока вистлеров в основном определяется грозовой активностью в сопряженной точке. Однако при более детальном рассмотрении был получен другой результат (рис. 3).
Рис. 3. Сравнение потока вистлеров (число вистлеров/15 минут) с мировой грозовой активностью (число атмосфериков/час) и грозовой активностью в сопряженных точках (Австралия, Камчатка) за 10.02.2012 г. и 17.02.2012 г.
Принимая во внимание среду распространения вистлеров (ионосфера, магнитосфера, ионосфера) и их связь с грозовыми разрядами, можно предположить, что антропогенное воздействие на ионосферу также может повлечь за собой рост числа вистлеров. Поскольку активное воздействие на ионосферу оказывает американский нагревный стенд система HAARP (High Frequency Active Auroral Research Program), возникает гипотеза о связи результатов работы этой системы и динамики появления вистлеров.
Для проверки были сопоставлены спектрограмма процесса нагревания ионосферы антеннами HAARP с количеством вистлеров. Результаты представлены на рис. 4a.
HAARP Spectrum Monitor
■* ^
04;00 00 00 1200 1600 20;00 24;00 04.00 08.00 12:00 16:00 20.00 24 00
Рис. 4. Сопоставление спектрограммы нагревания ионосферы антеннами HAARP и изменение потока вистлеров (число вистлеров/15 минут) в течение 22.02.2012 г.
Верхний график - спектрограмма процесса нагрева ионосферы в течение суток, нижний график - изменение числа вистлеров в течение суток. Заметна связь после длительного нагревного воздействия на ионосферу во время работы HAARP (с 01:30 до 0B:12 UT 22.02.2012), наблюдается увеличение потока вистлеров (числа вистлеров за 15 минут). Однако для того чтобы более точно установить такую связь, необходимо обработать большой промежуток времени, провести анализ зависимости вистлеров в сопоставлении с изменением грозовой активности.
В целях дальнейших исследований проанализирован весь промежуток времени работы HAARP за 2012 год, и проведено сопоставление с грозовой активностью в сопряженных точках, а за февраль месяц и в сравнении с общемировой грозовой активностью. Обнаружено, что в большинстве случаев увеличение числа вистлеров, все таки, имеет прямую связь с увеличением грозовой активности (рис. 2a, 2б). Но в некоторых случаях после длительного воздействия на ионосферу нагревными частотами эта зависимость перестает быть очевидной, а во время работы HAARP наблюдается резкое уменьшение регистрации числа вистлеров, не зависимо от грозовой активности. На рис. 4б представлено, как уменьшение в момент проведения экспериментов, так и прямая связь с увеличением грозовой активности в сопряженной точке.
Корреляционный анализ потоков грозовых разрядов и вистлеров
В целях проверки статистической значимости визуально наблюдаемых связей анализировались корреляционные связи двух точечных процессов - потока грозовых разрядов (атмосфериков) по данным всемирной сети локации гроз WWLLN и потока вистлеров, регистрируемых на Камчатке в ИКИР в течение 1-11 марта 2013 г. Каждый поток был представлен интенсивностью - числом событий в 15 мин интервале дискретизации.
Как уже упоминалось выше, механизм формирования вистлеров позволяет ожидать на Камчатке регистрации двух типов этих сигналов. Это вистлеры, сгенерированные разрядами в магнитно-сопряженной точке в Австралии и пришедшие из нее через силовую трубку магнитного поля, и вистлеры, сгенерированные камчатскими грозами и прошедшие через эту трубку четное число раз. При этом вистлеры австралийского происхождения также могут неоднократно (нечетное число раз) проходить через трубку.
В связи с этим из базы данных сети WWLLN отбирались разряды, возникавшие в координатных прямоугольниках LAT 25S-45S, LON 140E-160E (Австралия) и LAT 43N-63N, LON 150E-170E (Камчатка). Рассматривалась корреляция потока вис-тлеров с потоками камчатских и австралийских грозовых разрядов по-отдельности и с объединенным потоком. Сопоставление потоков производилось визуально и с помощью расчета коэффициента корреляции в скользящем временном окне, длительностью 1 сут. Каждому положению окна при этом соответствуют 96 отсчетов времени. При оценке коэффициента корреляции p по такому числу отсчетов вывод о коррелированности при уровне значимости а = 0.05 можно делать при p > 0.25 [5].
На рис. 5 приведены интенсивности потоков грозовых разрядов Австралии и зарегистрированных на Камчатке вистлеров и коэффициент корреляции между ними.
На графике корреляции (рис. 5) отмечен критический уровень p = 0.25. На аналогичном рис. 6 представлены Камчатские атмосферики и вистлеры.
На графиках корреляции на рис. 5 и 6 отмечены периоды длительных непрерывных нагревов и «простоев» HAARP. На уровне -0.8 горизонтальными сплошными линиями отмечены промежутки непрерывного длительного (>10 часов) нагрева, а пунктирными — промежутки, когда HAARP не работал более 10 часов.
Из рисунков хорошо виден отклик потока вистлеров на сильную грозу в Австралии 6:00-12:00 UT 06.03.2013 и на более слабые 6:00-23:00 UT 05.06.2013, 6:00-12:00 UT 07.03.2013, 6:00-12:00 UT 10.03.2013. Виден и отклик на камчатские грозы 1B:00-24:00 UT 0B.03.2013, B:00-19:00 UT 09.03.2013. Таким образом, в основном, вистлеры на Камчатке формируются грозовыми очагами в Австралии и Камчатскими грозами.
В то же время отметим всплеск вистлеров 6:00-10:00 UT 11.03.2013 произошедший несколько раньше слабой грозы на Камчатке (11:00 UT, рис. 3). Видимо его возникновение можно объяснить дрейфом вистлеров из других силовых трубок. Похожая ситуация была и со всплесками вистлеров 7:00-20:00 UT 02.03.2013, однако следует отметить, что это совпало с промежутком длительной работы HAARP. Поэтому возможно, что данный всплеск связан с работой нагревного стенда.
Рис. 5. Интенсивности атмосфериков Австралии и вистлеров Камчатки в период 1-12 марта 2013 г.
Заключение
Сильные увеличения коэффициента корреляции между потоками вистлеров и ат-мосфериков возникают, когда в пределы скользящего окна попадают резкие выбросы либо в потоке вистлеров, либо в потоке гроз. Это можно объяснить большой чувствительностью этой статистической характеристики, как и любой другой, основанной на расчете средних значений, к сильным выбросам в данных. В целом, следует признать, что применение аппарата корреляционного анализа не дало статистически значимого подтверждения связи потока вистлеров на Камчатке с активностью грозового очага Австралии. Вероятно, потребуются статистические характеристики малочувствительные к выбросам, основанные на квантильных значениях.
Работа выполнена при поддержке программы Президиума РАН 12-ЬП4-05 «Обнаружение изменений климатообразующих характеристик на основе мониторинга вариаций геофизических полей», программе ОФН РАН 12-ЬОФН-15 «Научное обоснование и разработка технологии комплексного мониторинга эффективности воздействия мощными радиоволнами на ионосферу и плазмосферу Земли» и Минобрнауки России по Программе стратегического развития КамГУ им. Витуса Беринга на 20122016 гг.
Библиографический список
1. Гершман Б.Н., Угаров В.А. Распространение и генерация низкочастотных электромагнитных волн в верхней атмосфере // Успехи физических наук. 1960. Т. 72. № 2. С. 235-271.
Молнии, Камчатка
40 -ВО -20 -10 -
35
ВО
25
20
15
10
5
О
0,8
0,6
0,4
0,2
О
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
-1
Рис.
01-12 марта 2013 г.
2. Lichtenberger J., Ferencz C., Bodnar L., Hamar D., Steinbach P. Automatic Whistler Detector and Analyzer system: Automatic Whistler Detector // Journal of Geophysical Research: Space Physics.
2008. Vol. 113 № A12. D0I:10.1029/2008JA013467. URL: http://dx.doi.org/10.1029/
2008JA013467
3. Lichtenberger J. A new whistler inversion method // Journal of Geophysical Research: Space Physics.
2009. Vol. 114. № A7. D0I:10.1029/2008JA013799. URL: http://dx.doi.org/10.1029/
2008JA013799
4. Чернева Н. В., Агранат И.В. Автоматическое детектирование свистящих атмосфериков и их сопоставление с грозовой активностью // VII Всероссийская конференция по атмосферному электричеству: сб. трудов. T. 2, Санкт-Петербург, 24-28 сентября 2012 г./ ГГО им. А.И. Воейкова. Санкт-Петербург, 2012. 49 с. С. 45-46.
5. Cherneva N.V., Sivokon’ V.P., Agranat I.V. Spectral characteristics of whistlers // Problems of Geocosmos: Proc. of the 9th Int. Conf., St. Petersburg, October 8-12, 2012. / St. Petersburg State University. SPb, 2012. 451 p. P. 212-217.
6. URL: http://nova.stanford.edu/vlf/research_topics/raytracing/raytracing.mp4
7. Справочник по теории вероятностей и математической статистике / В.С. Королюк и др. М.: Наука, 1985. 640 c.
Поступила в редакцию / 0riginal article submitted: 20.10.2013
6. Интенсивности атмосфериков и вистлеров Камчатки в период
