CC BY
21
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 537(874.37+877), 621(3.029.42+372.81.09)
НЕМОНОТОННАЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ КОНТРОЛИРУЕМОГО НАЗЕМНОГО КНЧ-ИСТОЧНИКА В ДНЕВНОЕ ВРЕМЯ*
Е. Д. Терещенко, А. Е. Сидоренко, В. Ф. Григорьев, П. Е. Терещенко
ФГБНУ Полярный геофизический институт
Аннотация
Представлены результаты эксперимента по генерации электромагнитных полей крайне низкочастотного диапазона и их синхронному приему в двух удаленных пунктах — на расстояниях 760 и 900 км от источника. Обнаружена немонотонная зависимость амплитуды поля от частоты в дневных условиях. Это не согласуется с существующими теориями распространения волн данного диапазона, допускающими возможность возникновения осцилляций амплитуды поля как функции частоты на расстояниях от источника, не превышающих 1000 км, только для ночных моделей ионосферы. Ключевые слова:
крайне низкие частоты, ионосфера, контролируемый источник.
NON-MONOTONIC AMPLITUDE-FREQUENCY DEPENDENCE OF ELF MAGNETIC FIELD EXCITED BY GROUND-BASED CONTROLLED SOURCE IN DAYLIGHT CONDITIONS
Eugene D. Tereshchenko, Anton E. Sidorenko, Valery F. Grigoriev, Paul E. Tereshchenko
Polar Geophysical Institute
Abstract
The paper presents new empirical results on the ELF electromagnetic waves propagation. The experimental work was carried out by using the ground-based transmitter/receivers equipment designed at PGI of the KSC of the RAS. The simultaneously field measurements were accomplished in daylight conditions at two points on distances of about 750 km and 900 km from the source respectively. At both of these in the frequency range 3-33 Hz the similar substantially non-monotonic field amplitude was found. For relatively small distances from the source (~1000 km) the ELF propagation theory and existing ionospheric models predict the presence of amplitude oscillations in the nighttime. In addition, they forecast a simpler monotonic frequency dependence in daylight conditions. New results obtained in the narrow frequency mesh showed the presence of oscillations of the field in the daytime, which is inconsistent with existing understandings.
Keywords:
extremely low frequencies, Ionosphere; controlled electromagnetic source.
Введение
Основные теоретические и экспериментальные сведения о распространении электромагнитных волн в диапазоне частот 3-300 Гц в полости Земля-ионосфера отражены в монографиях [1-3] и многочисленных статьях, вышедших в течение последних десятилетий, в числе которых можно привести работы [2-8].
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 15-05-02437-«A»).
В связи с глубоким проникновением волн крайне низкочастотного диапазона (КНЧ, 3-30 Гц) в толщу земли и ионосферу эти среды, как правило, уже нельзя считать однородными и изотропными (в особенности ионосферу, приобретающую гиротропию), что обусловливает многие специфические особенности данного диапазона частот.
Для исследования распространения радиоволн в данном диапазоне очевидные преимущества имеет использование контролируемых источников поля. При этом в настоящее время экспериментальных работ с использованием таких источников было проведено мало, они носили эпизодический характер, что позволило лишь качественно подтвердить основные теоретические особенности поведения КНЧ-поля в волноводе Земля-ионосфера. Для получения новых экспериментальных данных в КНЧ-диапазоне в мае 2014 г. был проведен эксперимент по генерации и приему квазимонохроматических полей на 18 частотах от 3 до 33 Гц приемно-передающим комплексом, разработанным в ПГИ.
Аппаратура и методика эксперимента
Формирование сигнала в диапазоне 3-30 Гц производилось мобильным генератором мощностью 200 кВт, разработанным в 111И на базе повышающего преобразователя и системы энергопередачи генератора «Энергия-2» для электромагнитных зондирований [9]. Антенна в виде горизонтального заземленного электрического диполя имела длину 60 км и была ориентирована вдоль географической широты [10]. Амплитуда силы тока в антенне составляла 100-110 А. Структурная схема источника излучения представлена на рис. 1.
Необходимая величина тока в антенне на частотах выше единиц герц обеспечивалась согласующим устройством, которое компенсирует индуктивную составляющую полного сопротивления линии на частотах, когда реактивное сопротивление линии начинает ограничивать силу тока в антенне [11].
Рис. 1. Структурная схема источника излучения. Условные обозначения: ТСН п/с — трансформатор собственных нужд подстанции; 1111 — повышающий преобразователь; ВВ — высоковольтный выпрямитель; ВИ — высоковольтный инвертор; СУ — согласующее устройство; БФСУ — блок формирования сигналов управления; ПУиИ — пульт управления и индикации
Сетевое напряжение промышленной трехфазной сети напряжением 380 В и частотой 50 Гц подается на повышающий преобразователь, который обеспечивает гальваническую развязку от промышленной сети и повышает напряжение до 920 В. Далее это переменное напряжение поступает на высоковольтный выпрямитель, формирующий на выходе постоянное
напряжение величиной 1,3 кВ. Это напряжение поступает на высоковольтный инвертор, который методом широтно-импульсной модуляции формирует в антенне ток необходимой формы, амплитуды и частоты.
Формирование необходимых управляющих сигналов для всех блоков источника экстремально низкочастотного диапазона (ЭНЧ), анализ информации, поступающей с различных датчиков и цепей контроля, а также управление различными устройствами автоматики и защит осуществляются блоком формирования сигналов управления. Для управления режимами работы источника ЭНЧ, задания выходных параметров сигнала и визуального контроля этих параметров оператором служит выносной пульт управления и индикации.
Для обеспечения мобильности передающей установки генератор и согласующее устройство размещены в фургоне ГАЗ-33081.
Прием электромагнитного поля осуществляется разработанными в ПГИ индукционными датчиками с сердечником из аморфного железа длиной 490 мм и диаметром 66 мм, с количеством витков медного провода 6-105. Собственный шум датчика составляет не более 50 фТл/Гц12 — на частоте 1 Гц и не более 10 фТл/Гц12 — на частоте 100 Гц. Идентичность амплитудных и фазовых характеристик датчиков достигается единой технологией их изготовления и применением одинаковых деталей. Для достижения максимальной точности измерений магнитного поля датчики калибруются в одинаковых внешних условиях до и после проведения эксперимента.
Точность установки индукционных магнитометров в точках измерения достигается размещением датчиков в разработанных в ПГИ обоймах, которые обеспечивают ортогональность датчиков и задают их ориентацию в пространстве, а также устраняют взаимное воздействие магнитного поля [12]. Обойма в точке измерений устанавливается в горизонтальной плоскости по встроенным уровням и ориентируется по буссоли. Для учета локальных аномалий геомагнитного поля, влияющих на ориентацию датчиков при установке, в точке измерений определяется магнитное склонение. Побочные факторы неэлектрического происхождения в точках измерения (ветер, дождь, сейсмические возмущения и др.) устраняются размещением обоймы с датчиками в закрытой яме.
Синхронность цифровых измерений тока в антенне и магнитного поля обеспечивалась привязкой данных ко времени UT по сигналам СНС ГЛОНАСС/GPS с погрешностью не более 1 мкс [13]. Аналоговые сигналы оцифровывались 22-битным АЦП с частотой дискретизации 512 Гц.
В ходе эксперимента 22 мая 2014 г. было проведено два сеанса генерации сигналов на 18 частотах от 3 до 33 Гц — по 15 мин на каждой частоте: 8:30-13:00 UT и 13:20-17:50 UT. Измерения магнитного поля выполнялись в двух пунктах: в пригороде г. Петрозаводска (Республика Карелия) — на удалении 765 км от источника и в д. Сторожно (Ленинградская обл.) — на удалении 915 км. Прием сигнала осуществлялся с помощью аналогичных 3 -компонентных индукционных магнитометров. Два горизонтальных датчика ориентировались ортогонально по стрелке магнитной буссоли: HS-N — в направлении на магнитный север, HW-E — на запад, третий датчик HZ — устанавливался вертикально.
В полярной системе координат, связанной с излучающим диполем (рис. 2), угловые координаты обоих приемных пунктов оказались близки по модулю к п/2, поэтому поле в этих точках имеет фактически только радиальную составляющую, образующую угол приблизительно 10° с осью индукционного датчика HS-N. В связи с этим измеряемое поле практически совпадает с единственной измеренной компонентой HS-N (cos 10° ~ 0,98). Из-за объективно низкого соотношения сигнал/шум не удалось надежно выделить составляющую поля HW-E.
Рис. 2. Карта-схема области проведения эксперимента
Обработка данных
Амплитуда полезного монохроматического сигнала определялась на основе оценки средней спектральной плотности мощности (СПМ) в окрестности рабочей частоты. Поскольку полезный сигнал измеряется в присутствии естественного фонового шума, то при статистической независимости их мощности складываются. Оценка измеряемой СПМ выполнялась методом усредненных пересекающихся периодограмм Уэлча с окном Хэмминга, дополненного определением границ доверительных интервалов [14].
Продолжительность каждого временного промежутка Т0, содержащего полезный сигнал, составляла 900 с. В зависимости от частоты сигнала при обработке по методу Уэлча задавалась различная длительность временных окон (с перекрытием 50 %): от Т0/4 — на низких частотах до Т0/16 — на высоких. Таким образом, каждое отдельное временное окно содержало не менее нескольких сотен периодов полезного монохроматического сигнала.
В полученной СПМ симметрично относительно рабочей частоты выбирались две области шириной 0,5-2 Гц, внутри которых производилось усреднение СПМ фонового шума и определялись доверительные интервалы. Определив таким образом среднюю мощность аддитивной смеси полезного сигнала с шумом и интервальную оценку средней мощности шума вблизи рабочей частоты, мы оценивали мощность полезного сигнала. Доверительная вероятность в статистических расчетах была принята равной 0,8. На заключительном этапе обработки полученные оценки мощности полезного сигнала пересчитывались в соответствующие значения амплитуды с учетом коэффициентов, определенных при калибровке.
Результаты и обсуждение
Полученные после обработки результаты измерений нормировались на ток в антенне. Результаты измерений горизонтальной компоненты Изм в приемных пунктах Петрозаводск и Сторожно, приведенные к силе тока 1 А, представлены на рис. 3. Измерения в Сторожно во время второго сеанса (рис. 3, d) на частотах ниже 5 Гц по техническим причинам провести не удалось.
Рис. 3. Измеренные в эксперименте амплитуды компоненты Из-м магнитного поля
Как видно на приведенных графиках, в среднем поведение поля имеет убывающий тренд. Учитывая величины полученных доверительных интервалов на рис. 3, а и Ь, можно утверждать, что наблюдаемая в первом (дневном) сеансе немонотонная зависимость амплитуды поля от частоты в области 5-8 Гц является значимой на фоне общего хода кривой. Немонотонный характер зависимости полностью повторяется в измерениях в двух удаленных точках Сторожно и Петрозаводск, что повышает надежность обнаружения этой особенности. Второй (вечерний) сеанс измерений представлен на рис. 3, с и d. Видно, что в вечерние часы доверительные интервалы измеряемых амплитуд уменьшились, при этом в обоих пунктах наблюдаются сходные значимые осцилляции амплитуды принятого сигнала. По величине и структуре эти вариации отличаются от тех, что наблюдались в дневном сеансе, и могут быть объяснены существующими представлениями о влиянии ионосферы на распространение КНЧ в ночное время.
Во время проведения эксперимента геомагнитная обстановка оставалась достаточно спокойной: планетарный индекс Кр не превышал 3 единиц. В таких условиях появление нерегулярных ионосферных неоднородностей маловероятно. Учитывая также, что удаление точек измерений от источника до приемника не превышает 1000 км, наблюдаемая существенная вариация амплитуды не может быть вызвана интерференцией прямой и обратной волн по типу шумановского резонанса.
Вероятный механизм возникновения вариаций амплитуды может быть связан с влиянием внешней ионосферы. В средних широтах дневная нижняя ионосфера на высотах 40-100 км, как показывает модель 1Ы-2007, непрозрачна для КНЧ-волн. Вследствие этого получается монотонная зависимость ионосферного импеданса и амплитуды поля в волноводе от частоты.
В высоких широтах, где располагался источник излучения и частично проходила трасса распространения волн, даже в дневное время, согласно данным спутниковой томографии, наблюдается пониженная концентрация электронов — главный ионосферный провал. Это создает условия для просачивания волн во внешнюю ионосферу, участвующую в формировании импеданса, и приводит к немонотонной зависимости амплитуды тангенциального поля от частоты.
Выводы
В представленном эксперименте впервые было обнаружено отличное от теоретических представлений поведение КНЧ-поля искусственного контролируемого источника в дневных условиях. Установлено, что в дневное время возможен немонотонный характер зависимости амплитуды от частоты. В ночное время аналогичные осцилляции объясняются специфической структурой профиля электронной концентрации во внешней ионосфере. Просачивание КНЧ-волн во внешнюю ионосферу днем возможно в высоких широтах благодаря наличию главного ионосферного провала, который не описывается имеющимися эмпирическими моделями среднеширотной ионосферы. Поэтому при высокоширотном расположении источника или трассы распространения осцилляции импеданса ионосферы и амплитуды, поля с частотой могут возникать и в дневное время. Более высокая чувствительность КНЧ-волн (по сравнению с СНЧ) к изменениям во внешней ионосфере открывает хорошие возможности использования этого диапазона в исследованиях околоземного пространства.
Благодарности
Авторы выражают благодарность сотрудникам Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН (г. Апатиты) В. В. Колобову и В. Н. Селиванову.
ЛИТЕРАТУРА
1. Galejs J. Terrestrial Propagation of Long Electromagnetic Waves // Pergamon Press. New York, 1972. 2. Nickolaenko A., Hayakawa M. Resonances in the Earth-Ionosphere Cavity // Kluwer Academic Publishers. Dordrecht, 2002. 3. Pan W. Y, Li K. Propagation of SLF/ELF Electromagnetic Waves. Zhejiang University Press, Hangzhou and Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2014. 4. Wait J. R. Earth-ionosphere cavity resonances and the propagation of ELF radio waves // Radio Sci. J. Res. NBS 69D. 1965. No. 8. P. 1057-1070. 5. Кириллов В. В., Копейкин В. Н. Решение двухмерного телеграфного уравнения с анизотропными параметрами. // Изв. вузов. Радиофизика. 2002. Т. 45, № 12. С. 1011. 6. Собчаков Л. А., Поляков C. B., Астахова Н. Л. Возбуждение электромагнитных волн в плоском волноводе с анизотропной верхней стенкой // Изв. вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46, № 12. С. 1503-1510. 7. Greifinger P. S., Mushtak V. C., Williams E. R. On modeling the lower characteristic ELF altitude from aeronomical data // Radio Sci. 2007. 42. RS2S12. 8. Первые эксперименты по генерации и приему искусственных УНЧ-излучений (0,3-12) Гц на дистанции 1500 км / П. П. Беляев [и др.] // Изв. вузов, Радиофизика. 2002. Т. 45, № 2. С. 151. 9. Повышающий преобразователь и система энергопередачи генератора «Энергия-2» для электромагнитных зондирований и мониторинга очаговых зон землетрясений / Е. Д. Терещенко [и др.] // Сейсмические приборы. 2008, Т. 44, № 4. С. 43-66. 10. Использование мощных стационарных источников экстремально низкочастотного электромагнитного поля в задаче дистанционного зондирования / Е. Д. Терещенко [и др.] // Инновационные электромагнитные методы геофизики / под ред. Е. П. Велихова. М., 2009. С. 10-21. 11. Разработка согласующего устройства стационарного источника электромагнитного излучения экстремально низкочастотного диапазона / Е. Д. Терещенко [и др.] // Труды КНЦ РАН. 2012. № 1 (4). С. 68-78. 12. Скородумов С. А., Обоишев И. И. Помехоустойчивая магнито-измерительная аппаратура. Л., 1981. С. 24. 13. Изменения фазы магнитного поля в СНЧ-диапазоне на разломной тектонике / Е. Д. Терещенко [и др.] // Физика Земли. 2012. № 9-10. С. 96-102. 14. Blanchet G., Charbit M. Digital Signal and Image Processing using MATLAB // ISTE Ltd, London and John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2006. P. 327.
Сведения об авторах
Терещенко Евгений Дмитриевич — доктор физико-математических наук, научный руководитель Полярного геофизического института (г. Мурманск) E-mail: evgteres@pgi.ru
Сидоренко Антон Евгеньевич — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Полярного геофизического института (г. Мурманск) E-mail: anton@pgi.ru
Григорьев Валерий Федосеевич — помощник директора Полярного геофизического института (г. Мурманск) E-mail: valgri@pgi.ru
Терещенко Павел Евгеньевич — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Полярного геофизического института (г. Мурманск) E-mail: tereshchenko@gmail.com
Author Affiliation
Eugene D. Tereshchenko — Dr. Sci. (Physics & Mathematics), Scientific Adviser of the Polar Geophysical Institute (Murmansk) E-mail: evgteres@pgi.ru
Anton E. Sidorenko — PhD (Physics & Mathematics), Researcher of the Polar Geophysical Institute
(Murmansk)
E-mail: anton@pgi.ru
Valery F. Grigoriev — Assistant Director of the Polar Geophysical Institute (Murmansk) E-mail: valgri@pgi.ru
Paul E. Tereshchenko — PhD (Physics & Mathematics), Researcher of the Polar Geophysical Institute (Murmansk)
Библиографическое описание статьи
Немонотонная амплитудно-частотная зависимость магнитного поля контролируемого наземного КНЧ-источника в дневное время / Е. Д. Терещенко [и др.] // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2017. — № 3 (9). — С. 104-110.
Reference
Tereshchenko Eugene D., Sidorenko Anton E., Grigoriev Valery F., Tereshchenko Paul E. Non-Monotonic Amplitude-Frequency Dependence of ELF Magnetic Field Excited by Ground-Based Controlled Source in Daylight Conditions. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2017, vol. 3 (9), pp. 104-110. (In Russ.).
