CC BY
13
УДК 537 8 В.К. Балханов, Ю.Б. Башкуев, В.Р. Адвокатов, Л.Х. Ангархаева
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ
«_» _ _ _ «_» .
НАД ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТОЙ*
Проведена интерпретация результатов измерений вертикальной компоненты электрического поля на радиотрассе с вечной мерзлотой. Анализ результатов измерений показывает, что такая радиотрасса обладает свойствами двухкусочной импедансной поверхности, т.е. состоит из двух участков. На первом участке, на расстоянии до нескольких десятков длин волн затухание поля происходит степенным образом, занимая промежуточное положение между затуханием в свободном пространстве и затуханием над идеально проводящей поверхностью. При дальнейшем распространении, на втором участке, поле приобретает особый характер поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ).
Ключевые слова: вечная мерзлота, поверхностная электромагнитная волна.
Введение
На прямой радиотрассе вблизи федеральной автомобильной дороги А360 между населенными пунктами Чульман и Алдан были проведены натурные измерения вертикальной компоненты электрического поля от приводной радиостанции с излучаемой мощностью Р = 1 кВт на частоте 255 кГц. Рассматриваемый район характеризуется наличием вечной мерзлоты толщиной до 200 м, лежащей на кристаллическом основании Алданского щита с удельным электрическим сопротивлением порядка 5 кОм-м [1]. Пространственная характеристика уровней электрического поля на профиле длиной 220 км представлена на рис. 1 в виде сплошной линии с маркерами в виде ромбиков. Анализ результатов измерений показывает, что их нельзя представить в виде единой для всей радиотрассы степенной функции, а также любой другой более или менее простой ана-
* Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-1901079) в Институте физического материаловедения Сибирского Отделения РАН.
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 1. С. 32-36. © 2017. В.К. Балханов, Ю.Б. Башкуев, В.Р. Адвокатов, Л.Х. Ангархаева.
литической формулы. Задачу определения пространственной характеристики уровня поля можно решить, если для каждого участка радиотрассы устанавливать свою определенную функциональную зависимость.
Участок ПЭВ
На втором участке выделим несколько последних пунктов измерения. По результатам измерений установлено, что уровни поля E(R) удовлетворительно описываются следующей пространственной характеристикой:
E (R) = AR-0 5 exp (-BR). (1)
Здесь A = 3,035, B = 0,013, поле E(R) измерено в мВ/м, расстояние R в км. Далее находим, что зависимость (1) удовлетворительно описывает измеренные значения на рис. 2 от расстояния 220 км до расстояния 70 км. Наглядно это показано на рис. 2. Этот промежуток назовем участком ПЭВ. Такое название связано с тем, что зависимость (1) описывает поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ).
Если среда описывается поверхностным импедансом 6, и излучаемая мощность есть P, то пространственная характеристика вертикальной компоненты электрического поля будет [2]
\EZ (мВ/м)| = 300,/GP (кВт) •
I-1- ( 2П ^. (2)
•2п|5|———-—- exp--R Re 5 Ilm 5| I
1 '^(м) R (км) Ч h )
Ez, мВ/м 12
Рис. 1. Вертикальная компонента электрического поля на радиотрассе Чульман—Алдан длиной 220 км. Сплошная линия с ромбиками — результаты измерения поля: до 70 км — первый участок, от 70 км до 220 км — участок ПЭВ
Рис. 2. Вертикальная компонента электрического поля на участке ПЭВ. Ромбики — измеренные значения, сплошная линия — расчет по формуле (1)
Здесь X — длина волны, для рассматриваемой приводной станции X = 1176 м, Re8 и 1т8 — действительная и мнимая части приведенного поверхностного импеданса 8, множитель G = 1,7 в квадратном корне является коэффициентом усиления антенны. Поскольку излучаемая мощность P = 1 кВт, то из (1) и (2) находим поверхностный импеданс зоны ПЭВ:
8 = 0,0413 - ¿0,0676. (3)
Если расписать 8 = |8| ехр(гф), то фаза импеданса будет Ф = -55° и модуль импеданса |8| = 0,072. Радиотрассы с такой фазой поверхностного импеданса называются сильно индуктивными. Зависимость (1) показана на рис. 2 сплошной линией.
1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Рис. 3. Вертикальная компонента электрического поля на первом участке в билогарифмическом масштабе
Первый участок
Возьмем разность между измеренными значениями уровня поля и вычисленными по формуле (1). Эта разность представлена на рис. 3 в билогарифмическом масштабе. Наблюдаем линейную регрессию. Это означает, что на участке до 70 км поле спадает следующим степенным образом, промежуточным между затуханием в свободном пространстве, и затуханием над идеально проводящей поверхностью:
\Ez (мВ/м)| = 110. (4)
R'
Здесь R измеряется в км. Насколько известно, такая функциональная зависимость пока еще теоретически не установлена. Обратим внимание, что такая же пространственная характеристика для электрического поля установлена в работе [3], где представлены результаты измерений уровней вертикальной компоненты электрического поля и горизонтальной компоненты магнитного поля излучения разрядов молнии. Полное измеряемое поле на первом участке будет суммой полей (1) и (4).
Заключение
Из анализа результатов измерения вертикальной компоненты электрического поля установлено, что на частоте 255 кГц на расстоянии до 70 км имеем первый участок, где поле R с расстоянием спадает как 1/R1,5. На больших расстояниях, на участке ПЭВ из-за наличия вечной мерзлоты, лежащей на проводящей кристаллической породе, поле приобретает характер поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) и затухает как R~0,5exp(-BR), где B - функция частоты излучающей радиостанции и поверхностного импеданса 5 радиотрассы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Башкуев Ю. Б. Электрические свойства слоистых природных сред. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1996. - 208 с.
2. Башкуев Ю. Б., Хаптанов В. Б., Дембелов М. Г. Экспериментальное доказательство существования поверхностной электромагнитной волны // Письма в ЖТФ. - 2010. - Т. 36. - № 3. - С. 88-95.
3. Балханов В. К., Башкуев Ю. Б., Козлов В. И., Муллаяров В. А. Пространственные характеристики излучения разрядов молнии // Журнал технической физики. - 2009. - Т. 79. - № 1. - С. 152-155. [¡223
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Балханов Василий Карлович1 - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: ballar@yandex.ru,
Башкуев Юрий Буддич1 — доктор технических наук, профессор, Адвокатов Виктор Рабданович1 — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Ангархаева Людмила Ханхараевна1 — кандидат физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, 1 Институт физического материаловедения Сибирского отделения РАН.
UDC 537.i
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 1, pp. 32-36.
V.K. Balkhanov, Yu.B. Bashkuev, V.R. Advokatov, L.Kh. Angarkhaeva
DISTRIBUTION OF SURFACE ELECTROMAGNETIC WAVE OVER PERMAFROST
Interpretation of the results of measurements of the vertical component of electric field on radio path with permafrost was held. The analysis of the measurements results shows that this radio path has the properties of two-piece impedance surface, i.e., it consists of two parts. In the first section, at a distance of up to several tens of wavelengths, the attenuation of the field going exponential way, occupying an intermediate position between the attenuation in free space and attenuation over a perfectly conducting surface. With further propagation, on the second section, the field acquires a particular nature of surface electromagnetic wave (SEW).
Key words: permafrost, surface electromagnetic wave.
AUTHORS
Balkhanov V.K.1, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, e-mail: ballar@yandex.ru, Bashkuev Yu.B.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Advokatov V.R.1, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Angarkhaeva L.Kh.1, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Assistant Professor, Leading Researcher, 1 Institute of Physical Materials Science, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 670047, Ulan-Ude, Russia.
ACKNOWLEDGEMENTS
The study was performed by a grant from the Russian Science Foundation (project № 14-19-01079) in the Institute of Physical Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences.
REFERENCES
1. Bashkuev Yu. B. Elektricheskie svoystva sloistykh prirodnykh sred (Electrical properties of layered natural media), Novosibirsk, Izd-vo SO RAN, 1996, 208 p.
2. Pis'ma vzhurnal tekhnicheskoy fiziki. 2010. T. 36, no 3, pp. 88—95.
3. Balkhanov V. K., Bashkuev Yu. B., Kozlov V. I., Mullayarov V. A. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki. 2009, vol. 79, no 1, pp. 152-155.
