CC BY
101
УДК 551.594.6
В.И. Козлов, Г.В. Фёдорова, С.Н. Шабаганова
СУТОЧНО-СЕЗОННЫЕ ВАРИАЦИИ АТМОСФЕРИКОВ
Приводятся статистические характеристики магнитной составляющей импульсных (атмосфериков) естественных радиошумов очень низкочастотного диапазона, порожденных грозовыми разрядами и зарегистрированных в г Якутске с 2001 по 2008 гг Суточная вариация импульсной составляющей естественных радиошумов, кроме летних месяцев, имеет вид полуволны с максимумом в 15-19 ч (ОТ). В летние месяцы суточная вариация имеет двугорбый характер с наибольшим максимумом в 9 ч ОТ. Грозовая активность находится в противофазе солнечной активности. Значения показателя степенного закона изменяются от 1,36.. .2,2 летом до 2.3,2 зимой. Весной и осенью значения показателя составляют 2,2.. .2,9.
Ключевые слова: поток атмосфериков, молния, грозовой разряд, солнечная активность, радиошум, суточно-сезонные вариации.
Очень низкочастотные (ОНЧ) электромагнитные сигналы являются неотъемлемой частью сложного комплекса физических явлений и широко распространены в природе. Основным источником ОНЧ-излучений являются грозовые разряды. Гроза - это атмосферное явление, при котором в облаках и между облаками и землей возникают сильные электрические разряды - молнии (более 100 раз в секунду по всему земному шару), сопровождающиеся радиоимпульсами - атмосфериками. Эти радиоимпульсы на частотах ОНЧ-диапазона распространяются с малым затуханием на большие расстояния. Даже обогнув земной шар, величина этого импульса превышает шумовую составляющую. Перекрывающиеся ослабленные сигналы компонуют флуктуационную составляющую. Сливаясь, они образуют непрерывный шум, называемый регулярным шумовым фоном (РШФ).
Исследования импульсной составляющей радиошумов ОНЧ-диапазона ведутся уже много лет. Этим исследованиям посвящен ряд работ [1, 2 и др.]. В них приведены основные теоретические и экспериментальные характеристики импульсной составляющей радиошумов ОНЧ-диапазона и исследованы источники импульсов. Однако каждый регион имеет ряд особенностей, и эти исследования остаются актуальными и в настоящее время, поскольку вариации плотности потока атмосфериков имеют также прикладное значение. На поведении суточного хода радиошумов построен мониторинг ряда геофизических процессов, например, грозовой и сейсмической активности.
Для наблюдателя в Якутске (рамочная антенна ориентирована в направлении восток-запад), кроме летних месяцев, когда определяющими являются радиоимпуль-
КОЗЛОВ Владимир Ильич - к.ф.-м.н., ст. научный сотрудник Института космофизических исследований и аэрономии СО РАН (ИКФИА).
E-mail: v.kozlov@ikfia.ysn.ru,
ФЁДОРОВА Галина Валерьевна - студентка ФТИ ЯГУ
E-mail: gulyafedorovapt@rambler.ru,
ШАБАГАНОВА Светлана Николаевна - ассистент Мирнин-ского политехнического института (филиал) ЯГУ
E-mail: ssnik@inbox.ru
сы от местных гроз с учетом выставленных амплитудных порогов отбора и суточной активности, хорошо просматриваются очаги гроз, расположенные в мировых очагах гроз - Африканском и в Юго-Восточной Азии, в предгорьях Кавказа, на полуострове Индостан, побережье Татарского пролива, на севере Японского моря, в Тихом океане. В летние месяцы существенный вклад вносят местные грозы, максимум которых наблюдается в послеполуденное время [3].
Рабочая полоса частот усилительной аппаратуры регистратора, используемого для данных измерений, 0,310 кГц, в пределах которой сосредоточена большая часть энергии атмосфериков, порожденных наземными разрядами [3]. С целью устранения влияния индустриальных помех приемный пункт вынесен от населенных пунктов на расстояние около 25 км. Для уменьшения возможного влияния местных помех в самом пункте наблюдения антенное устройство с предварительным усилителем вынесено на расстояние ~ 400 м от пункта наблюдения.
Стационарная приемная рамочная антенна имеет диаметр 5,7 м, 30 витков, эффективная площадь 760 кв. м, сопротивление антенны ~ 20 Ом, индуктивность ~ 20 мГн, собственная емкость ~ 1000 пФ. Предварительный усилитель характеризуется уровнем собственных шумов в полосе пропускания ~ 1 мкВ. Коэффициент передачи 200, входное сопротивление ~ 100 Ом. Общий коэффициент усиления сигналов в каналах счетчиков составляет 5000. Сигнал с предварительных усилителей в центральный пункт сбора информации подается по симметричным кабельным линиям связи через разделительные трансформаторы для устранения наводок на линии связи.
Прием атмосфериков осуществлялся на рамочную антенну, ориентированную в направлении восток-запад (рис. 1).
Порог регистрации выбран таким образом, что плотность потока регистрируемых атмосфериков в суточном дневном максимуме составляла в среднем > 1 сек -1 на самом грубом пороге. При этом инструментальные ошибки измерений значительно меньше естественных вариаций числа принимаемых грозовых сигналов. Вели-
Рис. 1. Диаграмма направленности используемой антенны (3 порога)
чина сигнала для канала с порогом 1 В на входе счетчика соответствует 2-10-4 В на выходе антенны. С учетом действующей высоты используемой рамочной антенны ^ = 0,11 м получаем пороговый уровень сигнала на входе антенны ~ 1,75-10 3 В/м, что дает максимальную дальность регистрации импульсов на данном пороге около ~ 10 000 км. Соответственно ~ 3,5 мВ/м (5000 км) для порога 2 В и ~ 7 мВ/м (2500 км) для порога 4 В. Таким образом, наиболее чувствительный канал позволяет принимать сигналы с расстояний до 10 тыс. км, а наиболее грубый порог - с расстояний до 2500 км. Стандартное отклонение шумовой составляющей атмосферных помех в полосе частот 2-9 кГц, измеренное в Канаде - в 1950-х годах лежит в пределах 0,03.. .2 мВ/м [4]. Наши измерения показывают, что во время летних ближних гроз величина флуктуационной составляющей достигает 1 мВ/м. Таким образом, наиболее чувствительный порог соответствует самой верхней оценке шумовой составляющей.
Использованы данные регистрации счета атмосфери-ков в час в Якутске (ф = 62.00о N 1=129.72° Е) за 20012008 гг.
На рис. 2 показан характерный суточный ход числа импульсов, регистрируемых в Якутске на рамочную магнитную антенну, ориентированную на восток-запад, для порога 3,5 мВ/м на входе усилителя в четыре сезона.
Отметим, что максимум в 13-19 ч (иТ), за который отвечают грозы, происходящие западнее Якутска на расстоянии до 5000 км, сохраняется во все сезоны года и даже в летний (июль) месяц с максимальной местной грозовой активностью. Максимальная летняя грозовая активность проявляется в появлении в летние месяцы второго максимума в 5 ч (иТ), что соответствует местному послеполуденному времени. Наибольшее количество импульсов, превышающих заданный порог, растет от зимних к летним месяцам, как и ожидалось. Вариация для суточного максимума в 17 ч (иТ) между летними и зимними месяцами составляет 230%, а в 9 ч (иТ) - 2600%.
На этом рисунке показан суточный ход числа импульсов для порога 3,5 мВ/м, усредненный по 2001-2005 гг. А на рис. 3 показан суточный ход для порога 7,2 мВ/м в июле.
Максимум в 13-19 ч (иТ), наблюдаемый в суточном ходе импульсной составляющей радиошумов, соответствует времени наступления максимума для флуктуаци-онной составляющей радиошумов [3]. А в летний период второй максимум, наблюдаемый в 18 ч местного якутского времени, соответствует максимуму местной грозовой активности и похож на суточный ход летних флуктуаци-онных радиошумов. Для самого высокого порога летний суточный ход описывается простой полуволной с макси-
Рис. 2. Суточный ход числа импульсов для порога 3,5 мВ/м в четыре сезона, 2001-2005 гг По оси абсцисс отложено мировое время (ЦТ)
Рис. 3. Суточный ход числа импульсов, регистрируемых в г. Якутске, для порога 7,2 мВ/м на входе усилителя в июле.
По оси абсцисс отложено мировое время (ЦТ)
мумом в 18 ч местного времени, без второго максимума, аналогично регистрируемого грозопеленгатором, на котором в ИКФИА СО РАН наблюдаются местные грозы [3].
Сезонная вариация хода числа импульсов имеет характерный вид одной полуволны с максимумом в три летние месяца.
В суточном ходе атмосфериков выделяются 3 экстремума: максимум 8-12 ч ЦТ (послеполуденные часы) - максимум грозовой активности Юго-Восточной Азии; максимум 15-19 ч ЦТ (соответствует местному времени), за который отвечает Африканский мировой грозовой очаг и грозы предгорий Кавказа и минимум в 3-7 ч ЦТ (дневные часы) - это грозовой очаг в Тихом океане.
На рис. 4 приведены сезонные хода экстремумов для порога 1,75 мВ/м. При этом пороге принимаем сигналы с расстояний до 10 тыс. км. Видно, что на ниспадающей ветви солнечной активности с максимума (2001) до минимума (2008) солнечной активности идет нарастание количества атмосфериков, превышающее заданный порог. Таким образом, грозовая активность находится в
противофазе солнечной активности, что соответствует полученным нами ранее результатам [3]. Минимум в 3-7 ч, т.е. грозовая активность в океане с 2001 г. до 2008 г., практически не изменяется. Максимум в 8-12 ч, за который отвечает мировой грозовой очаг Юго-Восточной Азии, из года в год круто поднимается. Наибольшая вариация (15-19ч) в результате изменения солнечной активности наблюдается в мировом Африканском грозовом очаге.
Для порога 3,5 мВ/м сигналы, приведенные на рис. 5, регистрируются с расстояний 5000 км. Минимум 3-7 ч - интенсивность гроз в Тихом океане также мало изменяется из года в год, как и для порога 1,75 мВ/м. В отличие от максимума 8-12 ч порога 1,75 мВ/м этот же максимум, но для порога 3,5 мВ/м, то есть грозовая активность Центрального Китая, практически не меняется. По сравнению с ходом экстремумов для данного порога максимум 15-19 ч ит, регистрируемый импульсы с предгорий Кавказа и Юга Сибири, круто поднимается с 2001 г. по 2006 г.
Максимум 8-12ч -Минимум 3-7ч -Линейный (Максимум 8-12ч)
- Максимум 15-19ч -Линейный (Максимум 15-19ч) -Линейный (Минимум 3-7ч)
Рис. 4. Распределение числа импульсов по сезонам 2001-2008 гг. с порогом 1,75 мВ/м, время - ит
л
и
и
&
60000 5QQQQ 4QQQQ 3QQQQ і 20000 1QQQQ -Q
ся ЮзК
о s
Дата,ЦТ
"Максимум 8-12ч ----Максимум 15-19ч
•“ Минимум 3-7ч ----Линейная (Максимум 8-12ч)
■•Линейная (Максимум 15- 19ч)---Линейная (Минимум 3-7ч)
Рис. 5. Распределение числа импульсов по сезонам 2001-2006 гг. с порогом 3,5 мВ/м, время - ит
На пороге 7 мВ/м (рис. 6) грозовая активность также нарастает к минимуму солнечной активности во все три выбранных временных интервала. То есть грозовая активность побережья Тихого океана, севера Китая и Востока Сибири ведет себя одинаково, совпадая с поведением грозовой активности в Якутии.
Удобной характеристикой интенсивности потока импульсов атмосферных помех служит их число в единицу времени. Обычно измеряется количество атмосфериков за час. Для более полного описания плотности потока атмосфериков в заданной полосе частот надо учитывать не только его суточные и сезонные вариации, но и зависимость от уровня Е напряженности поля импульсов помех.
Зависимость плотности потока атмосфериков V(E) хорошо аппроксимируется для любого времени суток и года формулой V(E)= V(E0)(Е0/Е)к, которая выведена исходя из следующих допущений [5]: равномерного распределения гроз по поверхности Земли; амплитуда ат-мосферика убывает по степенному закону при удалении от источника; функция распределения амплитуд атмос-фериков логарифмически нормальная для любого грозового очага на небольшом расстоянии от него.
На рис. 7 представлены суточно-сезонные вариации показателя степенного закона (к) изменения количества принимаемых атмосфериков для каждого часа суток (UT). Значения этого показателя для Якутска изменяются от 1,36...2,2 летом до 2...3,2 зимой. Для сезонов весна-
осень значения показателя (к) составляют 2,2...2,9. Эти величины соответствуют значениям 1,5.3 весной и осенью, 1.2 летом и 2,5...3,5 зимой, приведенным М.С. Александровым [6] и измеренным в основном для средних широт европейской части России. По наблюдениям в авроральной зоне на мысе Шмита (Чукотка) [7] приведены значения показателя (к) изменения количества принимаемых атмосфериков, соответствующие полученным нами: для июля 1,8, сентября 1,9 и декабря 2.
В суточном ходе нами наблюдается следующая картина: в местное дневное время величина показателя степенного закона изменения количества принимаемых ат-мосфериков падает по сравнению с ночным (рис. 8).
В заключение отметим, что суточная вариация импульсной составляющей естественных радиошумов для Якутска, кроме летних месяцев, имеет характерный суточный ход в виде плавной полуволны с максимумом в 15-19 ч (UT). В летние месяцы суточная вариация имеет двугорбый характер с наибольшим максимумом в 9 ч UT, что соответствует 18 ч местного времени. Сезонный ход грозовой активности находится в противофазе солнечной активности, что соответствует полученным нами ранее
результатам [3]. Значения показателя степенного закона изменяются для Якутска от 1,36.2,2 летом до 2.3,2 зимой. Для сезонов весна-осень значения показателя степенного закона составляют 2,2.. .2,9.
Л и т е р а т у р а
1. Флуктуации электромагнитного поля Земли в диапазоне СНЧ / Под ред. М.С. Алексанрова. - М.: Наука, 1972. - 195 с.
2. Ремизов Л.Т. Естественные радиопомехи. - М.: Наука, 1985. - 196 с.
3. Козлов В.И., Муллаяров В.А. Грозовая активность в Якутии. - Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2004. - 104 с.
4. McKerrow C.A. Some Measurements of Atmospheric Noise at Low and Very Low Frequencies in Canada // JGRes., 1960, vol. 65, no. 7, pp. 1901-1926.
5. Махоткин Л.Г. Статистика атмосферных радиопомех // Геомагнетизм и аэрономия. - 1963. - Т. 3. - № 2. - С. 284-292.
6. Александров М.С. Исследование атмосферных радиопомех ОНЧ- и НЧ-диапазонов и их источников.//Успехи современной радиоэлектроники. - 1998. - № 10. - С. 3-25.
7. Сокуров В.Ф. Энергетический спектр частиц с энергией более 1015 эВ и поток электромагнитных вспышек в приземном слое. - Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 2006. - 265 с.
Работа поддержана грантами РФФИ 08-02-00348-а, 09-05-98540-р_восток_а и программами ФЦП НОЦ г.к. 02.740.11.0248, РНП 2555 и Президиума РАН 16.
V. I. Kozlov, G.V. Fyodorova, S.N. Shabaganova Daily and seasonal variations of atmospherics
Statistics of magnetic component of impulsive (atmospherics) natural radio noise of extremely low frequency range caused by lightning discharge and registered in Yakutsk city between 2001 and 2008 are given in the article. Daily variations of impulsive component of natural radio noises except for summer months have the form of half-wave with maximum of 15-19 hours (UT). In summer time daily variations have double-humped form with 9 hour (UT) maximum. Thunderstorm activity is in antiphase of solar activity. Values of power law vary from 1,36 . 2,2 in the summer to 2 . 3,2 in winter. In the spring and autumn values are 2,2 . 2,9.
Key words: atmospherics flows, lightning, lightning discharge, solar activity, radio noise, daily and seasonal variations
