CC BY
56
ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 550.837.6; 523.31-423.3; 551.510.535
ВАРИАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ИСКУССТВЕННОГО ИСТОЧНИКА СНЧ-ДИАПАЗОНА В ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЕ
Е.Д. Терещенко, А.Е. Сидоренко, В.Ф. Григорьев
Полярный геофизический институт КНЦ РАН
Аннотация
Приведены результаты эксперимента по исследованию динамики электромагнитного поля искусственного источника СНЧ-диапазона в течение 30 суток. Обнаружены вариации полей с периодами от нескольких часов до нескольких суток. При наблюдениях в течение одного сидерического периода обращения Луны отмечены вариации полей, синфазные с приливными деформациями земной коры вдоль вертикальной оси. Эти вариации по амплитуде значительно превышают суточные и могут быть связаны с крупномасштабными приливными процессами в толще земной коры. На периодах менее суток вариации полей, вероятнее всего, обусловлены ионосферными процессами.
Ключевые слова:
электромагнитное поле, искусственный источник, сверхнизкие частоты, вариации поля, импеданс, приливные деформации, ионосфера.
Ш'С
часов по измерениям в СНЧ-диапазоне магнитотеллурике подход к определению
Введение
Известно, что деформация земной коры под действием лунно-солнечных приливных сил вызывает изменение ее кажущегося сопротивления. В последние годы в литературе опубликован ряд работ, Ш 3 I посвященных исследованиям приливных
ш # вариаций кажущегося сопротивления земной
^ ЯИк! / коры рк с периодами порядка нескольких
[1-3]. Применяемый при этом широко известный в электрических свойств подстилающей среды использует измерения импеданса - величины, производной от непосредственно измеряемых тангенциальных компонент электрического и магнитного полей. Электромагнитное поле на поверхности земли определяется характером электропроводности земной коры и реагирует на вариации кажущегося сопротивления. Поэтому изучение вариаций электрического и
** / Мотовский запив
магнитного полей, вызванных изменениями свойств подстилающей среды, дает дополнительные сведения о
протекающих в ней физических процессах. море
В данной работе приводятся описание и результаты первого продолжительного эксперимента
по исследованию динамики электромагнитного поля #обс ловозеРо°\Е"^
ОМоичеюрсх 03 Повожро
стационарного искусственного источника СНЧ-
ьХол-пт» \ ч
диапазона в течение одного сидерического периода обращения Луны.
Описание эксперимента
Эксперимент проводился в июле 2009 г. в течение 30 дней в круглосуточном режиме. Проведенные измерения охватывают промежуток времени чуть больший одного сидерического периода обращения Луны, что важно с точки зрения
'К*
Пяозеро
Кандппакшский залив
Л
аз*Т£/южр-
Рис. 1. Географическая схема эксперимента
анализа корреляции измеренных величин с солнечно-лунными приливными процессами.
Генерация электромагнитного поля производилась мощной радиопередающей установкой СНЧ-диапазона, расположенной в северной части Кольского полуострова [4]. Антенная система установки представляет собой две практически прямолинейные горизонтальные заземленные линии протяженностью порядка 60 км (далее в тексте - условно «северная» и «южная»), ориентированные вдоль географической широты. Антенны работали поочередно. Это учитывалось при дальнейшем анализе результатов и принципиально не меняло условий эксперимента. Установка создавала квазимонохроматическое поле частотой 82 Гц при силе тока в антенне порядка 200 А. Ток в антенне записывался цифровой системой регистрации и сбора данных с постоянной привязкой ко времени ЦГ по сигналам спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS.
Регистрация полей источника производилась в обсерватории ПГИ КНЦ РАН Ловозеро на удалении порядка 90 км в юго-восточном направлении от центра антенной системы (рис. 1) - в переходной зоне источника излучения, где влияние ионосферы практически отсутствует.
Для измерения напряженности горизонтального электрического поля использованы две ортогональные заземленные линии длиной по 200 м, одна из которых ориентирована вдоль магнитного меридиана. Измерение магнитного поля производилось при помощи индукционного магнитометра, горизонтальные датчики которого были ориентированы в тех же направлениях, что и электрические антенны. Магнитное склонение в пункте приема восточное и составляет 15°.
Данные измерителей электрического и магнитного полей регистрировались также цифровой системой регистрации и сбора данных с привязкой ко времени ЦТ по сигналам ГЛОНАСС/GPS. Высокая мощность передатчика и относительно близкое расположение приемного пункта позволило получить в эксперименте соотношение сигнал-шум не менее 60 дБ.
Точная привязка измерений поля и тока в антенне передатчика ко времени по сигналам спутниковых навигационных систем позволила получить синхронные временные ряды измеряемых величин. Обработка полученных таким образом синхронных цифровых записей позволила определить поляризационные характеристики полей (характеристики эллипсов поляризации), а также выполнить нормировку амплитудных параметров поля на силу тока в антенне, что необходимо для исключения особенностей генерации тока при изучении естественных вариаций поля.
Параметры принятого сигнала и тока в антенне последовательно оценивались на промежутках длительностью 120 с. Амплитуды сигналов определялись по найденной спектральной плотности мощности, а разности фаз между соответствующими компонентами - по их взаимным спектрам. Амплитуды измеренных сигналов нормировались на силу тока в антенне, как отношения их синхронных оценок на 120-секундных интервалах.
По амплитудам и разностям фаз компонент вычислялись временные ряды значений больших полуосей горизонтальных эллипсов поляризации электрического и магнитного полей. Это позволило провести анализ временной изменчивости горизонтального электромагнитного поля, а также получить временные ряды значений поверхностного импеданса 2.
Для устранения случайных высокочастотных помех естественного происхождения ко всем рядам данных было применено сглаживание методом Уиттекера [5-6].
Полученные временные ряды
исследуемых величин (большие полуоси
эллипсов поляризации электрического и магнитного полей Ae и Am, а также модуль поверхностного импеданса 7) в дальнейшем были исследованы на наличие вариаций и их корреляцию с приливными процессами в земной коре.
Результаты и их обсуждение
Анализ полученных данных показал, что горизонтальные составляющие магнитного и электрического полей,
приведенные к току 1 А в антенне
передатчика, испытывают временные вариации с периодами от нескольких часов до нескольких суток.
Рис. 2. Вариации большой полуоси эллипса поляризации горизонтального магнитного поля Ат при токе 1А в антенне передатчика
На рисунке 2 показаны примеры наблюдаемых вариаций большой полуоси эллипса поляризации напряженности горизонтального магнитного поля Ат, относящиеся к нескольким различным дням наблюдений. Графики в левой части рисунка относятся к сеансам работы северной антенны передатчика, в правой - южной.
На графиках по вертикальной оси отложены вариации большой полуоси эллипса Ат в одинаковых условных единицах, нормированные на соответствующие среднесуточные значения. По горизонтальной оси отложено время иТ в часах. Более светлым тоном на графике показаны исходные временные ряды с усреднением за 120 с, а черным - результат их сглаживания. На рисунке видны временные вариаций амплитуды длительностью порядка нескольких часов. В среднем величина этих вариаций не превышает 0.7% от среднего за сутки значения амплитуды.
Из рисунке 2 видно, что в разные дни в одинаковое время суток наблюдаются участки с качественно сходными вариациями. Так, обычно наблюдается убывание амплитуды в утренние часы
- примерно до 08.00 иТ, присутствуют локальные максимумы около в промежутках 08.00-10.00 иТ и в 15.00-16.00 иТ, а также во многих случаях отмечается рост амплитуды поля после 21.00 ЦТ.
0.995 ----1-----1------1-----1-----1------1-----1-----1------1-----1-----1--
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Время, мин
Рис. 3. Относительные вариации величин больших полуосей эллипсов поляризации напряженностей электрического (A) и магнитного полей (Am) и модуля поверхностного импеданса Z
На рисунке 3 для примера показаны графики приведенных к току и нормированных на средние по выборке значения временных рядов Ae, Am и модуля поверхностного импеданса Z на интервале времени 7=240 мин. Из рисунка следует, что на относительно коротких промежутках времени импеданс не испытывает вариаций, сопоставимых по интенсивности с вариациями электрического и магнитного полей. При этом амплитуды наблюдаемых вариаций магнитного и электрического полей длительностью до нескольких часов относительно малы - в среднем они на 2-3 порядка меньше амплитуды самих полей. В то же время, благодаря большому соотношению сигнал-шум, точность измерений в эксперименте позволила регистрировать даже такие малые изменения полей.
На рисунке 4, в условных единицах показан временной ход амплитуды магнитного поля, приведенной к току, в течение всего эксперимента, в сравнении с вертикальной компонентой
приливной деформации АН. Приливная деформация земной коры обозначена пунктиром, светлым
тоном - измеренные вариации горизонтального магнитного поля с усреднением за час, а сплошной черной линией - сглаженные вариации поля.
Рис. 4. Вариации горизонтального магнитного поля Ат при токе 1А в антенне передатчика и вертикальные приливные
уел, ед.
Зг
уел. ед.
Зг
морской прилив А
10
20
10
20
Время итп ч Время иТр ч
Рис. 5. Приливные изменения уровня морской воды в порту Мурманск и вариации горизонтального магнитного поля Ат
Полученные суточные временные ряды Ае и Ат были сопоставлены с изменениями уровня воды в ближайшем морском порту Мурманск (рис. 5), а также с расчетными приливными смещениями земной поверхности АН вдоль вертикальной оси под действием солнечно-лунных приливных сил (рис. 6). На рисунке 5 видно, что в отдельных редких случаях наблюдается хорошая корреляция значительных вариаций поля с процессами морских приливов и отливов, однако статистически значимого набора таких случаев пока не было выявлено. Аналогичной связи с приливными деформациями земной поверхности в то же самое время на периодах менее 24 часов не наблюдалось.
Рис. 6. Приливные вертикальные смещения земной коры АН и вариации горизонтального магнитного поля Ат
30-дневная продолжительность эксперимента позволила исследовать динамику электромагнитного поля на промежутке, по длительности превышающем сидерический период обращения Луны (^27.3 сут.). Качественная картина вариаций поля на периодах такой продолжительности выглядит иначе (рис. 4). Здесь отчетливо наблюдаются более медленные вариации поля - с периодом около 14 суток, которые по амплитуде значительно превышают суточные, а по фазе совпадают с приливными деформациями земной коры той же периодичности. При этом, максимумы поля приходятся на дни близкие к новолуниям и полнолуниям, а минимумы - к фазе полумесяца, что дополнительно указывает на их связь с приливными процессами.
Выводы
Как отмечалось в работе [3], на поверхности толстых однородных осадочных чехлов, приливные вариации кажущегося сопротивления рк отсутствуют. Наш эксперимент по измерению поля в переходной зоне искусственного источника излучения показал, что земные приливные
эффекты все же могут быть обнаружены при продолжительных высокоточных измерениях электрического и магнитного полей даже на кристаллических щитах.
Благодаря применению современного приемно-передающего комплекса СНЧ-диапазона, в данной работе впервые были измерены крайне слабые вариации электрического и магнитного полей - на 2-3 порядка меньшие амплитуд самих полей. Устойчивая повторяемость участков вариаций в разные дни подтверждает качество полученных данных.
Измерения показали, что поверхностный импеданс на периодах порядка нескольких часов не имеет таких же ярко выраженных вариаций, как горизонтальные электрическое и магнитное поля. Следовательно, основным источником наблюдаемых вариаций СНЧ-полей длительностью порядка нескольких часов следует считать активно протекающие процессы в ионосфере Земли.
Обнаруженные на длительном интервале наблюдений вариации поля с периодом около 14 суток имеют несколько иные свойства. Здесь однозначно проявляется их регулярный характер и амплитуда этих медленных вариаций значительно больше, чем у суточных. Эти медленные вариации поля достаточно близки по фазе к приливным смещениям земной поверхности АН с тем же периодом
- с приливной волной Mf (период «13.7 сут.), и, по-видимому, связаны с крупномасштабными приливными процессами в толще земной коры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кононов Ю.М., Жамалетдинов А.А. Системы СНЧ-радиосвязи и мониторинга среды: перспективное направление конверсионной политики России // ИНФОРМОСТ - Радиоэлектроника и телекоммуникации. 2002. № 3(21). С. 4-6. 2. Saraev A.K., Pertel M.I. and Malkin Z.M. Correction of the electromagnetic monitoring data for tidal variations of apparent resistivity // Journal of Applied Geophysics. 2002. Vol. 49, № 1-2. P. 91-100. 3. Saraev A.K., Pertel M.I. and Malkin Z.M. Monitoring of tidal variations of apparent resistivity // Geologica Acta. 2010. Vol. 8, № 1. P. 513. 4. Велихов Е.П. Использование мощных стационарных источников экстремально низкочастотного электромагнитного поля в задаче дистанционного зондирования. Инновационные электромагнитные методы геофизики / Е.П. Велихов, Е.Д. Терещенко, М.С. Жданов, Ю.Г. Щорс, Т.А. Багиров, В.Ф. Григорьев, А.Е. Сидоренко, А.Н. Миличенко. М., 2009. С. 10-21. 5. Малкин З.М. О сглаживании методом Уиттекера // Кинематика и физика небесных тел. 1996. Т. 12, № 4. С. 92-96. 6. Howard L. Weinert. Efficient computation for Whittaker-Henderson smoothing // Computational Statistics & Data Analysis. 2007. № 52. P. 959-974.
Сведения об авторах
Терещенко Евгений Дмитриевич - д.ф.-м.н., директор; e-mail: [email protected] Сидоренко Антон Евгеньевич - младший научный сотрудник; e-mail: [email protected] Григорьев Валерий Федосеевич - помощник директора; e-mail: [email protected]
