Результаты наблюдений поперечных резонансов в средних спектрах атмосфериков

2.2 Результаты наблюдений поперечных резонансов в средних спектрах атмосфериков

За период с 1985 по 1989 гг. было проведено несколько серий измерений, целью которых было получение спектральных характеристик атмосфериков в разное время суток. В эксперименте применялся комплекс для измерения спектральных характеристик СДВ-атмосфериков, описание которого приведено в главе

1. Временные реализации естественного радиосигнала СДВ диапазона записывались на ленту магнитографа НО-62. Исходные магнитные записи обрабатывались с помощью спектроанализатора СК4-72/2, работавшего в полосе частот 0-20 кГц с разрешением 100 Гц и затем накапливались с помощью блока интегратора ЯЧС - 76. В обработку включались атмосферики, амплитуда которых превышала пороговый уровень, выбранный несколько выше величины помехи, формируемой излучением гармоник силовой сети. Поскольку наш интегратор не позволяет оценивать дисперсию усредняемого процесса, эту оценку можно получить, предположив, что измеряется эргодический стационарный процесс, для которого случайная ошибка равна [5]:

e = 1 / r N ,

где N - количество усредняемых реализаций. Эта оценка погрешности использовалась при получении средних спектров и составляла = 10 % при N = 100. Паспортная погрешность измерения амплитуды спектроанализатором составляет при этом 10 %.

В результате обработки были получены средние спектры двух типов: гладкие, имеющие широкий максимум в диапазоне 4-8 кГц, и содержащие характерные максимумы вблизи частот 2, 4 кГц. На Рис.2.1 представлены спектры вертикального электрического поля атмосфериков, полученные в результате усреднений по ансамблям, состоявшим из 80 и 84 спектров отдельных импульсов. Здесь по вертикальной оси в логарифмическом масштабе отложена средняя амплитуда спектральных составляющих поля и ее разброс, пропорциональный r N . По горизонтали отложена частота в кГц. Для набора одного ансамбля требовалось от 10 до 45 минут в зависимости от сезона и времени суток. Резонансная структура средних спектров сохранялась в нескольких подряд идущих сериях измерений. Время жизни резонансной структуры составляет от нескольких десятков минут до единиц часов, что согласуется с временем существования локальных грозовых очагов [36].

Таким образом, результаты наблюдений позволили заключить, что эффект поперечного резонанса проявляется в средних спектрах, если во время записей существовал достаточно мощный компактный грозовой очаг. В этом случае процедура усреднения сглаживает тонкую структуру пиков спектров отдельных атмосфериков, выделяя резонансные максимумы. Если же во время наблюдений грозовая активность была обусловлена несколькими источниками, распределенными в широких пределах по дистанции, процесс усреднения приводит к "замыванию" как тонкой структуры спектров, так и самих резонансных максимумов. Следовательно, ПР должны проявляться более ярко при спектральной обработке индивидуальных атмосфериков.

2.3 Результаты наблюдений ПР в спектрах отдельных атмосфериков

Записи вертикальной электрической и двух взаимно ортогональных компонент горизонтального магнитного поля атмосфериков в полосе частот от 0.3 до 13 кГц были сделаны в течение 42-го рейса НИС "Академик Вернадский" в 1991 г. Временные реализации компонент длительностью 40 мсек. регистрировались и накапливались в цифровом виде на дискетах с помощью аналого-цифрового комплекса (Гл. 1.) Электрическая и магнитные антенны были сориентированы и сфазированы таким образом, что ось z была направлена вертикально вверх, ось y совпадала с курсом судна, а ось x была направлена в сторону правого борта, образуя правую декартову систему координат.

Всего было зарегистрировано около 300 импульсов в акваториях Индийского и Атлантического океанов в южном полушарии. Для записи отбирались импульсы характерной "отражательной" формы (в классификации, предложенной в [47]), которые наблюдались в ночное время суток. Моменты локальных закатов и восходов Солнца в течение рейса представлены в Табл.3.2.1. Дальнейшая обработка полученных записей проводилась с помощью ЭВМ типа IBM PC AT.

Чтобы выделить поперечную и продольную компоненты горизонтального магнитного поля, с помощью методики, описанной в Главе 3, определялся пеленг на источник атмосферика, а затем составляющие магнитного поля преобразовывались к системе координат, в которой ось 0r направлена на источник, а ось 0v перпендикулярно ей, по следующим формулам:

H (t) = -H (t)sina + H (t)cosa ;

где H (t), H (t) соответственно поперечная и продольная компоненты магнитного поля по отношению к направлению на источник, a - азимутальный угол вектора Умова-Пойнтинга в судовой системе координат. На Рис. 2.3, 2.4 приведены временные реализации и амплитудные спектры трех компонент поля типичного ночного "отражательного" атмосферика.

В спектрах ночных отражательных атмосфериков, взятых по полной реализации, формируется сложная интерференционная картина, из-за чего затруднено определение резонансных частот. Из временных форм компонент поля видно, что интервалы между последовательными отражениями монотонно увеличиваются, становясь практически эквидистантными к концу атмосферика. Этим обстоятельством мы воспользуемся для выделения поперечного резонанса, соответствующего углам падения волн близким к нормальному к границам (более подробно см. п. 2.1.)

На Рис.2.5 представлен спектр продольной магнитной компоненты хвостовой части атмосферика, записанного 21.1.91г. в Гвинейском заливе. В обработку взята реализация длительностью 30.72 мсек, начало которой отстоит от начала атмосферика на 8 мсек. Для снижения дисперсии спектральных оценок применялось временное окно Хэмминга H(k) [31], на которое предварительно умножалась анализируемая временная реализация:

H(k) = { (2.3.2)

где k - номер отсчета, а N - длительность цифровой реализации. Из полученного спектра можно определить частоты резонансов, а также их добротности Q'. Кроме того можно получить оценку частоты отсечки волновода Земля-ионосфера, взяв отсчет частоты там, где резонансный пик спадает к уровню шумов (см. Рис.2.5.) Полученная частота отсечки волновода может быть использована для оценки эффективной высоты отражения от ионосферы по следующей формуле [33] :

Чтобы контролировать ошибки при определении резонансных частот и связанных с поперечными резонансами добротностей, необходимо знать расстояние до молнии. Для определения расстояния мы будем использовать сонограммный метод (см. напр. [80]).

Для более детального изучения свойств поля атмосфериков строились цифровые динамические спектры (цифровые сонограммы) его компонент. При этом положение спектральных максимумов на оси частот определялось по центру тяжести соответствующего спектрального пика, т.е. по точке максимума и двум соседним отсчетам в спектре/

Текущий спектр при вычислении сонограмм получался по алгоритму быстрого преобразования Фурье (БПФ) 256 - точечных последовательных реализаций длительностью 2.56 мсек и последующей временной сдвижкой между ними, на 0.4 мсек. С целью уменьшения дисперсии спектральных оценок и подавления краевых эффектов реализация перед выполнением БПФ умножалась на временное окно Хэмминга (2.3.2) . Пример сонограммы приведен на Рис 2.6. Точки на этом графике соответствуют положению максимумов амплитудных спектров в координатах время - частота. Видно, что отсчеты группируются в дисперсионные ветви, спадающие по частоте с удалением от начала импульса и асимптотически приближающиеся к значениям частот отсечки. В сонограммах некоторых атмосфериков наблюдалось до восьми резонансных ветвей Рис.2.6, которые мы в дальнейшем будем называть модами (в терминологии, принятой в теории волноводов, модами обычно называют собственные или нормальные волны). В основной массе атмосфериков можно было выделить не более двух мод, пригодных для анализа.

Оценки частот первых восьми резонансов по сонограмме Рис.2.6, найденные путем усреднения данных в интервале от 7.2 мсек до 13.6 мсек, представлены в таблице 2.3.1. Здесь в первой колонке дан номер моды, во второй - частота резонанса, в третьей - стандартное отклонение значений резонансной частоты. Видно, что оценки резонансных частот, полученные для различных мод, кратны частоте первой моды/

Дальность до источника можно оценить, используя полученные экспериментально зависимости частота-время в рамках модели плоского волновода (см параграф 2.1.) Когда задержка t измеряется между моментами прихода составляющих с частотами f и f (f > f ), из формул (2.1.11 - 2.1.14) можно получить выражение для определения дистанции:

D = ct/(cosecq2 - cosecq1). (2.3.8)

В случае, когда задержка t прихода частотной составляющей измеряется относительно начала импульса данная формула преобразуется к виду:

D = c(t + T /2)/(cosecq-1) (2.3.9)

где T - длительность реализации по которой получается спектр. Значение частоты отсечки f можно получить измеряя спектр хвостовой части атмосферика (см. выше.)

Пример определения дальности до источника и высоты ионосферы приведен на Рис.2.7, где на сонограмме в более подробном масштабе представлены две первые резонансные ветви Рис.2.6. По этим данным для каждой точки определялась дальность с помощью формулы (2.3.9), при этом осуществлялся последовательный подбор частоты отсечки таким образом, чтобы получить минимальный тренд значений дальности. Полученные оценки дистанции до молнии, эффективной высоты отражения и их стандартные отклонения приведены на Рис.2.7.

Комплексные динамические спектры позволяют проследить изменение амплитуды (огибающей) и разности фаз между продольной и поперечной компонентами магнитного поля атмосферика. Необходимо отметить, что при приближении к "хвосту" атмоферика, когда угол падения парциальных волн стремится к вертикали, рассматриваемые параметры соответствуют поляризационным параметрам [41], введенным для плоской волны. При этом мы отходим от строгих определений параметров поляризации, которые справедливы для монохроматических сигналов, обобщая их для случая, когда сигнал имеет конечную полосу частот вследствие ограниченной во времени длительности анализируемой реализации.

На Рис.2.8, 2.9 приведены графики зависимостей текущей частоты, разностей фаз и отношения амплитуд продольной и поперечной компонент горизонтального магнитного поля для первой и второй моды атмосфериков, пришедших с запада (Рис.2.8) и с востока (Рис.2.9). На графиках, представляющих поведение разности фаз компонент магнитного поля, положительные значения угла соответствуют левой (вращение горизонтального магнитного поля - по часовой стрелке, при взгляде вслед падающей на землю волне) отрицательные - правой (вращение - против часовой стрелки), 0 и 180 - линейной поляризации. На графиках, представляющих отношение амплитуд продольной и поперечной компонент магнитного поля, значения больше единицы характеризуют преобладание квази-TE волн, значения меньше единицы - преобладание квази-TM волн [44].

В результате анализа банка данных, содержащего записи волновых форм 217 ночных атмосфериков, зарегистрированных в южном полушарии, были отмечены следующие закономерности их поляризации:

1)  поляризация головной части атмосферика близка к линейной;

2)  поляризация "хвоста" атмосферика является эллиптической (часто близкой к круговой), причем направление вращения вектора магнитного поля для южного полушария (если в системе координат корабля смотреть навстречу оси 0z) совпадает с направлением вращения часовой стрелки;

3)  переход от головной части к хвосту может происходить тремя путями :

·  от линейной к левой;

·  от линейной к правой и затем к левой;

·  от линейной к левой, правой и к левой;

4)  наблюдается поляризационная невзаимность распространения восток-запад (В-З) - запад-восток (З-В), которая проявляется в преобладании продольной компоненты магнитного поля ночных атмосфериков при распространении В-З (см. Рис.2.8) и в преобладании поперечной компоненты магнитного поля при распространении З-В (см. Рис.2.9).

2.4 Основные результаты и выводы главы

Проведены экспериментальные исследования явления поперечных резонансов ~ПР` естественного волновода, образованного поверхностью Земли и нижней кромкой ионосферы, в результате которых сделаны следующие выводы.

1.  Показано экспериментально, что поперечные резонансы удается наблюдать в средних спектрах атмосфериков.

2.  Резонансные максимумы в спектрах отдельных атмосфериков наблюдаются наиболее уверенно, если при обработке используется хвостовая часть импульса.

3.  ПР проявляются наиболее ярко в спектрах горизонтальных магнитных компонент поля.

4.  Обоснована методика оценки добротности системы Земля-ионосфера на поперечных резонансах.

5.  В окрестности резонансных частот э/м поле атмосфериков, зарегистрированных ночью, обладает левой эллиптическойполяризацией независимо от азимута прихода. Это свидетельствует о существенной гиротропии ионосферной стенки волновода и подтверждает вывод о левой поляризации хвостовой части твиков, сделанный в работе [12].

6.  Наблюдается преобладание продольной компоненты магнитного поля при распространении ночных атмосфериков с востока на запад и преобладание поперечной компоненты при распространении с запада на восток.

Проведенные исследования могут иметь и практическое значение. Так, описанные эксперименты, позволяют получать геофизическую информацию, например, оценивать высоту нижней границы ионосферы, ее параметры по результатам измерения резонансных максимумов в спектрах СДВ атмосфериков. Кроме того, при проектировании систем СДВ связи и навигации на частотах ниже 10 кГц следует учитывать резонансную структуру радиошумов промежутка Земля-ионосфера, обусловленную явлением ПР.

ГЛАВА 3. Глобальная грозовая активность по результатам пеленгации СДВ атмосфериков

Исследования электромагнитных излучений в диапазоне СНЧ- СДВ, возбуждаемых разрядами молний, дают ценную информацию о свойствах волновода Земля - ионосфера [43, 74, 53, 64], позволяют оценивать пространственное распределение гроз [50, 59, 45, 51, 68, 49], сезонную изменчивость грозовой активности [48, 46, 14]. Основная часть информации о пространственном распределении грозовой активности была накоплена континентальными пунктами наблюдения, расположенными, как правило, в средних широтах и путем сравнения космических и наземных записей [73, 65].

Основные источники земной грозовой активности сосредоточены в тропическом поясе, в так называемых мировых грозовых центрах, расположенных в Африке, Южной Америке, юго-восточной Азии [34]. Сезонные изменения пространственного распределения молний в работе [65] измерялись по спутниковым наблюдениям, при этом моменты измерений и области на поверхности Земли ограничивались параметрами орбиты спутника. Известны также работы, в которых приведены результаты длительных измерений азимутальных распределений атмосфериков в Южной Америке [46] и вариаций направлений на максимум регулярного шума в СДВ диапазоне [9, 10] в Сибири. Тем не менее, приведенные литературные данные не позволяют оценить одновременно динамику и пространственную структуру глобального распределения молний.

В данной главе рассматриваются результаты измерений временных вариаций интенсивности потока и азимутальных распределений атмосфериков, проведенных на борту научно- исследовательского судна (НИС) "Академик Вернадский". Маршрут судна (Рис. 3.1), проходил в тропической зоне Индийского океана между Африканским и Азиатским мировыми грозовыми очагами, а также в Атлантическом океане между Африканским и Американским очагами. Это обстоятельство в обоих случаях позволило наблюдать одновременно два мировых грозовых очага из одного измерительного пункта.

Для пеленгации атмосфериков была предложена и реализована на базе универсального аналого-цифрового комплекса методика, основанная на вычислении компонент среднего вектора Умова-Пойнтинга в широкой полосе частот. Предложенная методика отличается от известных узкополосных и широкополосных способов [4, 15] тем, что позволяет использовать полную энергию импульсных сигналов, а также работать во временной области.