Помощь студентам в учебе
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ФОНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ДИАПАЗОНЕ КРАЙНЕ НИЗКИХ ЧАСТОТ В ТОМСКЕ
|
Реферат
Введение 5
1 Механизмы формирования электромагнитного фона крайне
низкочастотного диапазона в окружающей среде 9
1.1 Источники КНЧ-излучений 9
1.1.1 Классификация источников КНЧ-излучений 9
1.1.2 Глобальная грозовая активность 10
1.1.3 Региональная грозовая активность 14
1.1.4 Системы наблюдения за грозами 15
1.2 Шумановские резонансы 19
2 Измерительное оборудование и методики обработки 21
2.1 Трехкомпонентный индукционный магнитометр LEMI-30 21
2.2 Однопунктовый грозопеленгатор-дальномер Boltek LD-350 23
2.3 Методика совместной обработки грозовых
разрядов и возмущений компонент магнитной индукции 25
3 Обработка экспериментальных данных в сезоне грозовой
активности 2018 года 27
3.1 Анализ грозовой активности на территории Западной Сибири 27
3.1.1 Пространственные характеристики грозовой активности 27
3.1.2 Динамика грозовой активности в сезоне 2018 года 29
3.2 Возмущения компонент магнитной индукции в КНЧ-
диапазоне, вызванные местной грозовой активностью 33
3.3 Оценки возмущенности модуля горизонтальной компоненты
магнитной индукции грозовыми разрядами различных типов 40
Заключение 44
Список использованных источников и литературы 46
Приложение А. Список участия в конференциях автора 50
Приложение Б. Список публикаций автора 51
Приложение В. Список дипломов автора 53
Введение 5
1 Механизмы формирования электромагнитного фона крайне
низкочастотного диапазона в окружающей среде 9
1.1 Источники КНЧ-излучений 9
1.1.1 Классификация источников КНЧ-излучений 9
1.1.2 Глобальная грозовая активность 10
1.1.3 Региональная грозовая активность 14
1.1.4 Системы наблюдения за грозами 15
1.2 Шумановские резонансы 19
2 Измерительное оборудование и методики обработки 21
2.1 Трехкомпонентный индукционный магнитометр LEMI-30 21
2.2 Однопунктовый грозопеленгатор-дальномер Boltek LD-350 23
2.3 Методика совместной обработки грозовых
разрядов и возмущений компонент магнитной индукции 25
3 Обработка экспериментальных данных в сезоне грозовой
активности 2018 года 27
3.1 Анализ грозовой активности на территории Западной Сибири 27
3.1.1 Пространственные характеристики грозовой активности 27
3.1.2 Динамика грозовой активности в сезоне 2018 года 29
3.2 Возмущения компонент магнитной индукции в КНЧ-
диапазоне, вызванные местной грозовой активностью 33
3.3 Оценки возмущенности модуля горизонтальной компоненты
магнитной индукции грозовыми разрядами различных типов 40
Заключение 44
Список использованных источников и литературы 46
Приложение А. Список участия в конференциях автора 50
Приложение Б. Список публикаций автора 51
Приложение В. Список дипломов автора 53
Актуальность проблемы.
Основным физическим механизмом, определяющим глобальное распределение электромагнитной (ЭМ) энергии в окружающей среде в диапазоне крайне низких частот (3-30 Гц) являются шумановские резонансы (ШР). Этот механизм впервые был теоретически предсказан В.О. Шуманом в 1952 году [1], в силу чего и получил свое название. Позже М. Бальсер и Ч. Вагнер обнаружили это явление в окружающей среде экспериментально [1].
К настоящему времени достаточно глубоко исследованы регулярные вариации компонент ЭМ-фона и влияние на них гелиогеофизических факторов. По современным представлениям шумановские резонансы - явление интерференции волн, длина которых соизмерима с геометрическими размерами Земли, вызванное излучением от источников глобальной грозовой активности (ГА). При этом грозовые разряды (ГР) являются источником электромагнитных излучений в широкой частотной полосе с максимумом спектральной плотности мощности сосредоточенным в КНЧ-ОНЧ- диапазонах. Средой распространения таких излучений является волновод Земля-ионосфера, включающий подповерхностные земные слои, всю толщу нейтральной атмосферы и нижнюю ионосферу Земли. Электромагнитные излучения от грозовых разрядов несут важную информацию, как о свойствах самого разряда, так и состоянии среды распространения электромагнитной энергии.
Целью данной работы является исследование возмущений электромагнитного фона в диапазоне крайне низких частот в Западносибирском регионе, обусловленных местной грозовой активностью.
Методы исследования.
Основным методом для сбора исходных экспериментальных данных выбран синхронный мониторинг региональной грозовой активности и регистрации трех компонент магнитной индукции (МИ) электромагнитного КНЧ-фона. Для оценки и анализа региональной грозовой активности и вызванных ей КНЧ-возмущений ЭМ-фона применяются классические методы статистической радиофизики. Математическая обработка величины возмущений МИ с учетом характеристик ГР проводится методами регрессионного анализа.
Научная новизна. Местные среднеширотные грозы являются основным природным источником импульсных возмущений ЭМ-фона в летний период. Вклад местных гроз в вариации КНЧ ЭМ-фона Западносибирского региона к настоящему времени исследован недостаточно полно.
Основные положения, выносимые на защиту.
В работе сформулированы и выносятся на защиту два научных положения:
1. Результаты мониторинга возмущений компонент магнитной индукции в КНЧ-диапазоне, вызванные местной грозовой активностью в Западносибирском регионе в сезоне 2018 года:
а) за весь рассмотренный период максимальное по модулю значение из всех зафиксированных возмущений компонент магнитной индукции, обусловленных ГА, наблюдалось 20 июня - в компоненте Bx - составило - 70.5 нТл, средняя за весь сезон величина возмущений горизонтальной компоненты Bxy составила ~55 пТл;
б) при фиксации грозовых разрядов величина возмущений модуля вертикальной компоненты магнитной индукции в ~91% случаев меньше возмущений модуля горизонтальной компоненты магнитной, при этом в ~45% случаев 5Bxy более чем в 5 раз превышает 5Bz.
2. Эмпирическая зависимость величины возмущений горизонтальной компоненты магнитной индукции от расстояния аппроксимируется степенной функцией с показателем спада по всей полученной выборке
-0.66±0.05; и для разрядов типа CG- составила -0.60±0.06, CG+ - -0.79±0.02, IC+ - -0.51±0.11 и IC- - -0.65±0.08.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных результатов обусловлена
репрезентативностью выборки экспериментальных данных, классическими методами исследований, непротиворечивостью полученных оценок и известных результатов других авторов.
Практическая ценность.
В ходе выполнения работы проведена модернизация измерительного оборудования на полигоне ТГУ «Коларово». Предложена методика совместной обработки грозовой активности и компонент магнитной индукции, которая реализована в виде пакета прикладных программ для ПК. Полученные результаты доступны широкому кругу исследователей и научных организаций через ЦКП «Физика ионосферы и электромагнитная экология» НИ ТГУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты, представленные в данной работе, обсуждались на 4 конференциях (приложение А) и опубликованы в 7 работах (приложение Б).
Краткое содержание работы.
Во введении приводится актуальность работы, сформулирована цель и задачи работы, представлены положения, выносимые на защиту и апробация работы.
Первая глава носит обзорный характер. Вводятся необходимые понятия и определения, используемые в работе. По данным научных источников и обзора литературы описаны механизмы формирования электромагнитного фона крайне низкочастотного диапазона в окружающей среде, рассмотрена глобальная и региональная грозовая активность, как фактор возбуждения резонатора Земля-ионосфера.
Во второй главе приводится описание применяемого измерительного оборудования, методики совместной обработки грозовых
разрядов и возмущений компонент магнитной индукции.
Глава три является оригинальной. В ней проводится анализ грозовой активности на территории Западной Сибири по данным однопунктового грозопеленгатора-дальномера Boltek LD-350, а также оцениваются возмущения компонент магнитной индукции в КНЧ-диапазоне, вызванные местной грозовой активностью. Получена регрессионная зависимость величины возмущений модуля горизонтальной компоненты магнитной индукции от расстояния до грозовых разрядов с учетом их типа.
В заключении кратко излагаются основные результаты, полученные в процессе выполнения работы.
В приложениях приведены основные научные достижения автора.
Основным физическим механизмом, определяющим глобальное распределение электромагнитной (ЭМ) энергии в окружающей среде в диапазоне крайне низких частот (3-30 Гц) являются шумановские резонансы (ШР). Этот механизм впервые был теоретически предсказан В.О. Шуманом в 1952 году [1], в силу чего и получил свое название. Позже М. Бальсер и Ч. Вагнер обнаружили это явление в окружающей среде экспериментально [1].
К настоящему времени достаточно глубоко исследованы регулярные вариации компонент ЭМ-фона и влияние на них гелиогеофизических факторов. По современным представлениям шумановские резонансы - явление интерференции волн, длина которых соизмерима с геометрическими размерами Земли, вызванное излучением от источников глобальной грозовой активности (ГА). При этом грозовые разряды (ГР) являются источником электромагнитных излучений в широкой частотной полосе с максимумом спектральной плотности мощности сосредоточенным в КНЧ-ОНЧ- диапазонах. Средой распространения таких излучений является волновод Земля-ионосфера, включающий подповерхностные земные слои, всю толщу нейтральной атмосферы и нижнюю ионосферу Земли. Электромагнитные излучения от грозовых разрядов несут важную информацию, как о свойствах самого разряда, так и состоянии среды распространения электромагнитной энергии.
Целью данной работы является исследование возмущений электромагнитного фона в диапазоне крайне низких частот в Западносибирском регионе, обусловленных местной грозовой активностью.
Методы исследования.
Основным методом для сбора исходных экспериментальных данных выбран синхронный мониторинг региональной грозовой активности и регистрации трех компонент магнитной индукции (МИ) электромагнитного КНЧ-фона. Для оценки и анализа региональной грозовой активности и вызванных ей КНЧ-возмущений ЭМ-фона применяются классические методы статистической радиофизики. Математическая обработка величины возмущений МИ с учетом характеристик ГР проводится методами регрессионного анализа.
Научная новизна. Местные среднеширотные грозы являются основным природным источником импульсных возмущений ЭМ-фона в летний период. Вклад местных гроз в вариации КНЧ ЭМ-фона Западносибирского региона к настоящему времени исследован недостаточно полно.
Основные положения, выносимые на защиту.
В работе сформулированы и выносятся на защиту два научных положения:
1. Результаты мониторинга возмущений компонент магнитной индукции в КНЧ-диапазоне, вызванные местной грозовой активностью в Западносибирском регионе в сезоне 2018 года:
а) за весь рассмотренный период максимальное по модулю значение из всех зафиксированных возмущений компонент магнитной индукции, обусловленных ГА, наблюдалось 20 июня - в компоненте Bx - составило - 70.5 нТл, средняя за весь сезон величина возмущений горизонтальной компоненты Bxy составила ~55 пТл;
б) при фиксации грозовых разрядов величина возмущений модуля вертикальной компоненты магнитной индукции в ~91% случаев меньше возмущений модуля горизонтальной компоненты магнитной, при этом в ~45% случаев 5Bxy более чем в 5 раз превышает 5Bz.
2. Эмпирическая зависимость величины возмущений горизонтальной компоненты магнитной индукции от расстояния аппроксимируется степенной функцией с показателем спада по всей полученной выборке
-0.66±0.05; и для разрядов типа CG- составила -0.60±0.06, CG+ - -0.79±0.02, IC+ - -0.51±0.11 и IC- - -0.65±0.08.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных результатов обусловлена
репрезентативностью выборки экспериментальных данных, классическими методами исследований, непротиворечивостью полученных оценок и известных результатов других авторов.
Практическая ценность.
В ходе выполнения работы проведена модернизация измерительного оборудования на полигоне ТГУ «Коларово». Предложена методика совместной обработки грозовой активности и компонент магнитной индукции, которая реализована в виде пакета прикладных программ для ПК. Полученные результаты доступны широкому кругу исследователей и научных организаций через ЦКП «Физика ионосферы и электромагнитная экология» НИ ТГУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты, представленные в данной работе, обсуждались на 4 конференциях (приложение А) и опубликованы в 7 работах (приложение Б).
Краткое содержание работы.
Во введении приводится актуальность работы, сформулирована цель и задачи работы, представлены положения, выносимые на защиту и апробация работы.
Первая глава носит обзорный характер. Вводятся необходимые понятия и определения, используемые в работе. По данным научных источников и обзора литературы описаны механизмы формирования электромагнитного фона крайне низкочастотного диапазона в окружающей среде, рассмотрена глобальная и региональная грозовая активность, как фактор возбуждения резонатора Земля-ионосфера.
Во второй главе приводится описание применяемого измерительного оборудования, методики совместной обработки грозовых
разрядов и возмущений компонент магнитной индукции.
Глава три является оригинальной. В ней проводится анализ грозовой активности на территории Западной Сибири по данным однопунктового грозопеленгатора-дальномера Boltek LD-350, а также оцениваются возмущения компонент магнитной индукции в КНЧ-диапазоне, вызванные местной грозовой активностью. Получена регрессионная зависимость величины возмущений модуля горизонтальной компоненты магнитной индукции от расстояния до грозовых разрядов с учетом их типа.
В заключении кратко излагаются основные результаты, полученные в процессе выполнения работы.
В приложениях приведены основные научные достижения автора.
В процессе выполнения работы получены следующие основные результаты и выводы.
1. Проведен аналитический обзор литературы, включающий описание физических механизмов формирования ЭМ-фона, параметров источников КНЧ-излучений в окружающей среде: глобальной и региональной грозовой активности. Описаны системы наблюдения за грозами и основополагающие принципы их работы.
2. Получены основные характеристики грозовой активности в Западносибирском регионе, по данным однопунктового грозопеленгатора- дальномера Boltek LD-350. Сезон грозовой активности 2018 года продолжался пять месяцев - с мая по сентябрь включительно. За весь сезон общее количество дней с повышенной грозовой активностью составило 33 дня: в мае 6, в июне 11, в июле 3, в августе 9 и сентябре 4. На эти дни приходится ~86% от всех грозовых разрядов. Распределение грозовой активности в зависимости от времени суток имеет выраженный суточный ход: максимальные значения наблюдаются в период ~15-05 LT, с 05-15 LT грозовая активность минимальна. Получена оценка пространственной плотности ГР для региона - в радиусе 500 км от места наблюдения в сезоне 2018 года регистрировался в среднем ~1 грозовой разряд на 1000 км2.
3. Предложена, разработана и программно реализована методика автоматического выделения и обработки откликов компонент магнитной индукции на грозовые разряды. По этой методике проведена массовая автоматическая обработки данных за сезон 2018 года.
4. Определены закономерности возмущений компонент магнитной индукции в КНЧ-диапазоне, вызванные местной грозовой активностью. За весь рассмотренный период максимальное по абсолютному значению из всех зафиксированных возмущений компонент МИ, обусловленных ГА, наблюдалось 20 июня - в компоненте Bx - составило -70.5 нТл. Средний уровень возмущений горизонтальной компоненты Вху составил ~55 пТл за весь сезон.
5. В момент фиксации ГР соотношение величины возмущенности модуля вертикальной компоненты магнитной индукции к горизонтальной в ~91% случаев показало, что возмущение горизонтальной компоненты выше модуля вертикальной компоненты, причем в ~45% случаев дВ^ более чем в 5 раз превышает dBz.
6. Построена эмпирическая зависимость величины возмущений горизонтальной компоненты магнитной индукции от расстояния, которая хорошо аппроксимируется степенной функцией с показателем спада -0.66±0.05, значение которого близко к характерным значениям для цилиндрических волн.
7. Получены статистические оценки грозовых разрядов четырех морфологических типов (IC-, IC+, CG-, CG+). Преобладающим типом грозового разряда за весь сезон являются разряды типа GG-. Разряды типа CG+ встречаются реже, чем остальные, их максимальная частота появления за любые рассмотренные сутки не превышает ~19%, а в среднем для сезона 2018 года менее 14%. В июле частота появления межоблочных разрядов типа IC- оказалась аномально высокой - в течение 8 дней превышала значение 40% и достигала ~68% 24 июля. В среднем же частота появление разрядов этого типа за весь сезон не превышает 11%.
8. Различные типы ГР вызывают различные по величине возмущения горизонтальной компоненты МИ. С увеличением расстояния до грозового разряда величина вызываемых им возмущений уменьшается по степенному закону. Максимальные возмущения ~525 пТл вызваны ГР типа CG+, которые встречаются относительно редко ~10%. Наиболее часто встречающиеся разряды типа CG- (~54%) дают третий по величине вклад в возмущения компоненты Bxy в регионе. Межоблачные разряды IC+ приводят к минимальным возмущениям модуля горизонтальной компоненты магнитной индукции.
1. Проведен аналитический обзор литературы, включающий описание физических механизмов формирования ЭМ-фона, параметров источников КНЧ-излучений в окружающей среде: глобальной и региональной грозовой активности. Описаны системы наблюдения за грозами и основополагающие принципы их работы.
2. Получены основные характеристики грозовой активности в Западносибирском регионе, по данным однопунктового грозопеленгатора- дальномера Boltek LD-350. Сезон грозовой активности 2018 года продолжался пять месяцев - с мая по сентябрь включительно. За весь сезон общее количество дней с повышенной грозовой активностью составило 33 дня: в мае 6, в июне 11, в июле 3, в августе 9 и сентябре 4. На эти дни приходится ~86% от всех грозовых разрядов. Распределение грозовой активности в зависимости от времени суток имеет выраженный суточный ход: максимальные значения наблюдаются в период ~15-05 LT, с 05-15 LT грозовая активность минимальна. Получена оценка пространственной плотности ГР для региона - в радиусе 500 км от места наблюдения в сезоне 2018 года регистрировался в среднем ~1 грозовой разряд на 1000 км2.
3. Предложена, разработана и программно реализована методика автоматического выделения и обработки откликов компонент магнитной индукции на грозовые разряды. По этой методике проведена массовая автоматическая обработки данных за сезон 2018 года.
4. Определены закономерности возмущений компонент магнитной индукции в КНЧ-диапазоне, вызванные местной грозовой активностью. За весь рассмотренный период максимальное по абсолютному значению из всех зафиксированных возмущений компонент МИ, обусловленных ГА, наблюдалось 20 июня - в компоненте Bx - составило -70.5 нТл. Средний уровень возмущений горизонтальной компоненты Вху составил ~55 пТл за весь сезон.
5. В момент фиксации ГР соотношение величины возмущенности модуля вертикальной компоненты магнитной индукции к горизонтальной в ~91% случаев показало, что возмущение горизонтальной компоненты выше модуля вертикальной компоненты, причем в ~45% случаев дВ^ более чем в 5 раз превышает dBz.
6. Построена эмпирическая зависимость величины возмущений горизонтальной компоненты магнитной индукции от расстояния, которая хорошо аппроксимируется степенной функцией с показателем спада -0.66±0.05, значение которого близко к характерным значениям для цилиндрических волн.
7. Получены статистические оценки грозовых разрядов четырех морфологических типов (IC-, IC+, CG-, CG+). Преобладающим типом грозового разряда за весь сезон являются разряды типа GG-. Разряды типа CG+ встречаются реже, чем остальные, их максимальная частота появления за любые рассмотренные сутки не превышает ~19%, а в среднем для сезона 2018 года менее 14%. В июле частота появления межоблочных разрядов типа IC- оказалась аномально высокой - в течение 8 дней превышала значение 40% и достигала ~68% 24 июля. В среднем же частота появление разрядов этого типа за весь сезон не превышает 11%.
8. Различные типы ГР вызывают различные по величине возмущения горизонтальной компоненты МИ. С увеличением расстояния до грозового разряда величина вызываемых им возмущений уменьшается по степенному закону. Максимальные возмущения ~525 пТл вызваны ГР типа CG+, которые встречаются относительно редко ~10%. Наиболее часто встречающиеся разряды типа CG- (~54%) дают третий по величине вклад в возмущения компоненты Bxy в регионе. Межоблачные разряды IC+ приводят к минимальным возмущениям модуля горизонтальной компоненты магнитной индукции.
