Помощь студентам в учебе
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ФОН ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ДИАПАЗОНЕ КРАЙНЕ НИЗКИХ ЧАСТОТ В ТОМСКЕ
|
Аннотация
Перечень сокращений и обозначений 4
Введение 5
1 Механизмы формирования электромагнитного фона КНЧ-диапазона в
окружающей среде 10
1.1 Источники ЭМ-излучений КНЧ-диапазона 10
1.2 Шумановские резонансы 11
1.3 Среднеширотные континентальные облака 19
1.3.1 Образование облаков и их классификация 19
1.3.2 Характерные сочетания форм облаков 23
1.3.3 Способы регистрации облачности 25
1.3.4 Ресурсы сети Интернет по облачности 27
2 Аппаратурно методическое обеспечение исследований параметров КНЧ
ЭМ-фона 32
2.1 Измерительное оборудование для регистрации электромагнитного фона
КНЧ-диапазона в Томске 32
2.2 Регулярные вариации ЭМ КНЧ-фона в Томске 34
3 Обработка сигналов от слабых внутри облачных разрядов в отсутствии
местной грозовой активности 38
3.1 Алгоритм выделения и обработки сигналов от слабых внутри облачных
разрядов на спектрограммах 38
3.1.1 Этап 1 - Сборка одного изображения из двух для последовательно
идущих дней 40
3.1.2 Этап 2 - Пороговое выделение сигналов повышенного уровня на
спектрограммах 41
3.1.3 Этап 3 - Фильтрация помех 42
3.1.4 Этап 4 - Способы записи параметров ВР в базу данных 43
3.2 Результаты обработки сигналов ВР 45
4 Совместный анализ возмущенности КНЧ-фона и метеопараметров в
Томске 49
4.1 Атмосферное давление в томске в сезонах 2022-2023 гг. и 2023-2024 гг. 49
4.2 Результаты совместного анализа возмущенности и атмосферного
давления 50
4.3 Результаты совместного анализа возмущенности и облачности 55
Заключение 61
Список использованных источников и литературы 63
Приложение А Апробация работы 72
Приложение Б Публикации автора 73
Перечень сокращений и обозначений 4
Введение 5
1 Механизмы формирования электромагнитного фона КНЧ-диапазона в
окружающей среде 10
1.1 Источники ЭМ-излучений КНЧ-диапазона 10
1.2 Шумановские резонансы 11
1.3 Среднеширотные континентальные облака 19
1.3.1 Образование облаков и их классификация 19
1.3.2 Характерные сочетания форм облаков 23
1.3.3 Способы регистрации облачности 25
1.3.4 Ресурсы сети Интернет по облачности 27
2 Аппаратурно методическое обеспечение исследований параметров КНЧ
ЭМ-фона 32
2.1 Измерительное оборудование для регистрации электромагнитного фона
КНЧ-диапазона в Томске 32
2.2 Регулярные вариации ЭМ КНЧ-фона в Томске 34
3 Обработка сигналов от слабых внутри облачных разрядов в отсутствии
местной грозовой активности 38
3.1 Алгоритм выделения и обработки сигналов от слабых внутри облачных
разрядов на спектрограммах 38
3.1.1 Этап 1 - Сборка одного изображения из двух для последовательно
идущих дней 40
3.1.2 Этап 2 - Пороговое выделение сигналов повышенного уровня на
спектрограммах 41
3.1.3 Этап 3 - Фильтрация помех 42
3.1.4 Этап 4 - Способы записи параметров ВР в базу данных 43
3.2 Результаты обработки сигналов ВР 45
4 Совместный анализ возмущенности КНЧ-фона и метеопараметров в
Томске 49
4.1 Атмосферное давление в томске в сезонах 2022-2023 гг. и 2023-2024 гг. 49
4.2 Результаты совместного анализа возмущенности и атмосферного
давления 50
4.3 Результаты совместного анализа возмущенности и облачности 55
Заключение 61
Список использованных источников и литературы 63
Приложение А Апробация работы 72
Приложение Б Публикации автора 73
Актуальность проблемы.
Важная роль в современном понимании экологии отводится электромагнитным (ЭМ) полям, как постоянно присутствующему экологическому фактору [1-3]. Проблема электромагнитной безопасности населения в настоящее время приобрела социальное значение [4]. Здесь решающую роль играет рост уровня ЭМ-фона под действием разнообразных техногенных источников (домашняя и производственная электросеть, бытовые и промышленные приборы, устройства связи, навигации и т.д. [2, 4]). Появились и широко используются термины «электромагнитное загрязнение» и «электромагнитный смог» [2, 3]. Антропогенное воздействие в крупных городах и индустриальных центрах существенно превосходит природные ЭМ-поля, деформируя тем самым естественную среду обитания.
Электромагнитные поля диапазона крайне низких частот (КНЧ) находят отклик в регуляции отдельных живых организмов и электромагнитной организации биосферы в целом [5 - 10]. К настоящему времени сложилось и активно развивается представление о резонансном механизме солнечно-земных связей [11], предложенным коллективом кафедры космической физики и экологии ТГУ. Этот механизм, развивая идеи А.Л. Чижевского [12], объясняет, каким способом события, происходящие на Солнце, проявляют себя на уровне биосферы планеты и в состоянии отдельных живых организмов. Ключевая роль в реализации этого механизма отводится КНЧ ЭМ-полям вообще и шумановским резонансам [13-46] в частности.
Шумановские резонансы (ШР) являются основным физическим механизмом, определяющим глобальное распределение электромагнитной энергии в окружающей среде в диапазоне крайне низких частот (3-30 Гц). Этот механизм впервые был теоретически предсказан В.О. Шуманом [13] в 1952 году, в силу чего и получил свое название. Впоследствии М. Бальсер и Ч. Вагнер обнаружили это явление в окружающей среде экспериментально [14].
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 импульсных источников глобальной грозовой активности [43].
Было установлено, что в ряде случаев появляются характерные сигналы повышенного уровня с широкой полосой спектра (перекрывающей несколько первых мод ШР), не связанные с техногенными источниками. Такие сигналы имеют длительность от нескольких минут до десятков часов. В зимнем сезоне такие возмущения не могут быть вызваны локальной грозовой активностью (носящей сезонный - причем, летний характер). При этом было отмечено, что появление таких сигналов, как правило, связано с присутствием в пункте регистрации облачности, которая, как известно, тесно связана с атмосферными электрическими явлениями [47, 48], например, внутри облачными электрическими разрядами [49]. Исследование возмущенности ЭМ КНЧ-фона может оказаться полезным для объяснения эффекта метеочувствительности [50-53], наблюдаемого в человеческой популяции.
Целью данной работы является получение статистических оценок возмущенности ЭМ КНЧ-фона, вызванной слабыми внутри облачными электрическими разрядами в отсутствии местной грозовой активности в сезонах 2022-2023 гг. и 2023-2024 гг.
Для достижения поставленной цели решались следующие взаимосвязанные задачи:
1) Выбор ресурсов сети Интернет, содержащих информацию о параметрах облачности в окрестностях Томска.
2) Выделение и статистический анализ повышенных значений уровня КНЧ электромагнитного фона в вертикальной компоненте Ez в двух сезонах: с октября 2022 по март 2023. и с октября 2023 по март 2024.
3) Сопоставление этих возмущений уровня электромагнитного фона с метеофакторами на предмет выявления возможной корреляционной связи.
Методы исследования.
Основным методом для сбора исходных экспериментальных данных выбран синхронный мониторинг вертикальной электрической компоненты электромагнитного КНЧ-фона. Для оценки и анализа метеопараметров и КНЧ-возмущений ЭМ-фона применяются классические методы статистической радиофизики. Совместная математическая обработка величины возмущений с учетом метеопараметров проводится классическими методами непараметрической статистики и регрессионного анализа.
Научная новизна.
Региональная грозовая активность в Западной Сибири является основным природным источником импульсных возмущений ЭМ-фона в летний период. Главной причиной грозовой активности в указанный период выступает развитая региональная облачность. В зимнее время, когда местные грозы практически отсутствуют, появление местной облачности сопровождается в ряде случаев существенным увеличением уровня КНЧ ЭМ-фона. Данный феномен ранее и до настоящего времени не исследовался.
Основные положения, выносимые на защиту.
В работе сформулированы и выносятся на защиту два научных положения:
1. Результаты мониторинга возмущений вертикальной
электрической компоненты в КНЧ-диапазоне, связанные с местной облачностью в Томске в зимних сезонах 2022-2023 гг. и 2023-2024 гг. Условная частота появления возмущений, связываемых с внутри облачными электрическими разрядами, ЭМ КНЧ-фона для зимнего сезона 2022-2023 гг. составила ~8.18%, и ~ 15.13% для сезона 20232024 гг. соответственно.
2. Увеличение плотности облачности в нижней тропосфере в среднем сопровождается ростом возмущенности ЭМ КНЧ-фона. Величина линейной статистической связи, определяемая ранговым коэффициентом корреляции Спирмена, оказалась значимой и составила 0.25 для сезона 2022-2023 гг. и 0.36 для сезона 2023-2024 гг. при уровне достоверности 0.95.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных результатов обусловлена
репрезентативностью выборки экспериментальных данных, классическими методами исследований, непротиворечивостью полученных оценок и известных результатов других авторов, качественным сходством полученных результатов для двух различных сезонов наблюдений.
Практическая ценность.
В рамках проведенных исследований разработан алгоритм выделения возмущений ЭМ КНЧ-фона на спектрограммах, предложена методика совместной обработки возмущений ЭМ КНЧ-фона и метеопараметров, которые реализованы 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. Результаты, представленные в данной работе, обсуждались на 2 конференциях (приложение А) и опубликованы в 1 работе (приложение Б), получено Свидетельство о правах на интеллектуальную собственность.
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, формирующий ЭМ-фон в резонаторе Земля-ионосфера. Рассмотрена облачность как потенциальная причина возникновения возмущений ЭМ- фона. Проведен выбор ресурсов сети Интернет по облачности, которые используются в основной части работы.
Во второй главе приводится описание применяемого измерительного оборудования, показаны сезонно-суточные вариации резонансных частот и амплитуд первых трех мод ШР. Обоснован выбор порога для выделения возмущений ЭМ КНЧ-фона.
Глава три является оригинальной. В ней приведена методика выделения возмущений на спектрограммах. Представлены результаты выделения и статистического анализа возмущений в двух зимних сезонах 2022-2023 гг. и 2023-2024 гг.
Глава четыре посвящена анализу связи метеофакторов на вероятностные характеристики появления возмущений и так же является оригинальной. В ней проводится анализ атмосферного давления и облачности в месте регистрации ЭМ КНЧ-фона, а также оценивается их влияние на появление возмущений вертикальной электрической компоненты в КНЧ-диапазоне. Рассчитаны корреляционные связи между облачностью и возмущенностью. Вычислены регрессионные зависимости величины возмущений от балла облачности. Приведен критический анализ полученных результатов.
В заключении кратко излагаются основные результаты, полученные в процессе выполнения работы.
Важная роль в современном понимании экологии отводится электромагнитным (ЭМ) полям, как постоянно присутствующему экологическому фактору [1-3]. Проблема электромагнитной безопасности населения в настоящее время приобрела социальное значение [4]. Здесь решающую роль играет рост уровня ЭМ-фона под действием разнообразных техногенных источников (домашняя и производственная электросеть, бытовые и промышленные приборы, устройства связи, навигации и т.д. [2, 4]). Появились и широко используются термины «электромагнитное загрязнение» и «электромагнитный смог» [2, 3]. Антропогенное воздействие в крупных городах и индустриальных центрах существенно превосходит природные ЭМ-поля, деформируя тем самым естественную среду обитания.
Электромагнитные поля диапазона крайне низких частот (КНЧ) находят отклик в регуляции отдельных живых организмов и электромагнитной организации биосферы в целом [5 - 10]. К настоящему времени сложилось и активно развивается представление о резонансном механизме солнечно-земных связей [11], предложенным коллективом кафедры космической физики и экологии ТГУ. Этот механизм, развивая идеи А.Л. Чижевского [12], объясняет, каким способом события, происходящие на Солнце, проявляют себя на уровне биосферы планеты и в состоянии отдельных живых организмов. Ключевая роль в реализации этого механизма отводится КНЧ ЭМ-полям вообще и шумановским резонансам [13-46] в частности.
Шумановские резонансы (ШР) являются основным физическим механизмом, определяющим глобальное распределение электромагнитной энергии в окружающей среде в диапазоне крайне низких частот (3-30 Гц). Этот механизм впервые был теоретически предсказан В.О. Шуманом [13] в 1952 году, в силу чего и получил свое название. Впоследствии М. Бальсер и Ч. Вагнер обнаружили это явление в окружающей среде экспериментально [14].
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 импульсных источников глобальной грозовой активности [43].
Было установлено, что в ряде случаев появляются характерные сигналы повышенного уровня с широкой полосой спектра (перекрывающей несколько первых мод ШР), не связанные с техногенными источниками. Такие сигналы имеют длительность от нескольких минут до десятков часов. В зимнем сезоне такие возмущения не могут быть вызваны локальной грозовой активностью (носящей сезонный - причем, летний характер). При этом было отмечено, что появление таких сигналов, как правило, связано с присутствием в пункте регистрации облачности, которая, как известно, тесно связана с атмосферными электрическими явлениями [47, 48], например, внутри облачными электрическими разрядами [49]. Исследование возмущенности ЭМ КНЧ-фона может оказаться полезным для объяснения эффекта метеочувствительности [50-53], наблюдаемого в человеческой популяции.
Целью данной работы является получение статистических оценок возмущенности ЭМ КНЧ-фона, вызванной слабыми внутри облачными электрическими разрядами в отсутствии местной грозовой активности в сезонах 2022-2023 гг. и 2023-2024 гг.
Для достижения поставленной цели решались следующие взаимосвязанные задачи:
1) Выбор ресурсов сети Интернет, содержащих информацию о параметрах облачности в окрестностях Томска.
2) Выделение и статистический анализ повышенных значений уровня КНЧ электромагнитного фона в вертикальной компоненте Ez в двух сезонах: с октября 2022 по март 2023. и с октября 2023 по март 2024.
3) Сопоставление этих возмущений уровня электромагнитного фона с метеофакторами на предмет выявления возможной корреляционной связи.
Методы исследования.
Основным методом для сбора исходных экспериментальных данных выбран синхронный мониторинг вертикальной электрической компоненты электромагнитного КНЧ-фона. Для оценки и анализа метеопараметров и КНЧ-возмущений ЭМ-фона применяются классические методы статистической радиофизики. Совместная математическая обработка величины возмущений с учетом метеопараметров проводится классическими методами непараметрической статистики и регрессионного анализа.
Научная новизна.
Региональная грозовая активность в Западной Сибири является основным природным источником импульсных возмущений ЭМ-фона в летний период. Главной причиной грозовой активности в указанный период выступает развитая региональная облачность. В зимнее время, когда местные грозы практически отсутствуют, появление местной облачности сопровождается в ряде случаев существенным увеличением уровня КНЧ ЭМ-фона. Данный феномен ранее и до настоящего времени не исследовался.
Основные положения, выносимые на защиту.
В работе сформулированы и выносятся на защиту два научных положения:
1. Результаты мониторинга возмущений вертикальной
электрической компоненты в КНЧ-диапазоне, связанные с местной облачностью в Томске в зимних сезонах 2022-2023 гг. и 2023-2024 гг. Условная частота появления возмущений, связываемых с внутри облачными электрическими разрядами, ЭМ КНЧ-фона для зимнего сезона 2022-2023 гг. составила ~8.18%, и ~ 15.13% для сезона 20232024 гг. соответственно.
2. Увеличение плотности облачности в нижней тропосфере в среднем сопровождается ростом возмущенности ЭМ КНЧ-фона. Величина линейной статистической связи, определяемая ранговым коэффициентом корреляции Спирмена, оказалась значимой и составила 0.25 для сезона 2022-2023 гг. и 0.36 для сезона 2023-2024 гг. при уровне достоверности 0.95.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных результатов обусловлена
репрезентативностью выборки экспериментальных данных, классическими методами исследований, непротиворечивостью полученных оценок и известных результатов других авторов, качественным сходством полученных результатов для двух различных сезонов наблюдений.
Практическая ценность.
В рамках проведенных исследований разработан алгоритм выделения возмущений ЭМ КНЧ-фона на спектрограммах, предложена методика совместной обработки возмущений ЭМ КНЧ-фона и метеопараметров, которые реализованы 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. Результаты, представленные в данной работе, обсуждались на 2 конференциях (приложение А) и опубликованы в 1 работе (приложение Б), получено Свидетельство о правах на интеллектуальную собственность.
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, формирующий ЭМ-фон в резонаторе Земля-ионосфера. Рассмотрена облачность как потенциальная причина возникновения возмущений ЭМ- фона. Проведен выбор ресурсов сети Интернет по облачности, которые используются в основной части работы.
Во второй главе приводится описание применяемого измерительного оборудования, показаны сезонно-суточные вариации резонансных частот и амплитуд первых трех мод ШР. Обоснован выбор порога для выделения возмущений ЭМ КНЧ-фона.
Глава три является оригинальной. В ней приведена методика выделения возмущений на спектрограммах. Представлены результаты выделения и статистического анализа возмущений в двух зимних сезонах 2022-2023 гг. и 2023-2024 гг.
Глава четыре посвящена анализу связи метеофакторов на вероятностные характеристики появления возмущений и так же является оригинальной. В ней проводится анализ атмосферного давления и облачности в месте регистрации ЭМ КНЧ-фона, а также оценивается их влияние на появление возмущений вертикальной электрической компоненты в КНЧ-диапазоне. Рассчитаны корреляционные связи между облачностью и возмущенностью. Вычислены регрессионные зависимости величины возмущений от балла облачности. Приведен критический анализ полученных результатов.
В заключении кратко излагаются основные результаты, полученные в процессе выполнения работы.
В процессе выполнения работы получены следующие основные результаты.
Предложен и реализован в среде программирования Borland Delphi 6.0 алгоритм выделения характерных сигналов повышенного уровня, предположительно генерируемых слабыми внутри облачными разрядами, основанный на анализе спектрограмм КНЧ электромагнитного фона, зарегистрированного в Томске.
Проведен статистический анализ характеристик таких сигналов за два зимних периода:
1) Для сезона с 1 октября 2022 года по 31 марта 2023 года получено, что для 60 дней из 182 (~33% случаев) возмущения КНЧ электромагнитного фона не наблюдались. Слабые возмущения (N<200 за сутки) наблюдаются для 70 дней (-38% случаев) за сезон. Из возможного числа (87360) идентифицировано 7147 3-ех минутных записей сигналов ВР.
2) Для сезона с 1 октября 2023 года по 31 марта 2024 года получено, что 33 дня из 183 без возмущений ЭМФ от ВР (~18%). Слабые возмущения (Nbp<200 за сутки) наблюдаются 53 дня (~29%). Из возможного числа (87340) идентифицировано 13326 3-ех минутных записей сигналов ВР.
Совместный анализ интегрального числа возмущений ЭМФ и атмосферного давления в пункте наблюдений показал:
1) Для сезона 2022-2023 гг. получено, что при низком давлении (менее 1000 мбар) в среднем вероятность появления сигналов ВР выше в ~4.4 раза, чем при высоком. Для этого интервала давлений возмущенность выше в ~ 2.7 раза, чем для всей статистической выборки.
2) Для сезона 2023-2024 гг. получено, что при низком давлении (менее 1000 мбар) в среднем вероятность появления сигналов ВР выше в ~2.4 раза, чем при высоком. Для этого интервала давлений возмущенность выше в ~ 1.2 раза, чем для всей статистической выборки.
3) Максимальная возмущенность ЭМФ соответствуют интервалу давлений 980:990 мбар для двух рассмотренных сезонов.
Совместный анализ интегрального числа возмущений ЭМФ и облачности в пункте наблюдений показал наличие значимой статистической связи. Коэффициент ранговой корреляции Спирмена составила 0.25 для сезона 2022-2023 гг. и 0.36 для сезона 2023-2024 гг. при уровне достоверности 0.95.
Полученные результаты подтверждают базовую гипотезу об атмосферном происхождении таких сигналов и их связи с внутри облачными разрядами.
Предложен и реализован в среде программирования Borland Delphi 6.0 алгоритм выделения характерных сигналов повышенного уровня, предположительно генерируемых слабыми внутри облачными разрядами, основанный на анализе спектрограмм КНЧ электромагнитного фона, зарегистрированного в Томске.
Проведен статистический анализ характеристик таких сигналов за два зимних периода:
1) Для сезона с 1 октября 2022 года по 31 марта 2023 года получено, что для 60 дней из 182 (~33% случаев) возмущения КНЧ электромагнитного фона не наблюдались. Слабые возмущения (N<200 за сутки) наблюдаются для 70 дней (-38% случаев) за сезон. Из возможного числа (87360) идентифицировано 7147 3-ех минутных записей сигналов ВР.
2) Для сезона с 1 октября 2023 года по 31 марта 2024 года получено, что 33 дня из 183 без возмущений ЭМФ от ВР (~18%). Слабые возмущения (Nbp<200 за сутки) наблюдаются 53 дня (~29%). Из возможного числа (87340) идентифицировано 13326 3-ех минутных записей сигналов ВР.
Совместный анализ интегрального числа возмущений ЭМФ и атмосферного давления в пункте наблюдений показал:
1) Для сезона 2022-2023 гг. получено, что при низком давлении (менее 1000 мбар) в среднем вероятность появления сигналов ВР выше в ~4.4 раза, чем при высоком. Для этого интервала давлений возмущенность выше в ~ 2.7 раза, чем для всей статистической выборки.
2) Для сезона 2023-2024 гг. получено, что при низком давлении (менее 1000 мбар) в среднем вероятность появления сигналов ВР выше в ~2.4 раза, чем при высоком. Для этого интервала давлений возмущенность выше в ~ 1.2 раза, чем для всей статистической выборки.
3) Максимальная возмущенность ЭМФ соответствуют интервалу давлений 980:990 мбар для двух рассмотренных сезонов.
Совместный анализ интегрального числа возмущений ЭМФ и облачности в пункте наблюдений показал наличие значимой статистической связи. Коэффициент ранговой корреляции Спирмена составила 0.25 для сезона 2022-2023 гг. и 0.36 для сезона 2023-2024 гг. при уровне достоверности 0.95.
Полученные результаты подтверждают базовую гипотезу об атмосферном происхождении таких сигналов и их связи с внутри облачными разрядами.
