Media-security

ОБ ИССЛЕДОВАНИЯХ ПО РАСПРОСТРАНЕНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН КНЧ-СНЧ ДИАПАЗОНА В ПОЛОСТИ "ЗЕМЛЯ-ИОНОСФЕРА"

А.В. Ханхараев

Отдел Физических Проблем при Президиуме Бурятского Научного Центра

Задача распространения электромагнитных волн КНЧ-СНЧ диапазона в полости "Земля-ионосфера" затрагивает интересы многих ученых, в том числе исследующих процессы распространения электромагнитных волн, характеристики нижней ионосферы, резонансные явления, источники электромагнитных излучений. Этот диапазон волн привлек к себе особенное внимание, когда В.О. Шуман в 1952 г. теоретически рассчитал собственные резонансные частоты полости "Земля-ионосфера" и указал на возможность экспериментального подтверждения существования резонансных явлений при распространении КНЧ-СНЧ электромагнитных волн, длина которых соизмерима с геометрическими параметрами полости "Земля-ионосфера". Обнаруженные резонансы впоследствии назвали шумановскими. Впервые эти резонансы были получены М. Бальсером и Ч. Вагнером в 1960 г. в энергетическом спектре электрической вертикальной компоненты естественного электромагнитного поля (ЕЭМП) Земли на частотах 8, 14, 20, 26 Гц. Ими и рядом других исследователей изучались характеристики распространения КНЧ-СНЧ электромагнитных волн, суточные и сезонные вариации пиковых частот шумановских резонансов (ШР), амплитудные параметры компонент ЕЭМП, факторы добротности резонатора "Земля-ионосфера". Было обнаружено, что пиковые частоты ШР варьируются в пределах нескольких десятых долей Гц, факторы добротности принимают значения от 3,9 до 7 на разных резонансных частотах, уровни поля ЕЭМП изменяются от 10^-3 до 10^-6 В/(м_*Гц^1/2) для электрической вертикальной, от 1,5_*10^-5 до 3_*10^-9 В/(м_*Гц^1/2) для электрической горизонтальной и от 4_*10^-5 до 6_*10^-9 А/(м_*Гц^1/2) для магнитной горизонтальной компоненты ЕЭМП, наблюдались от 4 до 5 ШР. Кроме того, было установлено, что КНЧ-СНЧ электромагнитные волны очень слабо затухают при распространении, коэффициент ослабления a составляет 0,2 Дб/Мм на частоте 10 Гц и 1 Дб/Мм на частоте 100 Гц. Это обстоятельство и большая толщина скин-слоя способствовали развитию работ по исследованию возможностей осуществления СНЧ радиосвязи с отдаленными объектами на поверхности Земли и на некотором углублении. Но здесь ученые столкнулись с проблемой низкой эффективности источников поля в этом диапазоне. Электромагнитная энергия КНЧ-СНЧ диапазона связана, главным образом, с излучениями вертикальных электрических грозовых разрядов - молний, и исследования ШР выявили связь между их среднесуточной амплитудной вариацией и соответствующей вариацией всемирной грозовой активности.

Теория распространения КНЧ-СНЧ электромагнитных волн и ШР была хорошо освещена в работах Я. Галейса и П.В. Блиоха, А.П. Николаенко, Ю.П. Филиппова. Интерес к исследованиям ЕЭМП Земли возрос после экспериментального обнаружения в 1985 г. П.П. Беляевым и др. ионосферного альфвеновского резонатора (ИАР) при исследовании ЕЭМП Земли в диапазоне 0,1 - 20 Гц. Верхняя стенка волновода "Земля-ионосфера" служит нижней границей резонатора для альфвеновских волн, верхняя же граница ИАР обусловлена нарушением геометрической оптики для альфвеновских волн на спаде концентрации ионосферной плазмы выше максимума F-слоя. Оказалось, что наличие резонансных условий для альфвеновских волн в ионосфере приводит к формированию резонансной структуры спектра (РСС) возбуждаемых разрядами молний электромагнитных волн в полости "Земля-ионосфера" на частотах 0,1 - 10 Гц. По результатам многолетних наблюдений (1985-1995 гг.) магнитного поля выяснилось, что РСС является чувствительным индикатором активности светила: вероятность наблюдения РСС (по числу дней в году) максимальна в годы минимума солнечной активности (1985-1987, 1993-1995 гг.) и сводится к нулю в годы её максимума (1989-1991 гг.).

В последние годы интерес к ЕЭМП Земли диапазона шумановских резонансов возрос после исследований Э.Р. Уильямса, показавших наличие связи между изменениями амплитуды магнитного поля на частоте первого шумановского резонанса и вариациями средней поверхностной температуры воздуха в тропическом поясе Земли. Э.Р. Уильямс предложил использовать глобальный характер шумановских резонансов для мониторинга глобальных климатических изменений, то есть на основе анализа спектров ШР констатировать и прогнозировать глобальные изменения климата Земли. Среди последних работ по изучению ЕЭМП Земли следует отметить исследования М. Фёллекруга и А.С. Фрэзера-Смита, обнаруживших на основе данных одновременных измерений горизонтального магнитного поля в трех удаленных друг от друга пунктах наблюдения связь 20-30-дневных вариаций амплитуд на частотах первого и второго резонанса с периодом вращения Солнца. Также интересны работы Г. Сатори и др., исследовавших суточные и сезонные вариации частот первых трех шумановских резонансов и сравнивших полученные результаты с экспериментальными данными других исследователей. Распространение КНЧ-СНЧ электромагнитных волн и ЕЭМП Земли в этом диапазоне являются объектами пристального внимания и исследования лаборатории радиогеофизики Отдела Физических Проблем Бурятского Научного Центра. С конца 70-х гг. здесь постоянно проводились исследования по этому направлению. Кратко можно выделить следующие наиболее важные результаты работ коллектива, которые найдут применение в будущих исследованиях:

- получены уровни естественных полей и добротности резонансных пиков;

- по экспериментальным значениям резонансных частот и добротностей определены фазовая скорость и коэффициент ослабления для первых трех резонансов;

- предложена территориально-временная модель КНЧ шума;

- накоплен банк данных измерений компонент ЕЭМП на магнитных лентах.

В таблице 1 представлены результаты анализа первых двух резонансов спектрограмм компоненты Е_З-В, записанной 22.07.90 в п. Ангир. Спектрограммы приведены на рис. 1. Спектральные пики на частотах 10 и 20 Гц - помехи, возникающие, вероятно, от лентопротяжного механизма магнитографа ЕАМ 340. Горизонтальные полоски на пиках резонансов расположены на уровне половины мощности сигнала. Исследования процессов распространения КНЧ-СНЧ электромагнитных волн и ЕЭМП Земли в этом диапазоне являются актуальными и имеющими несомненную ценность в силу своей глобальности, что позволяет использовать результаты исследований для определения глобальных параметров ионосферы, характеризующих её состояние в целом, анализа распределения грозовой активности по всему земному шару, поиска электромагнитных предвестников землетрясений и в других областях.

Таблица 1.

№ рис.	№ резонанса, n	полоса анализа D f, гц	частота f, гц	добротность, Q_n	фазовая скорость, V_фаз	коэффициент затухания a , дб/Мм
1а	1	50	7,8	3,5	0,73с	0,21
	2		14,3	5,3	0,78с	0,25
1б	1	50	7,8	3,9	0,73с	0,19
	2		13,8	6,0	0,75с	0,21

где с = 3× 10⁸ м/с.

Рис. 1. Спектрограммы компоненты Е _з-вв полосе анализа 0-50 Гц.

Литература

Башкуев Ю.Б., Хаптанов В.Б., Цыдыпов Ч.Ц., Буянова Д.Г. Естественное электромагнитное поле в Забайкалье.-М.:Наука,1989.

Блиох П.В., Николаенко А.П., Филиппов Ю.П. Глобальные электромагнитные резонансы в полости "Земля-ионосфера".-Киев: Наук. думка, 1977.

Galejs J. Terrestrial propagation of long electromagnetic waves. Pergamon Press, 1972. 362 p.

Беляев П.П. и др. // Изв. вузов.Радиофизика, 1997. Т. 40. С. 1305.

Williams E.R. // Science, vol. 256, pp. 1184-1187, 22 may 1992.

M. Fullekrug, A.C. Fraser-Smith // Geoph. Res. Let., Vol. 23, No. 20, pp. 2773-2776, October 1, 1996.

G. Satori // Journal of Atm. & Terr. Ph., Vol. 58, No. 13, pp. 1483-1488, 1996.