Суточно-Сезонные вариации атмоСФериков
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
В.И. Козлов, Г.В. Фёдорова, С.Н. Шабаганова. Суточно-сезонные вариации атмосфериков
УДК 551.594.6
В.И. Козлов, Г.В. Фёдорова, С.Н. Шабаганова
Суточно-сезонные вариации атмосфериков
Приводятся статистические характеристики магнитной составляющей импульсных (атмосфериков) естественных радиошу-
мов очень низкочастотного диапазона, порожденных грозовыми разрядами и зарегистрированных в г. Якутске с 2001 по 2008 гг.
Суточная вариация импульсной составляющей естественных радиошумов, кроме летних месяцев, имеет вид полуволны с макси-
мумом в 15-19 ч (UT). В летние месяцы суточная вариация имеет двугорбый характер с наибольшим максимумом в 9 ч UT. Грозо-
вая активность находится в противофазе солнечной активности. Значения показателя степенного закона изменяются от 1,36…2,2
летом до 2…3,2 зимой. Весной и осенью значения показателя составляют 2,2…2,9.
Ключевые слова: поток атмосфериков, молния, грозовой разряд, солнечная активность, радиошум, суточно-сезонные вариа-
ции.
Очень низкочастотные (ОНЧ) электромагнитные сиг- сы от местных гроз с учетом выставленных амплитудных
налы являются неотъемлемой частью сложного комплек- порогов отбора и суточной активности, хорошо просма-
са физических явлений и широко распространены в при- триваются очаги гроз, расположенные в мировых очагах
роде. Основным источником ОНЧ-излучений являются гроз – Африканском и в Юго-Восточной Азии, в пред-
грозовые разряды. Гроза – это атмосферное явление, при горьях Кавказа, на полуострове Индостан, побережье
котором в облаках и между облаками и землей возникают Татарского пролива, на севере Японского моря, в Тихом
сильные электрические разряды – молнии (более 100 раз океане. В летние месяцы существенный вклад вносят
в секунду по всему земному шару), сопровождающиеся местные грозы, максимум которых наблюдается в после-
радиоимпульсами – атмосфериками. Эти радиоимпуль- полуденное время [3].
сы на частотах ОНЧ-диапазона распространяются с ма- Рабочая полоса частот усилительной аппаратуры ре-
лым затуханием на большие расстояния. Даже обогнув гистратора, используемого для данных измерений, 0,3-
земной шар, величина этого импульса превышает шу- 10 кГц, в пределах которой сосредоточена большая часть
мовую составляющую. Перекрывающиеся ослабленные энергии атмосфериков, порожденных наземными разря-
сигналы компонуют флуктуационную составляющую. дами [3]. С целью устранения влияния индустриальных
Сливаясь, они образуют непрерывный шум, называемый помех приемный пункт вынесен от населенных пунктов
регулярным шумовым фоном (РШФ). на расстояние около 25 км. Для уменьшения возможно-
Исследования импульсной составляющей радиошу- го влияния местных помех в самом пункте наблюдения
мов ОНЧ-диапазона ведутся уже много лет. Этим ис- антенное устройство с предварительным усилителем вы-
следованиям посвящен ряд работ [1, 2 и др.]. В них при- несено на расстояние ~ 400 м от пункта наблюдения.
ведены основные теоретические и экспериментальные Стационарная приемная рамочная антенна имеет диа-
характеристики импульсной составляющей радиошумов метр 5,7 м, 30 витков, эффективная площадь 760 кв. м,
ОНЧ-диапазона и исследованы источники импульсов. сопротивление антенны ~ 20 Ом, индуктивность
Однако каждый регион имеет ряд особенностей, и эти ~ 20 мГн, собственная емкость ~ 1000 пФ. Предваритель-
исследования остаются актуальными и в настоящее вре- ный усилитель характеризуется уровнем собственных
мя, поскольку вариации плотности потока атмосфериков шумов в полосе пропускания ~ 1 мкВ. Коэффициент
имеют также прикладное значение. На поведении суточ- передачи 200, входное сопротивление ~ 100 Ом. Общий
ного хода радиошумов построен мониторинг ряда геофи- коэффициент усиления сигналов в каналах счетчиков со-
зических процессов, например, грозовой и сейсмической ставляет 5000. Сигнал с предварительных усилителей в
активности. центральный пункт сбора информации подается по сим-
Для наблюдателя в Якутске (рамочная антенна ори- метричным кабельным линиям связи через разделитель-
ентирована в направлении восток-запад), кроме летних ные трансформаторы для устранения наводок на линии
месяцев, когда определяющими являются радиоимпуль- связи.
Прием атмосфериков осуществлялся на рамочную
Козлов Владимир Ильич – к.ф.-м.н., ст. научный сотруд- антенну, ориентированную в направлении восток-запад
ник Института космофизических исследований и аэрономии (рис. 1).
СО РАН (ИКФИА). Порог регистрации выбран таким образом, что плот-
Е-mail: v.kozlov@ikfia.ysn.ru,
ность потока регистрируемых атмосфериков в суточ-
Фёдорова Галина Валерьевна – студентка ФТИ ЯГУ.
Е-mail: gulyafedorovapt@rambler.ru,
ном дневном максимуме составляла в среднем > 1 сек -1
Шабаганова Светлана Николаевна – ассистент Мирнин- на самом грубом пороге. При этом инструментальные
ского политехнического института (филиал) ЯГУ. ошибки измерений значительно меньше естественных
Е-mail: ssnik@inbox.ru вариаций числа принимаемых грозовых сигналов. Вели-
29
ВЕСТНИК ЯГУ, 2009, том 6, № 4
Рис. 1. Диаграмма направленности используемой антенны (3 порога)
чина сигнала для канала с порогом 1 В на входе счетчи- Отметим, что максимум в 13-19 ч (UT), за который от-
ка соответствует 2⋅10-4 В на выходе антенны. С учетом вечают грозы, происходящие западнее Якутска на рассто-
действующей высоты используемой рамочной антенны янии до 5000 км, сохраняется во все сезоны года и даже в
hд = 0,11 м получаем пороговый уровень сигнала на входе летний (июль) месяц с максимальной местной грозовой
−3
антенны ~ 1,75⋅10 В/м, что дает максимальную даль- активностью. Максимальная летняя грозовая активность
ность регистрации импульсов на данном пороге около проявляется в появлении в летние месяцы второго мак-
~ 10 000 км. Соответственно ~ 3,5 мВ/м (5000 км) для симума в 5 ч (UT), что соответствует местному послепо-
порога 2 В и ~ 7 мВ/м (2500 км) для порога 4 В. Таким луденному времени. Наибольшее количество импульсов,
образом, наиболее чувствительный канал позволяет при- превышающих заданный порог, растет от зимних к лет-
нимать сигналы с расстояний до 10 тыс. км, а наиболее ним месяцам, как и ожидалось. Вариация для суточного
грубый порог – с расстояний до 2500 км. Стандартное от- максимума в 17 ч (UT) между летними и зимними меся-
клонение шумовой составляющей атмосферных помех в цами составляет 230%, а в 9 ч (UT) – 2600%.
полосе частот 2-9 кГц, измеренное в Канаде – в 1950-х го- На этом рисунке показан суточный ход числа импуль-
дах лежит в пределах 0,03…2 мВ/м [4]. Наши измерения сов для порога 3,5 мВ/м, усредненный по 2001-2005 гг.
показывают, что во время летних ближних гроз величина А на рис. 3 показан суточный ход для порога 7,2 мВ/м в
флуктуационной составляющей достигает 1 мВ/м. Таким июле.
образом, наиболее чувствительный порог соответствует Максимум в 13-19 ч (UT), наблюдаемый в суточном
самой верхней оценке шумовой составляющей. ходе импульсной составляющей радиошумов, соответ-
Использованы данные регистрации счета атмосфери- ствует времени наступления максимума для флуктуаци-
ков в час в Якутске (ϕ = 62.00о N, λ=129.72о E) за 2001- онной составляющей радиошумов [3]. А в летний период
2008 гг. второй максимум, наблюдаемый в 18 ч местного якутско-
На рис. 2 показан характерный суточный ход числа го времени, соответствует максимуму местной грозовой
импульсов, регистрируемых в Якутске на рамочную маг- активности и похож на суточный ход летних флуктуаци-
нитную антенну, ориентированную на восток-запад, для онных радиошумов. Для самого высокого порога летний
порога 3,5 мВ/м на входе усилителя в четыре сезона. суточный ход описывается простой полуволной с макси-
30В.И. Козлов, Г.В. Фёдорова, С.Н. Шабаганова. Суточно-сезонные вариации атмосфериков
Рис. 2. Суточный ход числа импульсов для порога 3,5 мВ/м в четыре сезона, 2001-2005 гг.
По оси абсцисс отложено мировое время (UT)
Рис. 3. Суточный ход числа импульсов, регистрируемых в г. Якутске, для порога 7,2 мВ/м на входе усилителя в июле.
По оси абсцисс отложено мировое время (UT)
мумом в 18 ч местного времени, без второго максимума, противофазе солнечной активности, что соответствует
аналогично регистрируемого грозопеленгатором, на кото- полученным нами ранее результатам [3]. Минимум в
ром в ИКФИА СО РАН наблюдаются местные грозы [3]. 3-7 ч, т.е. грозовая активность в океане с 2001 г. до 2008 г.,
Сезонная вариация хода числа импульсов имеет ха- практически не изменяется. Максимум в 8-12 ч, за ко-
рактерный вид одной полуволны с максимумом в три торый отвечает мировой грозовой очаг Юго-Восточной
летние месяца. Азии, из года в год круто поднимается. Наибольшая ва-
В суточном ходе атмосфериков выделяются 3 экс- риация (15-19ч) в результате изменения солнечной ак-
тремума: максимум 8-12 ч UT (послеполуденные часы) тивности наблюдается в мировом Африканском грозовом
– максимум грозовой активности Юго-Восточной Азии; очаге.
максимум 15-19 ч UT (соответствует местному времени), Для порога 3,5 мВ/м сигналы, приведенные на
за который отвечает Африканский мировой грозовой рис. 5, регистрируются с расстояний 5000 км. Минимум
очаг и грозы предгорий Кавказа и минимум в 3-7 ч UT 3-7 ч – интенсивность гроз в Тихом океане также мало
(дневные часы) – это грозовой очаг в Тихом океане. изменяется из года в год, как и для порога 1,75 мВ/м.
На рис. 4 приведены сезонные хода экстремумов для В отличие от максимума 8-12 ч порога 1,75 мВ/м этот
порога 1,75 мВ/м. При этом пороге принимаем сигналы же максимум, но для порога 3,5 мВ/м, то есть грозовая
с расстояний до 10 тыс. км. Видно, что на ниспадающей активность Центрального Китая, практически не меняет-
ветви солнечной активности с максимума (2001) до ми- ся. По сравнению с ходом экстремумов для данного по-
нимума (2008) солнечной активности идет нарастание рога максимум 15-19 ч UT, регистрируемый импульсы с
количества атмосфериков, превышающее заданный по- предгорий Кавказа и Юга Сибири, круто поднимается с
рог. Таким образом, грозовая активность находится в 2001 г. по 2006 г.
31ВЕСТНИК ЯГУ, 2009, том 6, № 4
Кол.имп.превыш.порог 1,75 мВ/м
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
фев.05
окт.06
июл.05
апр.02
апр.04
ноя.01
ноя.03
май.06
мар.07
июн.01
июн.03
июн.08
янв.01
янв.03
янв.08
сен.02
сен.04
авг.07
дек.05
Дата ,UT
Максимум 8-12ч Максимум 15-19ч
Минимум 3-7ч Линейный (Максимум 15-19ч)
Линейный (Максимум 8-12ч) Линейный (Минимум 3-7ч)
Рис. 4. Распределение числа импульсов по сезонам 2001-2008 гг. с порогом 1,75 мВ/м, время – UT
60000
Кол. имп. превыш. порог 3,5мВ/м
50000
40000
30000
20000
10000
0
авг.04
окт.03
окт.06
ноя.01
ноя.04
апр.01
май.02
апр.04
май.05
янв.01
янв.04
мар.03
мар.06
июн.03
фев.02
дек.02
фев.05
дек.05
июл.01
июл.06
сен.02
сен.05
Дата,UT
Максимум 8-12ч Максимум 15-19ч
Минимум 3-7ч Линейная (Максимум 8-12ч)
Линейная (Максимум 15-19ч) Линейная (Минимум 3-7ч)
Рис. 5. Распределение числа импульсов по сезонам 2001-2006 гг. с порогом 3,5 мВ/м, время – UT
На пороге 7 мВ/м (рис. 6) грозовая активность также Зависимость плотности потока атмосфериков V(E)
нарастает к минимуму солнечной активности во все три хорошо аппроксимируется для любого времени суток
выбранных временных интервала. То есть грозовая ак- и года формулой V(E)= V(E0)(Е0/Е)к, которая выведена
тивность побережья Тихого океана, севера Китая и Вос- исходя из следующих допущений [5]: равномерного рас-
тока Сибири ведет себя одинаково, совпадая с поведени- пределения гроз по поверхности Земли; амплитуда ат-
ем грозовой активности в Якутии. мосферика убывает по степенному закону при удалении
Удобной характеристикой интенсивности потока им- от источника; функция распределения амплитуд атмос-
пульсов атмосферных помех служит их число в единицу фериков логарифмически нормальная для любого грозо-
времени. Обычно измеряется количество атмосфериков вого очага на небольшом расстоянии от него.
за час. Для более полного описания плотности потока На рис. 7 представлены суточно-сезонные вариации
атмосфериков в заданной полосе частот надо учитывать показателя степенного закона (к) изменения количества
не только его суточные и сезонные вариации, но и зави- принимаемых атмосфериков для каждого часа суток
симость от уровня E напряженности поля импульсов по- (UT). Значения этого показателя для Якутска изменяются
мех. от 1,36…2,2 летом до 2…3,2 зимой. Для сезонов весна-
32В.И. Козлов, Г.В. Фёдорова, С.Н. Шабаганова. Суточно-сезонные вариации атмосфериков
33ВЕСТНИК ЯГУ, 2009, том 6, № 4
осень значения показателя (к) составляют 2,2…2,9. результатам [3]. Значения показателя степенного закона
Эти величины соответствуют значениям 1,5…3 весной изменяются для Якутска от 1,36…2,2 летом до 2…3,2 зи-
и осенью, 1…2 летом и 2,5…3,5 зимой, приведенным мой. Для сезонов весна-осень значения показателя сте-
М.С. Александровым [6] и измеренным в основном для пенного закона составляют 2,2…2,9.
средних широт европейской части России. По наблюде-
ниям в авроральной зоне на мысе Шмита (Чукотка) [7] Литература
приведены значения показателя (к) изменения количе-
1. Флуктуации электромагнитного поля Земли в диапазоне
ства принимаемых атмосфериков, соответствующие по-
СНЧ / Под ред. М.С. Алексанрова. – М.: Наука, 1972. – 195 с.
лученным нами: для июля 1,8, сентября 1,9 и декабря 2. 2. Ремизов Л.Т. Естественные радиопомехи. – М.: Наука,
В суточном ходе нами наблюдается следующая кар- 1985. – 196 с.
тина: в местное дневное время величина показателя сте- 3. Козлов В.И., Муллаяров В.А. Грозовая активность в Яку-
пенного закона изменения количества принимаемых ат- тии. – Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2004. – 104 с.
мосфериков падает по сравнению с ночным (рис. 8). 4. McKerrow C.A. Some Measurements of Atmospheric Noise
В заключение отметим, что суточная вариация им- at Low and Very Low Frequencies in Canada // JGRes., 1960, vol.
пульсной составляющей естественных радиошумов для 65, no. 7, pp. 1901-1926.
Якутска, кроме летних месяцев, имеет характерный су- 5. Махоткин Л.Г. Статистика атмосферных радиопомех //
Геомагнетизм и аэрономия. – 1963. – Т. 3. – № 2. – С. 284-292.
точный ход в виде плавной полуволны с максимумом в
6. Александров М.С. Исследование атмосферных радио-
15-19 ч (UT). В летние месяцы суточная вариация имеет помех ОНЧ- и НЧ-диапазонов и их источников.//Успехи совре-
двугорбый характер с наибольшим максимумом в 9 ч UT, менной радиоэлектроники. – 1998. – № 10. – С. 3-25.
что соответствует 18 ч местного времени. Сезонный ход 7. Сокуров В.Ф. Энергетический спектр частиц с энергией
грозовой активности находится в противофазе солнечной более 1015 эВ и поток электромагнитных вспышек в призем-
активности, что соответствует полученным нами ранее ном слое. – Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 2006. – 265 с.
Работа поддержана грантами РФФИ 08-02-00348-а, 09-05-98540-р_восток_а и программами ФЦП НОЦ г.к. 02.740.11.0248,
РНП 2555 и Президиума РАН 16.
V. I. Kozlov, G.V. Fyodorova, S.N. Shabaganova
Daily and seasonal variations of atmospherics
Statistics of magnetic component of impulsive (atmospherics) natural radio noise of extremely low frequency range caused by lightning
discharge and registered in Yakutsk city between 2001 and 2008 are given in the article. Daily variations of impulsive component of natural
radio noises except for summer months have the form of half-wave with maximum of 15-19 hours (UT). In summer time daily variations
have double-humped form with 9 hour (UT) maximum. Thunderstorm activity is in antiphase of solar activity. Values of power law vary
from 1,36 … 2,2 in the summer to 2 … 3,2 in winter. In the spring and autumn values are 2,2 … 2,9.
Key words: atmospherics flows, lightning, lightning discharge, solar activity, radio noise, daily and seasonal variations
34Вы также можете почитать
