Анализатор спектра поля атмосфериков – инструмент изучения гелиогеофизической обстановки

Данная публикация является продолжением работы, описанной в предыдущей статье [1]. Если в первой статье были приведены алгоритм работы анализатора спектра поля атмосфериков (АСПА), структурная схема, особенности работы анализатора, примеры АЧХ поля атмосфериков, то ниже приводятся первичные результаты обработки экспериментальных данных, полученных в двух авроральных обсерваториях Полярного геофизического института РАН: Ловозеро, Мурманская обл. (67,97°N, 35,02°E) и Баренцбург, арх. Шпицберген (78,08°N, 14,22°E).

Как отмечалось ранее, измерение спектральных характеристик поля атмосфериков (ПА) позволяет получать информацию как о свойствах распространения радиоволн, входящих в их спектр, так и о свойствах среды распространения сигнала, какой является волновод земляионосфера [2, 3].

В связи с тем что в литературе отсутствуют экспериментальные данные по АЧХ ПА, для большей достоверности полученных результатов в статье приведено значительное число сеансов записи спектров ПА при различных гелиогеофизических условиях. В данной работе АЧХ ПА рассматриваются синхронно во времени со стандартными геофизическими наблюдениями (нейтронный монитор, магнитометр) отдельно для каждой обсерватории.

Обсерватория ПГИ Ловозеро, Мурманская область

На рисунке 1 представлен пример одновременной шестидневной записи спектров ПА (отдельно с ортогональных направлений Hx, Hy), показаний нейтронного монитора (НМ) [4] и магнитного поля Земли [5].
Рис. 1. Одновременная запись АЧХ ПА Hx-Hy, показаний нейтронного монитора (НМ), магнитограммы геомагнитного поля, графика линии захода и восхода Солнца (20-25).01.2020: a) сонограмма Hx-ПА (обс. Ловозеро); б) сонограмма Hy-ПА (обс. Ловозеро); в) НМ и график линии восхода и захода Солнца (Апатиты, Мурманская обл.); г) вариации магнитного поля Земли (обс. Соданкиля, Финляндия)
Если проанализировать синхронную запись геофизических явлений, представленных на рисунке 1, то можно выделить несколько особенностей:

отличие АЧХ ПА, зарегистрированных с ортогональных направлений: Hx (север–юг), Hy (запад–восток). По характеру спектра можно судить о положении источника ионизации ионосферы Земли;
при спокойном геомагнитном поле 20 и 25 января 2020 года наблюдалась синхронность вариаций космических лучей (показания нейтронного монитора ∆А_нм = 3...4) с изменениями значений критической частоты волновода F_кр в диапазоне частот ∆F_кр = 900...2400 Гц. Длительность данных вариаций лежит в широких пределах: от единиц минут до нескольких часов. Степень освещённости ионосферы Солнцем влияет на величину частотной девиации F_кр;
при спокойном геомагнитном поле 24.01.2020 и освещённой Солнцем ионосфере с увеличением показаний нейтронного монитора (∆А_нм ≈ 7...9), длительности вариаций ∆T ≈ (10...80) мин и значительным уменьшением амплитуды минутных вариаций НМ (∆А_нм < 1) наблюдается режим кратковременного затухания (1...2) ч волноводного распространения радиосигналов в диапазоне частот ∆F_з = (1,5...3,6) кГц. Частотный диапазон затухания сигнала, вероятно, простирается и выше, но возможность его измерения ограничена верхней частотой анализа АСПА.

Алгоритм построения АСПА [1] позволяет получать тонкую структуру спектра ПА, что даёт возможность исследовать как поведение критической частоты волновода, так и отдельных спектральных составляющих, включая моды (n≥1) поперечных резонансов волновода [3]. Рассмотрим отдельно указанные ранее особенности поведения АЧХ ПА при различной геофизической обстановке.

Вариации критической частоты волновода

На рисунке 2 представлен двухчасовой (17:00–19:00, 20.01.2020) фрагмент сонограммы спектра ПА без учёта поверхностной волны (см. рис. 2а), набора нормированных огибающих Ак (номер канала АСПА) узкополосных фильтров анализатора (см. рис. 2б). Временное разрешение АСПА (1 мин) позволяет получать значение критической частоты F_кр синхронно с показаниями НМ.
Рис. 2. Двухчасовой фрагмент АЧХ поля атмосфериков и вариации НМ 20.01.2020, обс. ПГИ Ловозеро, Апатиты: а) сонограмма ПА без учёта поверхностной волны; б) синхронная запись вариации нейтронного монитора, критической частоты Fкр и узкополосных каналов Ак

На рисунке 2б представлена зависимость нормированных значений НМ и критической частоты F_кр волновода, полученная по данным узкополосных каналов анализатора А4–А14 с частотным разрешением 200 Гц. Параметры F_кр:

диапазон значений критической частоты волновода ∆F_кр = (900...2400) Гц;
длительность периода вариации T_кр ≈ (5...60) мин;
максимальная крутизна вариации ∆F_кр/∆T ≈ 300 Гц/мин.

Надо отметить, что спектральные составляющие (см. рис. 2а) со значениями частот F > 2400 Гц являются вторыми гармониками (n = 2) основной моды F_кр:

где h – высота ионосферы, n – номер моды [2, 3].

Режим поглощения сигнала

На рисунке 3 представлены суточные характеристики (24.01.2020, обс. ПГИ Ловозеро) ПА (см. рис. 3а), наборы нормированных амплитудновременных характеристик Ак узкополосных каналов (см. рис. 3б), вариации нейтронного монитора и магнитограмма поля Земли (см. рис. 3в).
Рис. 3. Синхронная суточная запись АЧХ поля атмосфериков, показаний НМ и магнитограммы Земли 24.01.2020: а) сонограмма ПА, обс. ПГИ Ловозеро; б) набор узкополосных каналов АСПА; в) вариации показаний НМ и магнитометра

Из синхронных записей АСПА и НМ (см. рис. 3) видно, что при спокойном магнитном поле (∆H ≈ 2nT) с увеличением длительности вариаций космических лучей с 3 до 12 мин и девиации амплитуды ∆А_12м ≈ (187–181) = 6 наблюдается кратковременное (1–2 ч) затухание сигнала ПА в диапазоне частот ∆F = (1350 – 3600) Гц. При этом девиация показаний нейтронного монитора длительностью T₀≈ 3 мин уменьшилась в 3 раза: ∆А_3м ≈ (191–181)/(183–180) ≈ 3.

Коэффициент передачи для каждой спектральной линии можно оценить по АЧХ ПА, полученных для трёх временных отсчётов (см. рис. 4).
Рис. 4. АЧХ поля атмосфериков для трёх временных отсчётов (обс. ПГИ Ловозеро 24.01.2020): а) режим затухания (10:40); б) до режима затухания (09:40); в) после режима затухания (11:50)

Обсерватория ПГИ Баренцбург (арх. Шпицберген)

В связи с тем что авроральные обсерватории ПГИ имеют разное географическое местоположение, и физикохимические процессы, протекающие в околоземном пространстве, имеют разную степень солнечноземных связей, то вполне очевидно, что АЧХ ПА отличаются. На рисунке 5 представлен пример трёхдневной (18.03–20.03.2020) синхронной записи спектров ПА, НМ [4] и магнитного поля Земли [6].
Рис. 5. Синхронная запись АЧХ ПА, НМ, магнитограммы геомагнитного поля (18-20).03.2020: а) сонограмма поля атмосфериков (обс. ПГИ Баренцбург); б) амплитудно-временные характеристики каналов Ак анализатора (обс. ПГИ Баренцбург); в) магнитограмма геомагнитного поля (обс. Лонгиербюен, Норвегия, арх. Шпицберген); г) показания НМ (обс. ПГИ Баренцбург)

Белые полосы на сонограмме показывают отсутствие зарегистрированных данных в соответствующем промежутке времени. Анализируя вариации огибающей амплитуды узкополосных каналов Ак анализатора (см. рис. 5б), можно выделить три временные особенности.

1. Наблюдаются два повторяющихся во времени режима волновода с периодом T ≈ 24 ч:

15:00–17:00, 18.03, и 18:0019:00, 19.03 – узкополосное затухание сигнала на частоте F = 3600 Гц, длительность ∆T_з ≈ 1 ч;
с 17:00 18.03 до 08:00 19.03 и с 20:00 19.03 до 06:00 20.03 – режим поперечного резонанса для частот в диапазоне ∆F_з ≈ (2100...3300) Гц.

Приближённая формула для поперечного резонанса, зависящая от выбранной модели ионосферы:

где h – высота ионосферы, (n≥1) – номер моды волны. Коэффициент усиления для указанных частот в режиме поперечного резонанса составляет: Ку_{(3273 Гц)} = 1,9; Ку_{(2978 Гц)} = 2,2; Ку_{(2682 Гц)} = 1,7; Ку_{(2386 Гц)} = 2. Длительность режима затухания сигнала лежит в широких пределах ∆T_з ≈ (1...8) ч.

2. 09:00–17:00, 19.03 – длительность временного интервала между повторяющимися режимами составляет T_и≈ 8 ч и равна приблизительно длительности более спокойного магнитного поля – Dкомпоненты (см. рис. 5в).

3. 13:00–24:00, 20.03 – режим узкополосного затухания сигнала последовательно для частот: 2386, 1750, 3600, 3270, 2978, 2090, 2682, 1050, 1350 Гц. Коэффициент затухания сигнала: К_{з(3601 Гц)} = 3,5; К_{з(3273 Гц)} = 1,9; К_{з(1750 Гц)}= 1,5. Длительность процесса затухания на каждой частоте составляет ∆T_f≈ 2 ч, а общая длительность режима затухания T_∑ ≈ 11 ч.
Рис. 6. АЧХ поля атмосфериков при различных геофизических условиях (18–19).03.2020, обс. ПГИ Баренцбург

На рисунке 6 приведены АЧХ ПА для всей полосы анализа ∆F = (600...3600) Гц при разных геофизических условиях, где отчётливо наблюдается как режим затухания сигнала, так и поперечный резонанс:

00:10, 19.03 – спокойные геофизические условия;
15:40, 18.03 – режим затухания сигнала на частоте 3601 Гц;
04:10, 19.03 – режим поперечного резонанса для частоты 2386 Гц.

Также следует отметить ещё два обстоятельства, относящихся к данному сеансу записи:

критическая частота волновода Земля–ионосфера не меняется и составляет 1500 Гц (см. рис. 6);
на отдельных временных отрезках наблюдается синхронность поведения амплитуды огибающей суммарного канала анализатора S (А5А18) и магнитограммы (см. рис. 5б).

Сравнительный анализ усреднённых за несколько суток АЧХ ПА (см. рис. 7) позволяет получать информацию о медленно меняющихся физических процессах, влияющих на ионизацию ионосферы.
Рис. 7. Усреднённые АЧХ ПА в интервале времени 2014-2019 гг., обс. ПГИ Баренцбург
Если выбрать периоды времени 15.12–25.12 и 01.01–10.01, когда ионосфера не освещена Солнцем и граница тени для Баренцбурга проходит на высоте 121 км, то в данном случае в качестве возможной причины вариации АЧХ можно рассматривать магнитное поле Земли, которое защищает планету от солнечной радиации и космического излучения.

На рисунке 7 представлены усреднённые за 10 суток АЧХ ПА за временной промежуток декабрь–январь 2014–2019 года, где заметны изменения характеристик за четырёхлетний период.

Заключение

Первичная обработка экспериментальных данных, полученных в двух авроральных обсерваториях ПГИ, показала следующее:

использование анализатора спектра поля атмосфериков позволяет получить дополнительную информацию для изучения микропроцессов, происходящих на нижней границе ионосферы (вариации критической частоты волновода, поперечный резонанс и режим волноводного затухания сигнала);
применение в качестве преобразователя электромагнитного поля в электрический сигнал магнитной рамочной антенны позволяет получать пространственную избирательность характеристик нижней границы волновода.

В связи с тем что современная техногенная цивилизация становится уязвимой перед событиями, связанными с солнечной активностью и её взаимодействием с магнитным полем Земли и ионосферой, активно изучаются возможности её прогнозирования.

При решении указанных задач целесообразно рассмотреть вопрос о включении анализатора спектра поля атмосфериков в состав наземной геофизической аппаратуры (куда обычно входят магнитометр, регистратор ОНЧизлучений, ионосферное зондирование, радиотомография атмосферы).

Литература

Галахов А., Косолапенко В., Ларченко А., Пильгаев С. Анализатор спектра поля атмосфериков на реконфигурируемых ПАИС Anadigm. Современная электроника. 2019. № 7. С. 62–66.
Альперт Я. Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. М. Наука. 1972. С. 563.
Блиох П. В., Николаенко А. П., Филиппов Ю. Ф. Глобальные электромагнитные резонансы в полости Земля – ионосфера. Киев. Наук. Думка. 1977. С. 200.
ПГИ Апатиты Мурманская обл. URL: http://pgia.ru/data/nm.
Sodankyla Geophysical Observatory. URL: https://www.sgo.fi/Data/Magnetometer/magnData.php.
Magnetometer Longyearbyen (Tromso, Geophysical Observatory Norway). URL: http://flux.phys.uit.no/.

Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!