63810 (Экспериментальное исследование распространения атмосфериков и динамики мировой грозовой активности), страница 2

Показано, что поперечные резонансы, соответствующие близким к нормальному углам падения волн наблюдаются в спектрах хвостовой части атмосфериков.

Были получены также динамические спектры электрической и магнитных компонент поля (сонограммы). В обработку включались последовательно отрезки длительностью 2.56 мсек., начало которых сдвигалось с шагом 0.4 мсек. от начала импульса к “хвосту”. При этом использовалось временное окно Хэмминга, что уменьшило дисперсию спектральных оценок. Получающиеся максимумы в текущих спектрах группировались при этом в резонансные ветви (моды), имеющие вид кривых, монотонно спадающих по частоте с увеличением времени, асимптотически приближающихся к значениям частот отсечки волновода. В результате выделения таких мод получались временные зависимости частот ПР, разности фаз между спектральными составляющими горизонтальных магнитных компонент и отношений их амплитуд. Для увеличения разрешения по частоте значения частот максимумов получались путем определения “центра тяжести” спектрального пика по соседним отсчетам в спектре. В сонограммах различных атмосфериков наблюдались от одной до восьми мод. В основной массе импульсов можно было выделить не более двух первых мод, пригодных для анализа.

В результате обработки более чем 200 ночных импульсов, зарегистрированных в южном полушарии, путем выделения первой и второй моды, было установлено, что, независимо от направления прихода, поляризация электромагнитного поля в хвостовой части стремится к левой ~вектор поля вращается по часовой стрелке и совпадает с направлением вращения положительного заряда вокруг вектора магнитного поля Земли `. В ряде обработанных импульсов (около 30 штук) для первой моды наблюдалось изменение знака поляризации в начальной части. Переход от начальной линейной поляризации к конечной левой мог происходить тремя путями:

• линейная - левая - правая - левая;

• линейная - правая - левая;

• линейная - левая,

причем для второй моды поляризация изменялась только от линейной к левой.

Частоты резонансных максимумов, соответствующих ПР, во времени монотонно спадают, асимптотически стремясь к частотам отсечки волновода. Оценки резонансных частот, соответствующих нормальному падению волн, дают величину 1.70 0.05 кГц для первого резонанса, что соответствует эффективным высотам отражения от 85 до 91 км. Кратность частоте первой моды соблюдается для высших мод с доступной точностью.

Обнаружено, что в атмосфериках, приходящих с востока преобладает продольная компонента, а в атмосфериках, приходящих с запада - поперечная компонента магнитного поля.

В третьей главе обсуждаются результаты морского мониторинга временных вариаций числа и направлений прихода СДВ атмосфериков.

В первом параграфе рассматривается методика пеленгации атмосфериков, основанная на вычислении среднего вектора Умова-Пойнтинга для импульсного сигнала. Предложенная методика отличается от известных узкополосных и широкополосных способов тем, что позволяет работать во временной области, а также использовать когерентную составляющую импульсных сигналов.

Реализация предложенной методики пеленгации на базе универсального аналого-цифрового комплекса позволила провести измерения суточных вариаций азимутальных распределений и интенсивности потоков СДВ-атмосфериков. Измерения проводились на борту НИС “Академик Вернадский” в 1991г. Маршрут судна проходил в Индийском океане между Африканским и Азиатским мировыми грозовыми очагами, а также в Атлантическом океане между Африканским и Американским очагами. Это обстоятельство в обоих случаях позволило наблюдать одновременно два мировых грозовых очага из одного пункта.

До начала измерений путем моделирования алгоритма обработки была решена задача оценки потерь, возникающих из-за конечного быстродействия аппаратуры. Как правило, в экспериментах значения интенсивности регистрируемого потока находились в пределах от 2000 до 4000 имп/час, что соответствует потерям от 10% до 23% входных событий. Максимальные значения интенсивности потока достигали 6000 имп/час, при этом потери составляли 32%. Полученные оценки пропусков являются систематическими погрешностями и в принципе могут быть существенно уменьшены.

В диссертацию вошли результаты 39 - суточных морских измерений, когда были построены суточные вариации плотности потока атмосфериков и соответствующих им азимутальных распределений молний, составившие ансамбли в 6, 11 и 22 суток непрерывной регистрации.

Показано, что в Индийском океане практически весь поток атмосфериков был сосредоточен в двух секторах, каждый шириной около 30-35 градусов. Эти сектора оказались ориентированы на континентальные и островные мировые грозовые центры в Африке и Азии. Ориентация и ширина этих секторов оставались стабильными, испытывая небольшие флуктуации, не только в течение суток, но и от суток к суткам. В то же время, были отмечены существенные временные вариации числа атмосфериков, приходящих из этих секторов. При приближении к суше размеры секторов увеличивались, а их структура усложнялась. Суточные вариации азимутальных распределений проявляются в виде изменений относительных амплитуд отдельных максимумов, однако, положение этих максимумов неизменно совпадает с направлением на Азиатский, Африканский и Американский мировые грозовые центры, а сами максимумы приходятся, как правило, на 9, 16 и 20 часов мирового времени.

Было проведено сопоставление суточных вариаций интенсивности потока атмосфериков и уровня шума в СНЧ-диапазоне ~на частоте около 100 Гц`, измеренных вблизи южного побережья Африки. Результаты указывают, что в периоды максимальной активности африканских грозовых центров, наблюдается линейная связь между СНЧ и СДВ данными. Это обстоятельство позволяет предсказывать уровень поля на СНЧ с помощью простой методики счета СДВ-атмосфериков.

Результаты морских измерений статистических характеристик СДВ-атмосфериков показывают, что глобальная грозовая активность определяется источниками, связанными с континентальными грозовыми центрами, расположенными на суше. В течение суток доминирующая роль в глобальной грозовой активности переходит от одного континентального грозового центра к другому, “перепрыгивая” через океаны, вслед за движением терминатора.

В заключении кратко отражены основные результаты и выводы, выносимые на защиту диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Разработан и в режиме длительной непрерывной работы испытан в сухопутных и морских условиях аналого-цифровой комплекс аппаратуры, предназначенной для измерений трех компонент поля атмосферных импульсных сигналов в полосе частот 300 Гц - 13 кГц.

1.1. Комплекс позволил обнаружить поперечные резонансы полости Земля-ионосфера в средних спектрах атмосфериков.

1.2. Комплекс позволил провести трехкомпонентные измерения электромагнитного поля СДВ-атмосфериков, а также их азимутальных распределений и вариаций интенсивности потока в реальном масштабе времени при интенсивности потока до 6000 импульсов в час.

1.3. Универсальный аналого-цифровой комплекс показал высокую надежность, работая непрерывно в течение четырех месяцев в морских условиях на борту научно-исследовательского судна.

2. Проведены экспериментальные исследования поперечных резонансов (ПР) естественного волновода, образованного поверхностью Земли и нижней кромкой ионосферы. Впервые экспериментально обнаружены поперечные резонансы в средних спектрах атмосфериков. Резонансные максимумы в спектрах единичных СДВ-атмосфериков позволили оценивать высоту нижней кромки ионосферы.

2.1. В спектре всей временной реализации атмосферика поперечные резонансы маскируются из-за интерференции волноводных нормальных волн. Это обстоятельство затрудняет обнаружение ПР.

2.2. ПР проявляются наиболее ярко в спектрах ночных атмосфериков, хвостовая часть которых содержит многократные отражения между границами волновода. При этом, наиболее отчетливо частоты ПР видны в координатах время-частота (сонограммах), что обеспечивает определение эффективного поперечного размера волновода.

3. Выполнены поляризационные исследования сигналов ночных атмосфериков в южном полушарии. Обнаружена поляризационная невзаимность распространения на трассах запад-восток, восток-запад.

3.1. Обнаружено, что в атмосфериках приходящих с востока преобладает продольная компонента горизонтального магнитного поля, а в атмосфериках, приходящих с запада - поперечная компонента.

3.2. Поляризация электромагнитного поля атмосфериков в результате многократных отражений от ионосферы становится левой эллиптической. В ряде случаев для первой моды наблюдается перемена направления вращения вектора магнитного поля с правой ~в начале атмосферика ` на левую ~в хвостовой части`, в то время, как для второй моды поляризация остается левой на всей длительности атмосферика.

4. Предложена, обоснована и апробирована методика определения пеленгов источников импульсных сигналов, использующая измерение среднего вектора Умова-Пойнтинга во временной области. Эта методика позволила получать в реальном времени гистограммы азимутальных распределений СДВ-атмосфериков, и применялась при обработке сигналов отдельных атмосфериков.

5. Получены длительные непрерывные ряды наблюдений интенсивности потока и азимутальных распределений СДВ атмосфериков, которые позволили проследить динамику грозовой активности в мировых грозовых центрах.

5.1. Морской мониторинг показал, что основной вклад в мировую грозовую активность дают континентальные и островные грозовые центры. Вариации интенсивности потока импульсов хорошо интерпретируются изменениями во времени активности мировых грозовых очагов, тогда как направления прихода атмосфериков прямо указывают на эти грозовые центры.

5.2. По результатам пеленгации обнаружен дрейф африканских источников с юга на север с февраля по март 1991г. на расстояние около 1500 км. Этот результат подтверждает справедливость модели континентальных грозовых центров. Пеленги гроз, измеренные экспериментально, хорошо интерпретируются и в том случае, когда смещение приемника относительно источников является существенным.

5.3. Сопоставление суточных вариаций интенсивности потока атмосфериков и уровня шума в СНЧ-диапазоне, измеренных вблизи южной оконечности Африки указывает на линейную связь между ними в периоды суточной активности африканских очагов.

ГЛАВА 1. АППАРАТУРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ИМПУЛЬСНЫХ ПОЛЕЙ СНЧ-СДВ ДИАПАЗОНОВ

Представленные в данной работе экспериментальные результаты были получены с помощью двух различных комплектов аппаратуры, сходных по назначению и различных по возможностям регистрации и обработки сигналов. При построении приемной аппаратуры использовалась схема прямого усиления.

Для приема, регистрации и получения спектральных характеристик вертикальной компоненты электрического поля СНЧ-СДВ атмосфериков в диапазоне частот от 1 до 10 кГц использовался комплекс аппаратуры, описание которого приведено в параграфе 1.5. Комплекс использовался на полигоне в пос. Мартовая Харьковской обл. в течение 1985 - 1987 гг. С его помощью проводились исследования средних спектров вертикальной электрической компоненты СДВ-атмосфериков, в результате которых были обнаружены поперечные резонансы полости Земля-ионосфера.

Универсальный СНЧ-СДВ аналого-цифровой комплекс, описанный в параграфе 1.6 используется в измерениях с 1990 г. Комплекс применялся для регистрации и предварительной обработки трех компонент электромагнитного поля атмосфериков в полосе частот от 0.3 до 13 кГц на сухопутных и морских измерительных пунктах. С его помощью был накоплен банк данных временных реализаций трех компонент, была опробована широкополосная методика пеленгации СДВ - атмосфериков во временной области, которая применялась для измерения азимутальных распределений источников и их суточных вариаций в акваториях Индийского и Атлантического океанов в течение января - апреля 1991 г.

Общую структуру обоих комплексов можно представить в виде двух основных частей: 1` одно-трех-` канальный широкополосный приемник прямого усиления* 2` устройство регистрации и обработки сигналов. Упрощенная функциональная схема приемо - анализирующего комплекса для приема одной компоненты поля представлена на Рис. 1.1.

В данной главе рассматриваются принципы конструирования и выбора параметров широкополосного приемника прямого усиления СДВ диапазона, а также основные технические характеристики, предъявляемые к аппаратуре регистрации и обработки электромагнитного поля естественных импульсных сигналов.

1.1 Электрическая антенна

В качестве электрической антенны ~ЭА` использовался емкостной зонд, представляющий собой изолированный металлический электрод, поднятый над уровнем земли на стальной мачте. Принцип действия антенн такого типа был подробно проанализирован в работе [62]. Эквивалентная схема емкостной антенны, размеры которой малы по сравнению с длиной волны в диапазоне СНЧ-СДВ, представлена на Рис. 1.2. Здесь введены следующие обозначения:

• С - собственная емкость активного электрода

• С - входная емкость антенного усилителя

• R - входное сопротивление антенного усилителя

• е = h E - потенциал, наводимый на активном электроде антенны

• E - вертикальная компонента напряженности электрического поля

• h - действующая высота ЭА, которая в случае плоской идеально проводящей Земли близка к удвоенной геометрической высоте подъема зонда над поверхностью`.

Следовательно, эквивалентом электрической антенны на высоких частотах является емкостной делитель. Коэффициент передачи в этом случае не зависит от частоты сигнала, а определяется исключительно отношением емкостных параметров эквивалентной схемы. Чтобы достичь максимального коэффициента передачи, необходимо уменьшать входную емкость антенного усилителя. С другой стороны, в случае, когда есть запас по чувствительности приемника, увеличение С позволяет расширить рабочий диапазон в сторону нижних частот. При заданной частоте среза за счет увеличения С можно уменьшить входное сопротивление антенного усилителя. Это повышает его стабильность при воздействии неблагоприятных атмосферных условий. На нижних частотах, где справедливо условие: