Моніторинг шуманівського резонансу і моделі джерел

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ

ім. О.Я. Усикова

УДК 537.87

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Моніторинг шуманівського резонансу і моделі джерел

01.04.03 - радіофізика

Яцевич Олена Ігорівна

Харків - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Ніколаєнко Олександр Павлович, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України, м. Харків, старший науковий співробітник відділу дистанційного зондування Землі.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Горобець Микола Миколайович, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри прикладної електродинаміки;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Колосков Олександр Валерійович, Радіоастрономічний інститут

Національної академії наук України, м. Харків, старший науковий співробітник відділу радіофізики геокосмосу.

Захист відбудеться 18 березня 2010 р. о 16³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (61085, м. Харків, вул. Ак. Проскури, 12).

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України за адресою: м. Харків, вул. Ак. Проскури 12.

Автореферат розісланий 9 лютого 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Л.А. Рудь

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Загальний напрямок роботи обумовлений широким колом завдань низькочастотного дистанційного пасивного радіозондування Землі, за допомогою якого виконуються дослідження нижньої іоносфери, визначається електрична активність атмосфери, наприклад, грозова активність, випромінювання сейсмічного походження, вивчаються зміни клімату і інших глобальних процесів у навколишньому середовищі, що пов'язані з електромагнітними випромінюваннями.

Застосування для цих цілей явища шуманівського резонансу (ШР) обумовлено тим, що резонанс відбувається одночасно над всією Землею і несе інформацію як про джерела сигналу, так і про властивості природного резонатора Земля - іоносфера.

Шуманівський або глобальний електромагнітний резонанс збуджується розрядами блискавок в сферичній порожнині, сформованій земною поверхнею та іоносферою. ШР спостерігається в енергетичних спектрах природного електромагнітного випромінювання у вигляді окремих піків в наднизькочастотному (ННЧ) діапазоні близько 8, 14, 20, 26, 32… Гц.

Сучасні дослідження ШР спрямовані, головним чином, на вивчення нижньої іоносфери та природних джерел випромінювання - грозової активності.

Природний електромагнітний ННЧ сигнал в довільній точці Землі визначається сумарною грозовою активністю, що дозволяє проводити її моніторинг. Однак, методи моніторингу грозової активності з використанням явища ШР розроблено достатньо детально тільки для точкових джерел, тобто для аналізу ННЧ сплесків, що генеруються надпотужними розрядами. Ситуація значно ускладнюється, коли джерелом інформації є фоновий сигнал ШР, що випромінюється сукупністю випадкових взаємно незалежних розрядів блискавок, розподілених по поверхні Землі. Аналіз в цьому випадку зазвичай виконується за допомогою моделей, що описують зв'язок електромагнітних ННЧ полів зі світовими грозами. Проте існуючі моделі занадто спрощено описують джерело випромінювання. У зв'язку з цим великого значення набуває розвиток і удосконалення моделей джерел ШР. Для цього є необхідним сучасний аналіз і узагальнення експериментальних даних довготривалих спостережень, що за часом мають суттєво перевищувати період сезонних процесів на Землі. Здійснення таких спостережень і створення баз даних є однією з важливих та актуальних задач.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано у відділі дистанційного зондування Землі ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України в рамках досліджень за держбюджетними науково-дослідними темами: «Дослідження площинного і динамічного розподілу вологості грунту за допомогою радіофізичних багаточастотних методів локації» (шифр «Природа-1», 1996-2000 рр., номер держ. реєстрації 0196U006113); «Дослідження взаємодії радіохвиль з природними об'єктами і розробка методів дистанційної діагностики навколишнього середовища» (шифр «Равелін», 2000-2004 рр., номер держ. реєстрації 0100U006443); «Дослідження і розробка моделей впливу природного оточення на випромінювання, розповсюдження і розсіяння електромагнітних хвиль з метою розвитку методів дистанційного зондування» (шифр «Радикал», 2004 - 2006 рр., номер держ. реєстрації 0103U002264); «Радіофізичні методи і засоби в завданнях моніторингу навколишнього середовища і в біомедичних застосуваннях» (шифр «Іридій», 2007-2011 рр., номер держ. реєстрації 0106U11979) та проекту НТЦУ «Розробка нового методу моніторингу глобального потепління» № 2070, 2003 - 2006 рр., в яких автор була виконавцем.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертації є створення бази регулярних добових і сезонних варіацій спектральних характеристик електромагнітного поля в області частот ШР та розробка моделей джерел ШР за результатами багаторічних безперервних вимірювань природних ННЧ полів.

Для досягнення поставленої мети в роботі були розв'язані наступні завдання:

- розробка алгоритмів і програмного забезпечення для обробки (селекція і статистична обробка) експериментальних даних моніторингу ШР;

- одержання експериментальних даних про регулярні добові і сезонні зміни електромагнітного поля в області частот ШР за результатами багаторічних (серпень 1999 - березень 2005) безперервних вимірювань природних ННЧ полів;

- розробка і удосконалення моделей джерел ШР на основі аналізу одержаних експериментальних даних.

Об'єктом дослідження є процеси в природному електромагнітному резонаторі Земля - іоносфера, викликані світовою грозовою активністю, земним і космічним впливом.

Предметом дослідження є електромагнітні поля ННЧ діапазонів природного походження в резонансній порожнині Земля - іоносфера.

Методи дослідження базуються на вимірюваннях електричної і магнітної компонент електромагнітного поля в ННЧ діапазоні, теорії поширення ННЧ електромагнітних хвиль в порожнині Земля - іоносфера, розв'язанні зворотних задач шляхом порівняння експериментальних даних з результатами розрахунків, математичних методах обробки результатів експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. На підставі обробки багаторічних безперервних вимірювань природних ННЧ полів створено унікальну базу добових і сезонних регулярних варіацій спектральних характеристик електромагнітного поля в області частот ШР. З електромагнітних даних отримано інформацію про властивості джерел поля: положення джерел у просторі, час максимальної інтенсивності на добових і сезонних масштабах, міжрічні варіації цих максимумів.

2. Вперше запропоновано та застосовано спосіб визначення змінної інтенсивності джерел, виходячи з інтегральної інтенсивності повної горизонтальної магнітної компоненти. Розроблено модель одного компактного джерела змінної інтенсивності, що описує основні характеристики добових і сезонних варіацій інтенсивності компонент ННЧ поля. Визначено ефективні параметри моделі: локальний час максимальної грозової активності, географічну широту та розміри компактного джерела.

3. Вперше запропоновано та розроблено двокомпонентну модель джерел ШР, що дозволила адекватно описати діапазон та характер варіацій інтенсивності поля, які спостерігаються в експерименті. Коефіцієнт взаємної кореляції між добовими варіаціями інтенсивності ННЧ поля в експерименті і в двокомпонентній моделі завжди перевищує 0,65, а в середньому складає 0,85. Виконано декомпозицію добових варіацій інтенсивності ШР на дві складові: змінну, пов'язану з рухом компактного джерела (максимуму грозової активності), і постійну - «п'єдестал».

4. Розроблено оригінальну модель джерел поля, що заснована на п'ятирічних даних супутникових оптичних спостережень світових гроз. Виконано розрахунки ШР та проведено їх порівняння з результатами моніторингу. Зіставлення двокомпонентної і OTD - моделі показало, що перша з них краще відповідає довготривалим спостереженням природного радіосигналу ННЧ, ніж друга.

Практичне значення одержаних результатів. Створена за результатами довготривалого моніторингу природного ННЧ поля база експериментальних даних містить важливу інформацію про поширення ННЧ радіохвиль, яку можна використовувати при розробці нових і для уточнення існуючих моделей світової грозової активності.

Одержані розв'язки задач пасивної локації джерел ННЧ електромагнітних полів, а також розроблені алгоритми і програмне забезпечення будуть корисні при створенні систем моніторингу іоносфери і світової грозової активності.

Спосіб тестування супутникових оптичних даних про світові грози, що розроблено у цій роботі, може бути використаний для тестування аналогічних даних про світові грози.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі викладено результати досліджень, виконаних автором самостійно і в співавторстві з колегами [1-9]. В опублікованих в співавторстві роботах особистий внесок здобувача полягає в наступному: у роботах [1, 6, 7] - створення програмного забезпечення, використаного для обробки експериментальних даних, обробка і аналіз отриманих експериментальних даних, участь у формулюванні висновків, участь в написанні статей. У роботі [2] - обробка і аналіз отриманих експериментальних даних, проведення розрахунків електромагнітного поля в моделі одного компактного джерела, участь в інтерпретації результатів і формулюванні висновків, підготовка публікації. У роботах [3, 4, 8] - участь в постановці завдання досліджень, участь в розробці способу декомпозиції інтенсивності глобального резонансу, створення програм і проведення розрахунків ШР, участь у формулюванні висновків, написання текстів. У роботах [5, 9] - участь в постановці завдання досліджень, обробка і аналіз експериментальних даних, розробка моделі джерел, що створюють «п'єдестал», створення програм і проведення розрахунків ШР, участь у формулюванні висновків, написання текстів.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали досліджень, наведені в дисертаційній роботі, доповідались на семінарах, міжнародних конференціях і симпозіумах: наукові семінари ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України; IV Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии ЭМС - 2001 (Санкт-Петербург, Россия, 2001); 16-th International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility EMC-2002 (Wroclaw, Poland, 2002); 2 Міжнародний радіоелектронний форум «Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку» МРФ-2005 (ХНУРЕ, Харків, Україна, 2005); Міжнародна Кримська конференція Криміко - 2008 «Мікрохвильова техніка та телекомунікаційні технології» (Севастополь, Крим, Україна, 2008).

Публікації: основні результати дисертації опубліковано в 5-ти друкованих роботах в зарубіжних і вітчизняних наукових виданнях, які включено до списку ВАК за спеціальністю 01.04.03, і в 4-х доповідях та тезах в збірках праць міжнародних конференцій і симпозіумів (з них 1 без співавторів).

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, переліку умовних позначень, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і 1 додатка. Її повний обсяг складає 148 сторінок, з них 102 сторінки основного тексту. Дисертація містить 56 рисунків (з них 19 на 17 окремих сторінках). Список використаних джерел на 12 сторінках нараховує 98 найменувань. Додаток займає 6 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми та прикладне значення дисертації. Викладено зв'язок роботи з науковими планами і програмами Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України. Сформульовано мету і задачі роботи, наукову новизну одержаних результатів та їх практичне значення. Визначено особистий внесок здобувача, наведено відомості про апробацію та публікації результатів дисертаційної роботи.

У першому розділі наведено огляд літератури і сформульовано сучасний стан основних проблем дистанційного ННЧ радіозондування порожнини Земля - іоносфера. Зокрема, надано інформацію про існуючі моделі джерел ШР. Розглянуто обмеження і особливості моделей джерел, а також показано необхідність їх подальшого розвитку. Описано модель однорідного та ізотропного резонатора, яка використана в роботі при розрахунках глобального електромагнітного резонансу.

Другий розділ роботи присвячено результатам багаторічного моніторингу ШР. Моніторинг проводився на субполярній станції Лехта в Карелії протягом 5,5 років. У експерименті одночасно вимірювалися три компоненти поля: вертикальна електрична (Ez) та дві взаємно ортогональні горизонтальні магнітні компоненти ( і ). Приймально-аналізуючий комплекс працював в реальному часі і кожні 5 хвилин накопичував і зберігав середні енергетичні спектри трьох компонент електромагнітного поля в діапазоні частот 4 - 40 Гц. В результаті вимірювань був накопичений масив ШР даних з часовим розділенням в 5 хвилин та тривалістю в 5,5 років.

Для отримання регулярних добових та сезонних варіацій глобального резонансу проведено спеціальну обробку масиву, що включала два етапи: процедуру селекції і статистичну обробку.

Необхідність селекції даних обумовлена тим, що частина даних була спотворена перешкодами (близькі розряди блискавок, геомагнітні збурення, імпульсні перешкоди, що виникають в силовій мережі, вібраційні перешкоди і т. п.). Для того, щоб відібрати неспотворені записи ННЧ полів, було створено програму селекції даних. Було запропоновано та реалізовано декілька критеріїв селекції одночасно - амплітудний «коридор», рельєфність спектру та скалярний добуток спектрів.

На другому етапі обробки (по неспотворених спектрах) розраховувалися середні за місяць добові варіації параметрів ШР, а також відповідні 90 - відсоткові довірчі інтервали.

В результаті проведеної обробки було створено базу середніх за місяць добових варіацій характеристик глобального електромагнітного резонансу. Для кожного місяця 5,5-річного періоду і для кожної з трьох компонент поля були одержані регулярні добові варіації інтегральних інтенсивностей, а також інтенсивностей та пікових частот трьох перших мод ШР. Амплітуди добових варіацій резонансних параметрів перевищують 90 - відсоткові довірчі інтервали помилок більш ніж в 4,5 разів, що свідчить про достовірність отриманих варіацій природного радіосигналу.

Зразки экспериментальных даних для листопада кожного року спостережень показані на рис. 1. Представлені добові варіації інтенсивності трьох компонент електромагнітного поля. По горизонтальній осі графіків відкладено світовий час. Інтенсивність компонент поля відкладена уздовж ординати у відносних одиницях.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Експериментальні добові варіації інтенсивностей трьох компонент електромагнітного поля

Регулярні варіації ННЧ радіосигналу пов'язані з переміщенням світових гроз. Цей факт найкраще ілюструють варіації інтенсивності двох магнітних компонент. Основний внесок в інтенсивність компоненти (захід-схід), дають грози африканського грозового центру. Інтенсивність максимальна під час максимальної активності африканських гроз (приблизно 14 год світового часу). Вісь антени орієнтована уздовж лінії північ-південь. Американський і азіатський центри визначають інтенсивність цієї компоненти, яка має два максимуми протягом доби. Таким чином, результати моніторингу глобального електромагнітного резонансу стабільно вказують на наявність трьох світових грозових центрів - африканського, азіатського і американського як основних джерел ННЧ випромінювання.

Порівняння даних різних років показало високу повторюваність добових варіацій, що свідчить про міжрічну стабільність параметрів резонатора і джерел поля. Від місяця до місяця характер добових варіацій параметрів ШР змінюється, що відображує сезонний дрейф світових гроз. Інтенсивність резонансних коливань протягом доби змінюється від 1,7 до 3 разів. Протягом року середньодобове значення інтенсивності змінюється від 1,8 до 2,8 разів. Отримано дані про сезонні зміни активності в трьох грозових центрах: часи досягнення максимальної активності і відносні величини цих максимумів. Показано, що для більшості місяців спостережень інтенсивність джерел Азії перевищувала інтенсивність джерел Америки.

Одержані дані несуть глобальну інформацію про розподіл світових гроз, тому результати вимірювань ШР дозволяють удосконалити існуючі, а також розробити нові моделі джерел поля.

У розділі 3 розроблено модель одного компактного джерела змінної інтенсивності. Ця модель створена на основі відомої моделі одного джерела постійної інтенсивності. У моделі передбачається, що у будь-який час доби вся грозова активність Землі зосереджена в компактній приекваторіальній області. Ця зона протягом дня рухається так, що її центр постійно знаходиться на 15-17 годинах місцевого часу. Компактне джерело є круговою областю, рівномірно заповненою випадковими взаємно незалежними елементарними електричними диполями.

На підставі розв'язання зворотної задачі, виходячи з експериментальних даних, визначені ефективні параметри моделі, а саме: локальний час максимальної грозової активності, радіус компактного кругового джерела, широту центра джерела.

Показано, що для коректного опису змін інтенсивності поля протягом доби в модель необхідно ввести змінну інтенсивність джерел ШР. Запропоновано спосіб та визначено інтенсивність джерел з застосуванням записів інтегральної інтенсивності повної горизонтальної магнітної компоненти.

Результати введення змінної інтенсивності джерела і порівняння з попереднім варіантом моделі, в якій інтенсивність постійна, ілюструє рис. 2.

На рис. 2 показані добові варіації інтенсивностей трьох компонент електромагнітного поля. Експериментальні залежності позначені суцільними лініями. Розрахункові криві, отримані в моделі одного компактного джерела з постійною інтенсивністю, позначені квадратиками, а із змінною інтенсивністю - зірочками. Як можна бачити із рис. 2, введення в модель змінної інтенсивності джерела поля поліпшує відповідність між розрахунком та експериментом. Рис. 2 ілюструє, що завдяки введенню у модель змінної інтенсивності джерела у рамках даної моделі можна досягти достатньо доброї якісної відповідності між модельними і експериментальними добовими варіаціями інтенсивності компонент поля. Проте кількісної відповідності досягти не вдається: розрахункові добові зміни інтенсивності виявляються різкішими, ніж це спостерігається експериментально. Якщо привести модельні і експериментальні варіації до однакового приросту - різниці між максимумом і мінімумом, то експериментальні функції виявляються «піднятими» над розрахунковими. Тому природно припустити, що в експерименті окрім складової, пов'язаної з рухом компактного джерела, міститься ще і деяка додаткова складова - «п'єдестал», що «підводить» експериментальні інтенсивності над віссю часу.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ріс. 2. Порівняння експерименту (05.2001) з моделлю компактного джерела з постійною і змінною інтенсивністю джерела

У четвертому розділі (підрозділ 4.1) розв'язано задачу виділення «п'єдесталу» з експериментального сигналу. Для цього проведено декомпозицію інтенсивності сигналу ШР на дві складові - змінну та постійну. Змінна складова описується моделлю одного компактного джерела та пов'язана з рухом максимуму світової грозової активності. Відносно другої складової («п'єдесталу») зроблено припущення, що вона залишається постійною протягом доби, але може змінюватися протягом року.

Декомпозиція здійснювалася за допомогою методу лінійної регресії. Процедура застосовувалася до даних по магнітних компонентах, отриманих в Лехті з серпня 1999 по березень 2005 рр. При цьому для кожного місяця спостережень було одержано коефіцієнти взаємної кореляції між експериментом і двокомпонентною моделлю. Для більшості місяців значення коефіцієнтів взаємної кореляції виміряних і розрахункових даних лежать в межах від 0,85 до 0,95, що підтверджує адекватність двокомпонентної моделі в цілому, а також припущення про те, що інтенсивність п'єдесталу протягом доби є константою.

Було показано, що в інтенсивності сигналу ШР змінна і постійна складові порівняні по величині. Ця обставина вказує на необхідність урахування «п'єдесталу» при інтерпретації дослідних даних.

Крім того, обидві частини сигналу мають досить схожі сезонні варіації. Цей факт говорить на користь єдиної природи джерел змінної і постійної складових ШР - інтенсивності.

На підставі одержаних результатів запропоновано модель джерел, що відповідають за «п'єдестал». У цій моделі передбачається, що джерела «п'єдесталу» розподілені у приекваторіальному кільці, що «прорисовується» за добу рухомим круговим джерелом. Джерела «п'єдесталу» є активними цілодобово і мають постійну сумарну інтенсивність.

У підрозділі 4.2 розроблено модель джерел поля, що заснована на сучасних даних оптичних спостережень світових блискавок зі супутника «Optical Transient Detector» (OTD). Виконано розрахунки глобального електромагнітного резонансу та проведено їх порівняння з результатами моніторингу.

Експериментальні інтенсивності і пікові частоти першої моди ШР, отримані за осінніми даними, зіставляються з двома варіантами двокомпонентної моделі і OTD - моделлю. У першому варіанті двокомпонентної моделі центр рухомого джерела, а, отже, і середня лінія кільця гроз, знаходяться на екваторі. У другому варіанті джерела зсунуті щодо екватора на 15⁰ в південну півкулю.

Головна перевага двокомпонентної моделі полягає в тому, що вона адекватно (якісно та кількісно) описує експериментальні добові варіації інтенсивностей компонент поля. Можна також бачити, що, хоча підбір параметрів моделі здійснювався для інтенсивності поля, розрахункові добові варіації пікових частот резонансу близькі до спостережуваних. Детального збігу між модельними і експериментальними добовими варіаціями немає, тому що пікові частоти більш чутливі, ніж інтенсивності, до геометрії приймач - джерела і до розмірів областей, зайнятих джерелами.

Порівняння експериментальних добових варіацій інтенсивності ШР з результатами відповідних розрахунків на основі даних OTD показало, що варіації мають схожий характер, проте відносні зміни розрахункових інтенсивностей істотно перевищують спостережувані. За добу модельні залежності змінюються приблизно в 8 - 10 разів, тоді як експериментальні не більше ніж в 3 рази.

Таким чином, двокомпонентна модель краще відповідає результатам вимірювань глобального електромагнітного резонансу, ніж модель, що заснована на сучасних супутникових даних.

шуманівський резонанс наднизькочастотний діапазон

Висновки

У дисертації наведено розв'язок актуальної наукової задачі радіофізики, яка полягає в одержанні регулярних добових і сезонних варіацій спектральних характеристик ШР та розробці моделей джерел ШР за результатами багаторічних безперервних вимірювань природних ННЧ полів. Створено унікальну базу даних, яка є основою для подальшого вивчення властивостей поширення ННЧ радіохвиль у порожнині Земля - іоносфера і світової грозової активності. На основі аналізу даних багаторічних вимірювань здійснено удосконалення існуючих і розробку нових моделей джерел ШР. Одержано розв'язки задач пасивної локації джерел ННЧ електромагнітних полів, а також розроблено алгоритми і програмне забезпечення, які будуть корисні при створенні систем моніторингу іоносфери і світової грозової активності.

У ході виконання роботи було отримано наступні основні результати:

1. На підставі обробки даних моніторингу шуманівського резонансу, що проводився на субполярній обсерваторії Лехта (Карелія) протягом 5,5 років (з серпня 1999 р. по березень 2005 р.), отримано експериментальні дані про регулярні варіації на добовому і сезонних масштабах електромагнітного поля в області частот ШР:

- для кожного місяця спостережень отримано середні добові варіації інтенсивності і пікових частот трьох перших мод ШР в двох ортогональних горизонтальних магнітних і вертикальній електричній компоненті поля. Оцінено довірчий інтервал даних і показано, що отримані часові зміни природного радіосигналу достовірні;

- порівняння даних різних років показало високу повторюваність добових варіацій, що говорить про міжрічну стабільність параметрів резонатора і джерел поля;

- інтенсивність резонансних коливань протягом доби змінюється від 1,7 до 3 разів. Протягом року середньодобове значення інтенсивності змінюється від 1,8 до 2,8 разів;

- виявлено три максимуми інтенсивності коливань електромагнітного поля, відповідних трьом основним джерелам ННЧ радіовипромінювання, розташованим в Африці, Азії і Америці. Отримано дані про сезонні зміни активності в цих грозових центрах: часи досягнення максимальної активності і відносні величини цих максимумів. Показано, що для більшості місяців спостережень інтенсивність джерел Азії перевищувала інтенсивність джерел Америки.

2. Розроблено чисельну модель джерел шуманівського резонансу - модель одного компактного джерела змінної інтенсивності:

- з порівняння розрахункових і експериментальних залежностей визначено ефективні параметри моделі: локальний час максимальної грозової активності, географічна широта та розміри області, зайнятої джерелами;

- вперше запропоновано та застосовано спосіб визначення змінної інтенсивності джерел, виходячи з інтегральної інтенсивності повної горизонтальної магнітної компоненти;

- порівняння експерименту і моделі компактного джерела вказало на необхідність ввести додаткові джерела поля, відповідальні за «п'єдестал».

3. Проведено декомпозицію добових змін інтенсивності сигналу шуманівського резонансу на дві складові. Застосування декомпозиції до експериментальних даних, отриманих в обсерваторії Лехта, дозволило розробити двокомпонентну модель джерел ШР. Розроблена модель адекватно описує діапазон варіацій інтенсивності поля, що спостерігається експериментально. При цьому:

- вперше отримано оцінки внесків змінної і постійної складових в загальну інтенсивність поля для кожного місяця за період спостережень;

- продемонстровано подібність сезонних варіацій двох складових, що говорить на користь єдиної природи їх джерел;

- показано, що змінна складова пов'язана з рухом максимуму світової грозової активності і описується моделлю одного компактного джерела. Постійна складова пов'язана з грозовими джерелами, сумарна інтенсивність котрих залишається постійною протягом доби, але залежить від сезону. Запропоновано модель джерел, що створює «п'єдестал»;

- коефіцієнт взаємної кореляції між добовими варіаціями інтенсивності ННЧ поля в експерименті і в двокомпонентній моделі завжди перевищує 0,65, а в середньому складає 0,85.

4. Розроблено модель і проведено розрахунки поля, засновані на сучасних супутникових оптичних даних про просторовий розподіл блискавок:

- порівняння експериментальних добових варіацій інтенсивності ШР з результатами відповідних розрахунків на основі даних OTD показало, що відносні зміни розрахункових інтенсивностей істотно перевищують спостережувані. За добу модельні залежності змінюються приблизно в 8 - 10 разів, тоді як експериментальні не більше ніж в 3 рази;

- зіставлення двокомпонентної і OTD моделі показало, що перша з них краще відповідає результатам вимірювань ШР, ніж друга.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Николаенко А.П. Определение вариаций мировой грозовой активности по шумановским резонансным данным / А.П. Николаенко, А.В. Швец, Е.И. Яцевич // Радиофизика и электроника: cб. научн. тр. / НАН Украины. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова. - Харьков, 2001. - T. 6, №1. - С. 71-77.

2. Яцевич Е.И. Результаты сравнения наблюдений шумановского резонанса с моделью одного мирового грозового центра / Е.И. Яцевич, А.В. Швец, Л.М. Рабинович, А.П. Николаенко, Г.Н. Беляев, А.Ю. Щекотов // Изв. Вузов. Радиофизика. - 2005. - Т. 48, №4. - С. 283 - 299.

3. Яцевич Е.И. Двухкомпонентная модель шумановского резонансного сигнала / Е.И. Яцевич, А.П. Николаенко, А.В. Швец, Л.М. Рабинович // Радиофизика и электроника: cб. научн. тр. / НАН Украины. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова. - Харьков, 2005. - T. 10, №2. - С. 224 - 232.

4. Yatsevich E.I. Two component source model of Schumann resonance signal / E.I. Yatsevich, A.P. Nickolaenko, A.V. Shvets, L.M. Rabinowicz // Journal of Atmospheric Electricity. - 2006. - Vol. 26, N 1. - P. 1-10.

5. Яцевич Е.И. Суточные и сезонные вариации интенсивностей и пиковых частот трех первых модов шумановского резонанса / Е.И. Яцевич, А.П. Николаенко, О.Б. Печеная // Изв. Вузов. Радиофизика. - 2008. - Т.51, №7. - С. 585 - 596.

6. Николаенко А.П. Изменения мировой грозовой активности, найденные по данным шумановского резонанса / А.П. Николаенко, А.В. Швец, Е.И. Яцевич // Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология ЭМС - 2001: IV междунар. симп., 19-22 июня 2001 г. : сб. науч. докл. - Санкт - Петербург, 2001. - С. 82-86.

7. Yatsevich E.I. Preliminary Results on the Global Lightning Activity Inferred from Schumann Resonance Records Two Years Long / E.I. Yatsevich, A.P. Nickolaenko, A.V. Shvets // Electromagnetic Compatibility: Sixteenth Int. Wroclaw Symposium and Exhibition EMC-2002. :symp. proc. - Wroclaw, 2002. - Part 2. - P. 507-510.

8. Яцевич Е.И. Фоновая составляющая шумановского резонансного сигнала / Е.И. Яцевич // Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития: 2-й межд. радиоэлектронный форум МРФ-2005, 19-23 сентября 2005г. : сб. научн. трудов. - Харьков, 2005. - Т2. - С. 421 - 424.

9. Яцевич Е.И. Результаты сравнения экспериментальных данных по шумановскому резонансу с ОИД - моделью мировой грозовой активности / Е.И. Яцевич, О.Б. Печеная // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: 18-я межд. Крымская конф. КрыМиКо - 2008, 8-12 сентября 2008г. тезисы докл. - Севастополь, 2008. - С. 901-902.

Анотація

Яцевич О.І. Моніторинг шуманівського резонансу і моделі джерел. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України, Харків, 2009.

Дисертаційну роботу присвячено експериментальному дослідженню регулярних добових і сезонних варіацій шуманівського резонансу і розвитку моделей джерел шуманівського резонансу.

У дисертації проведено статистичну обробку багаторічних даних моніторингу ШР, внаслідок якої створено базу регулярних добових і сезонних варіацій спектральних характеристик електромагнітного поля в області частот ШР.

Для опису основних характеристик добових і сезонних варіацій інтенсивності компонент поля ШР в дисертаційній роботі розроблено модель одного компактного джерела. Запропоновано спосіб визначення змінної інтенсивності джерел по вимірюванням інтегральної інтенсивності повної горизонтальної магнітної компоненти.

У роботі розроблено двокомпонентну модель джерел ШР, що дозволила адекватно описати діапазон варіацій інтенсивності поля, який спостерігається в експерименті. Проведено декомпозицію добових варіацій інтенсивності шуманівського резонансу на дві складові: змінну, пов'язану з рухом компактного джерела, і постійну - «п'єдестал». Запропоновано модель джерел, що створюють «п'єдестал».

Показано, що запропонована двокомпонентна модель світової грозової активності демонструє краще узгодження з експериментальними даними, ніж модель, що заснована на супутникових оптичних даних про просторовий розподіл блискавок.

Ключові слова: шуманівський резонанс, резонатор Земля - іоносфера, дистанційне зондування, світова грозова активність.

Аннотация

Яцевич Е.И. Мониторинг шумановского резонанса и модели источников. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины, Харьков, 2009.

Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию суточных и сезонных вариаций ШР и разработке моделей источников на основе полученных данных наблюдений.

В диссертации осуществлена обработка (селекция и статистическая обработка) данных мониторинга ШР, проводимого в субполярной обсерватории Лехта в течение 5,5 лет.

В результате обработки создана база регулярных суточных и сезонных вариаций спектральных характеристик электромагнитного поля в области частот ШР. Для каждого месяца наблюдений получены средние суточные вариации интенсивностей и пиковых частот трех первых модов ШР в двух ортогональных горизонтальных магнитных и вертикальной электрической компоненте поля. Оценен доверительный интервал данных и показано, что полученные временные изменения естественного радиосигнала достоверны.

Сравнение данных различных годов показало высокую повторяемость суточных вариаций, что говорит о межгодовой стабильности параметров резонатора и источников поля.

Обнаружены три максимума интенсивности колебаний электромагнитного поля, соответствующих трем основным источникам СНЧ радиоизлучения, расположенным в Африке, Ю.-В. Азии и Америке. Получены данные о сезонных изменениях активности в этих грозовых центрах: времена достижения максимальной активности и относительные величины этих максимумов. Показано, что для большинства месяцев наблюдений интенсивность источников Азии превышала интенсивность источников Америки.

Для описания основных характеристик суточных и сезонных вариаций интенсивности компонент поля ШР разработана модель одного компактного источника. Из сравнения расчетных и экспериментальных зависимостей определены эффективные параметры модели: долгота максимума грозовой активности, радиус очага, широта центра очага. Показано, что для корректного описания изменений интенсивности поля в течение суток в модель необходимо ввести переменную интенсивность источников ШР. Предложен способ определения переменной интенсивности источников поля по интегральной интенсивности полной горизонтальной магнитной компоненты поля.

Показано, что в рамках модели одного компактного источника переменной интенсивности можно добиться достаточно хорошего качественного соответствия между модельными и экспериментальными суточными вариациями интенсивностей компонент поля. Однако расчетные относительные суточные изменения интенсивности оказываются большими, чем это наблюдается экспериментально. Отсюда сделан вывод, что в эксперименте помимо составляющей, связанной с движением компактного источника, содержится еще и некоторое дополнительное слагаемое - «пьедестал», «приподнимающий» экспериментальные интенсивности над осью времени.

Проведена декомпозиция суточных изменений интенсивности сигнала ШР на две составляющие: переменную в течение суток и постоянную - «пьедестал». Применение декомпозиции к экспериментальным данным, полученным в обсерватории Лехта, позволило разработать двухкомпонентную модель источников ШР, адекватно описывающую диапазон и характер суточных вариаций интенсивности поля, наблюдаемых в эксперименте.

Получены оценки вкладов переменной и постоянной составляющих в общую интенсивность поля. Получены сезонные вариации двух составляющих и продемонстрировано их подобие, что свидетельствует о единой природе источников. Показано, что переменная составляющая связана с движением максимума мировой грозовой активности и адекватно описывается моделью одного компактного источника. Постоянная составляющая связана с грозовыми источниками, чье распределение по Земле и суммарная интенсивность остается постоянной в течение суток, но меняется в течение года. Предложена модель источников, создающих «пьедестал».

Разработана модель и проведены расчеты поля, основанные на современных спутниковых оптических данных о пространственном распределении молний, полученных в период, близкий ко времени наблюдений глобального резонанса. Сравнение экспериментальных и расчетных интенсивностей трех компонент электромагнитного поля показало, что для большинства данных суточные вариации имеют сходный характер. Однако относительные изменения модельных интенсивностей существенно превышают наблюдаемые.

Показано, что предложенная в работе двухкомпонентная модель мировой грозовой активности лучше отвечает долговременным наблюдениям естественного СНЧ радиосигнала, чем модель, построенная на основе спутниковых данных.

Ключевые слова: шумановский резонанс, резонатор Земля - ионосфера, дистанционное зондирование, мировая грозовая активность.

Abstract

Yatsevich E.I. Monitoring of Schumann resonance and models of sources. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree in physics and mathematics by speciality 01.04.03 - radiophysics. Usikov Institute of Radiophysics and Electronics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkіv, 2009.

The thesis presents experimental study of diurnal and seasonal variations of the Schumann resonance and the development of source models based on the observational data.

Statistical data processing of the long-term monitoring was carried out, and a unique database of spectral characteristics of the extremely low frequency electromagnetic fields was created.

The model of a compact source for describing the main characteristics of diurnal and seasonal variations in the intensity of the field components was developed. A method of determining the variable intensity of the sources based on measurements of the integrated intensity of the total horizontal magnetic field component was proposed.

The two-component model of sources of Schumann resonance, allowing for adequate describing of the range of variations of the field intensity observed in the experiment was proposed. Decomposition of the diurnal variations in the intensity of Schumann resonance into two components was performed: the variable component associated with the movement of a compact source and a constant one - "podium". The model of sources, responsible for the "podium" was proposed.

It was shown that the two-component model of the world thunderstorm activity demonstrates a better agreement with experimental data than the model based on satellite optical data on the spatial distribution of lightning.

Keywords: Schumann resonance, Earth-ionosphere cavity, remote sensing, worldwide lightning activity.

Наукове видання.

Яцевич Олена Ігорівна. Моніторинг шуманівського резонансу і моделі джерел.

Відповідальний за випуск Швець О.В.

Підписано до друку 01.02.2010 р. Формат 60х84 1/16.

Друк офсетн. Ум. друк. арк. 1,0. Замовлення № 9 . Тираж 100 прим.

Ротапринт ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України

61085, Харків, вул. Акад. Проскури, 12

Размещено на Allbest.ru