ННЧ – ДНЧ радіозондування порожнини Земля – іоносфера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова

Швець Олександр Вячеславович

УДК 537.87+550.388.2

ННЧ - ДНЧ РАДІОЗОНДУВАННЯ ПОРОЖНИНИ ЗЕМЛЯ - ІОНОСФЕРА

01.04.03 - радіофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Харків - 2008

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий консультант:

доктор фізико-математичних наук, професор

Ніколаєнко Олександр Павлович,

старший науковий співробітник відділу дистанційного зондування Землі Інституту радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України, м. Харків

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Безродний Володимир Григорович,

провідний науковий співробітник відділу радіофізики геокосмосу Радіоастрономічного інституту НАН України, м. Харків

доктор фізико-математичних наук, професор

Горобець Микола Миколайович,

завідувач кафедри прикладної електродинаміки Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України

доктор фізико-математичних наук, професор

Рогожкін Євген Васильович,

професор кафедри радіоелектроніки Національного технічного університету «ХПІ» Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться “5” червня 2008 р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 в ІРЕ ім. О. Я. Усикова НАН України (61085, м. Харків, вул. Ак. Проскури 12, актова зала)

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

Автореферат розісланий “29” квітня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Рудь Л.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

грозова активність радіотомографія іоносфера

Актуальність теми. Дослідження порожнини Земля - іоносфера є актуальним завданням радіофізики для вирішення проблем дистанційного моніторингу нижньої іоносфери, найменш вивченої зі всіх областей іоносфери, а також світової грозової активності, як індикатора глобальних змін в навколишньому середовищі. У зв'язку з цим виникла необхідність розробки нових радіофізичних методів ННЧ - ДНЧ зондування нижньої іоносфери для виявлення збурень земного і космічного походження, а також удосконалення методів визначення просторового розподілу світової грозової активності з використанням природних ННЧ і ДНЧ електромагнітних полів в резонаторі Земля - іоносфера.

Порожнина, утворена поверхнями, які є провідниками, - Землею та нижньою межею іоносфери, грає роль своєрідного резонатора для електромагнітних коливань. При цьому атмосфера є електрично активним середовищем, в якому за рахунок нагріву земної поверхні Сонцем і конвекції повітряних мас відбувається розділення зарядів, що викликає розряди блискавок. Резонансні частоти визначаються подовжнім (довжина екватора) і поперечним (висота проміжку Земля - іоносфера) масштабами порожнини та складають приблизно 8; 14; 20; 26; 32… Гц для глобальних (або шуманівських) резонансів (ШР), і 1,7; 3,4; 5,1... кГц для поперечних резонансів, які потрапляють у діапазони наднизькочастотних (ННЧ, 3 - 3000 Гц) і дуже низькочастотних (ДНЧ, 3 - 30 кГц) радіохвиль відповідно. Добротності резонансних коливань у діапазоні ННЧ складають 4 - 8 для різних мод, а в діапазоні ДНЧ у нічних умовах досягають декількох десятків. Така природна система представляє великий інтерес як об'єкт радіофізичних досліджень та дозволяє використовувати моніторинг резонансних параметрів порожнини як засіб виявлення локальних і глобальних збурень нижньої іоносфери, пов'язаних з проявами космічної погоди, впливом процесів у земній корі та атмосфері, а також антропогенним впливом на навколишнє середовище.

Інший аспект досліджень полягає у можливості спостерігати варіації глобальної грозової активності. Природний електромагнітний ННЧ сигнал, який приймається в довільній точці Землі, визначається сумарною грозовою активністю, що дозволяє проводити її дистанційний моніторинг з одного або декількох пунктів. Вивчення ШР як індикатора глобальних змін останнім часом набули широкого розвитку. Дослідження показали, що інтенсивність глобальних гроз істотно змінюється навіть при малих змінах середньої температури в тропіках, що дозволяє розглядати грозову активність як індикатор потепління клімату Землі. Ефекти глобального потепління можуть приводити до переміщення або зміни кліматичних зон. Прикладом такого моніторингу є виявлена аномальна поведінка сигналу ШР, яка пов'язана зі зсувом областей грозової активності в Південній Америці під впливом явища потепління верхніх шарів Тихого океану, яке отримало назву El Ninу.

Однією з найважливіших проблем інтерпретації спостережень ННЧ залишається визначення просторового розподілу світової грозової активності. Розв'язанню даної зворотної радіофізичної задачі для середніх спектрів електромагнітного фону в діапазоні частот ШР приділено велику увагу в представленій дисертації.

Незважаючи на досить тривалий період, упродовж якого у світі вивчаються ШР, бракує даних експериментальних довготривалих спостережень, здійснених з використанням максимальної кількості інформації, яку можливо одержати на поверхні Землі. Тому актуальним є проведення довготривалих вимірювань трьох компонент ННЧ поля та створення відповідних банків даних.

Для досліджень нижньої іоносфери використовуються радіостанції, що випромінюють електромагнітні хвилі в ДНЧ діапазоні. Ці радіохвилі відбиваються від нижніх шарів іоносфери з низькою концентрацією електронів (10⁶ - 10⁸ м ^-3), які є прозорими для традиційно використовуваних методів радіозондування іоносфери. Такі спостереження застосовуються для вивчення дії сонячних спалахів, висипань заряджених частинок, що виникають внаслідок резонансної взаємодії електронів і хвиль в магнітосфері, а також різноманітних процесів у атмосфері, які призводять до модифікації властивостей нижньої іоносфери. У зв'язку з інтенсивним розвитком супутникових систем глобальної навігації в даний час відбувається скорочення кількості навігаційних ДНЧ станцій, прикладом чого є припинення в 1997 р. функціонування глобальної системи навігації «Omega». Тому великого значення набуває розвиток методів моніторингу нижньої іоносфери з використанням природних джерел ННЧ - ДНЧ випромінювання - розрядів блискавок.

Різні проекти, спрямовані на пошук, теоретичні та експериментальні дослідження явищ, передуючих землетрусам, виконуються у ряді країн. Радіофізичні методи ДНЧ радіозондування хвилеводу Земля - іоносфера розглядаються як перспективні для дистанційного виявлення сейсмогенних збурень в іоносфері над епіцентром майбутнього землетрусу. В цей час є важливими проблеми створення та експериментального підтвердження адекватних моделей виникнення та передачі до іоносфери передуючих землетрусам збурень. Тому актуальним є вивчення регулярних та аномальних ефектів під час поширення ДНЧ радіохвиль над сейсмоактивними районами, дослідження їх зв'язку з процесами в атмосфері та сейсмічними подіями.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано в рамках досліджень, проведених відділом дистанційного зондування Землі ІРЕ ім. О. Я. Усикова НАН України з тем: “Дослідження та розробка моделей впливу природного середовища на випромінювання, поширення та розсіяння електромагнітних хвиль з метою розвитку методів дистанційного зондування “, шифр «Радикал», 2004 - 2006 рр. (номер державної реєстрації 0103U002264) - виконавець; «Дослідження взаємодії радіохвиль з природними об'єктами та розробка методів дистанційної діагностики оточуючого середовища», шифр «Равелін», 2001 - 2003 рр. (номер державної реєстрації 0100U006443) - виконавець; «Дослідження електромагнітних полів у середовищах з поглинанням та частотною дисперсією та неявно вираженими границями», шифр «Ікар», 2002 - 2006 рр. (номер державної реєстрації 0102U003138) - виконавець. Частково результати досліджень, які були використані у дисертації, одержані в рамках досліджень лабораторії низькочастотних випромінювань Радіоастрономічного інституту НАН України, в Національному агентстві з космічного розвитку Японії (NASDA) в рамках проекту “Frontier” - виконавець, а також в рамках робіт по грантах: INTAS, «Природне електромагнітне оточення як індикатор глобального потепління», № 96-1991, 1998 - 2000 рр. - виконавець; Державного фонду фундаментальних досліджень «Вивчення неоднорідностей нижньої іоносфери з використанням низькочастотних електромагнітних хвиль штучного та природного походження» № 6.4/26, 1997 - 1999 рр. - виконавець; УНТЦ «Розробка нового методу моніторингу глобального потепління» № 2070, 2003 - 2006 рр. - виконавець.

Мета та задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка та реалізація нових методів радіозондування нижньої іоносфери та моніторингу світової грозової активності, заснованих на вимірюваннях природних і штучних електромагнітних ННЧ - ДНЧ полів в резонансній порожнині Земля - іоносфера.

Для досягнення поставленої мети в роботі розглянуто наступні задачі.

- Дослідження властивостей природного електромагнітного резонатора Земля - іоносфера на основі розв'язання зворотних радіофізичних задач щодо визначення параметрів нижньої іоносфери та просторового розподілу світової грозової активності із застосуванням результатів вимірювань природного електромагнітного ННЧ - ДНЧ фону та імпульсних сигналів - атмосфериків.

- Проведення аналізу зв'язку варіацій параметрів поширення ННЧ - ДНЧ радіохвиль з катастрофічними подіями космічного та сейсмічного походження на основі моніторингу природного електромагнітного ННЧ фону та сигналів ДНЧ станцій.

- Проведення довготривалих вимірювань природних ННЧ - ДНЧ полів, створення банків експериментальних даних із застосуванням створеної сучасної апаратури та ефективних методів оброблення даних у реальному масштабі часу.

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

Предмет досліджень - електромагнітні поля ННЧ - ДНЧ діапазонів природного та штучного походження в резонансній порожнині Земля - іоносфера.

Методи досліджень базуються на вимірюваннях електричної та магнітних компонент електромагнітного поля у ННЧ - ДНЧ діапазонах, теорії поширення ННЧ - ДНЧ електромагнітних хвиль у порожнині Земля - іоносфера, плазмі та у середовищах, які є провідниками, теорії оптимізації під час розв'язання зворотних задач, принципах реконструктивної томографії, теорії цифрової фільтрації сигналів, структурному програмуванні, математичних методах оброблення результатів експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному.

1. Розвинуто новий напрямок в експериментальних дослідженнях розподілених у просторі природних джерел ННЧ - ДНЧ електромагнітних випромінювань у резонаторі Земля - іоносфера на основі запропонованих методів, які включають:

- метод реконструкції дистанційного профілю світової грозової активності за середніми спектрами електромагнітного ННЧ фону;

- метод томографічної реконструкції розподілу блискавок по поверхні Землі за результатами вимірювань природних електромагнітних ННЧ - ДНЧ полів із декількох пунктів спостережень;

- використання вектору Умова-Пойнтінга та середнього хвильового імпедансу, які визначаються за фоновим ННЧ сигналом, для моніторингу просторової динаміки світової грозової активності.

2. Виконано детальне дослідження структури та динаміки природних ННЧ полів під час потужних сонячних протонних подій (СПП), в ході якого виявлено:

- ефект зниження пікових частот шуманівських резонансів, а також чутливість цього ефекту до орієнтації приймальної антени відносно напрямку на полярні області, які найбільш піддаються впливу СПП;

- суттєві зміни структури - “розщеплення” резонансних піків в момент найпотужнішої з подій, що спостерігалися.

3. Розроблено й успішно апробовано новий метод однопозиційної пасивної локації блискавок і визначення характерних параметрів нижньої іоносфери на основі спектрального аналізу потужних ДНЧ атмосфериків.

4. Вперше на основі вимірювань ДНЧ сигналів, що поширюються вздовж різних трас через спільний сейсмоактивний район, виявлено синхронні квазіперіодичні зміни інтенсивності флуктуацій їх амплітуд з періодом у декілька діб перед потужними землетрусами.

5. Вперше досліджено зв'язок між регіональною сейсмічною активністю та змінами інтенсивності флуктуацій амплітуди ДНЧ сигналів. Виявлено кореляцію між потужними землетрусами, глибина яких не перевищує 40 км, та аномальними відхиленнями інтенсивності флуктуацій сигналу, що випереджають підсилення сейсмічної активності на 1 - 3 доби.

6. Вперше показано існування квазіперіодичних 16-денних варіацій інтенсивності нічних флуктуацій амплітуди сигналів НЧ - ДНЧ передавачів. Обґрунтовано, що сезонні зміни цих варіацій відповідають активності планетарних хвиль на висотах нижньої іоносфери.

7. Створено програмно-апаратний комплекс для безперервної реєстрації повного набору других статистичних моментів фонового електромагнітного ННЧ поля, а також хвилевих форм трьох компонент ННЧ сплесків. Накопичено довготривалий (1998 - 2005 рр.) банк даних, з використанням яких продемонстровано ефективність запропонованих методів моніторингу глобальної грозової активності та поодиноких потужних блискавичних розрядів.

Практичне значення одержаних результатів. Проведений довготривалий моніторинг трьох компонент природного ННЧ поля, створений банк експериментальних даних, який містить записи других статистичних моментів поля та часових реалізацій ННЧ сплесків, дають основу для перевірки сучасних знань про властивості поширення ННЧ радіохвиль та уточнення існуючих моделей динаміки світової грозової активності.

Одержані розв'язки зворотних задач радіофізики для пасивної локації розподілених і точкових джерел, які були перевірені на моделях, а потім застосовані до експериментальних даних, розроблені апаратура, алгоритми та програмне забезпечення можуть бути використані для створення однопозиційних і багатопозиційних систем локації блискавок, автоматичних систем моніторингу нижньої іоносфери і світової грозової активності.

Одержані нові експериментальні дані про поширення радіохвиль над сейсмоактивними районами можуть бути використані для побудови адекватних моделей сейсмо-іоносферної взаємодії і, в перспективі, для створення системи раннього попередження про землетруси.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі викладені результати досліджень, виконаних автором самостійно [5, 12, 13, 15, 31, 35 - 38, 42, 44, 48] і в співавторстві з колегами. У опублікованих із співавторами роботах особистий внесок дисертанта полягає в наступному. У роботах [1, 2, 4, 7, 9, 29, 30] - участь в постановці і проведенні вимірювань, розробка і створення апаратури для реєстрації ДНЧ атмосфериків, оброблення та аналіз одержаних експериментальних даних, участь у формулюванні висновків і написанні текстів. У роботах [3, 8, 32] - постановка завдання досліджень, участь у вимірюваннях, розробка і створення апаратури для реєстрації ДНЧ атмосфериків, оброблення та аналіз одержаних експериментальних даних, формулювання висновків і написання текстів. У роботах [10, 11, 14, 18, 22, 28, 34, 40, 41, 46] - участь в постановці і проведенні вимірювань сигналів ДНЧ-передавачів, оброблення та аналіз одержаних експериментальних даних, вимірювання поляризації і моделювання добових варіацій вектора Умова-Пойнтінга фонового ННЧ поля, участь у формулюванні висновків і написанні текстів. У роботі [24] - розробка методу реконструкції дистанційного профілю світової грозової активності. У роботах [19, 25] - оброблення даних і виявлення ефектів сонячних протонних подій в експериментальних спектрах ШР. У роботах [6, 16, 17, 21, 23, 26, 27, 33, 39, 43, 49] - участь в постановці і проведенні вимірювань, оброблення та аналіз одержаних експериментальних даних, участь у формулюванні висновків і написанні текстів. У роботах [51, 52] - розробка методики визначення відстані до блискавок, формулювання висновків і написання текстів. У роботах [20, 46, 47] - розробка і апробація методу компенсації вузькосмугових завад, формулювання висновків, написання тексту.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися на International Union of Geodesy and Geophysics XXI General Assembly (Болдер, Колорадо, США, 1995); 13^th, 15^th, 16^th и 17^th International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility (Вроцлав, Польща, 1996, 2000, 2002, 2004 рр.); 10^th International Conference on Atmospheric Electricity (Осака, Японія, 1996); XXVI^th General Assembly URSI (Торонто, Канада, 1999); XXVII^th General Assembly URSI (Маастріхт, Голандія, 2002); International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory, MMET-98, MMET-2000 (Харків, Україна, 1998, 2000), MMET-2002 (Київ, Україна, 2002), MMET-2006 (Харків, Україна, 2006); International Workshop on Seismo-Electromagnetics (Токіо, Японія, 2000, 2005 рр.); International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology (Санкт-Петербург, Росія, 1995, 2001 рр.); International Symposium on Electromagnetic Compatibility Zurich'03 (Цюріх, Швейцарія, 2003); Міжнародній конференції «Системи локації і навігації» МК СЛН - 2005 (ХНУРЕ, Харків, Україна, 2005)

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 51 друкованій роботі, з яких 28 статей [1 - 28] в закордонних і вітчизняних фахових виданнях, що належать до списку ВАК України за спеціальністю 01.04.03, та 23 доповіді в збірниках праць і тезах міжнародних наукових конференцій та симпозіумів [29 - 51].

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків і списку літератури. Повний об'єм дисертації складає 307 сторінок, з них 30 сторінок - список використаних джерел (266 найменувань). Дисертація містить 103 рисунки і 8 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми і доцільність проведення досліджень, наведено зв'язок роботи з науковими темами, сформульовано мету і задачі досліджень, визначено наукову новизну одержаних результатів і їх практичне значення, відзначено особистий внесок автора, приведено відомості про апробацію наукових результатів, публікації і структуру дисертаційної роботи, викладено загальну характеристику роботи.

У першому розділі проведено огляд літератури і сформульовано стан основних проблем, які виникають при дистанційному ННЧ - ДНЧ зондуванні порожнини Земля - іоносфера, та напрямки їх вирішення.

У другому розділі наведено результати досліджень повного набору других статистичних моментів фонового електромагнітного ННЧ поля. Розглянуто застосування вектора Умова-Пойнтінга, середнього хвилевого імпедансу, а також поляризаційних параметрів для одержання інформації про динаміку світової грозової активності в азимутному і в дистанційному напрямах, а також про компактність розподілених джерел по відношенню до високоширотного пункту спостережень. Розглянуто застосування нових сучасних методів цифрового оброблення та розроблену новітню апаратуру для вимірювань природних сигналів ННЧ. На основі накопиченого довготривалого банку даних середніх спектрів ННЧ полів проведено детальні дослідження динаміки резонансних параметрів ННЧ поля під час потужних сонячних протонних подій.

У підрозділі 2.1 наведено опис системи збору даних і пункту спостережень. Спостереження природних електромагнітних полів в діапазоні частот 4 - 40 Гц проводилися на високоширотній геофізичній станції Лехта (Карелія, Росія, 64°2637" N, 33°5825" E) Санкт-Петербурзької філії інституту земного магнетизму, іоносфери та поширення радіохвиль в липні - серпні 1998 року і, починаючи з серпня 1999 р., до травня 2005 р. виконувалися постійно. В експерименті водночас вимірювалися три компоненти поля, які мають ненульове значення на поверхні Землі: вертикальна електрична (E_z) і дві взаємно-ортогональні горизонтальні магнітні компоненти уздовж географічних напрямів захід - схід (H_x) і південь - північ (H_y). Пункт має вдале розташування щодо континентальних світових грозових центрів (СГЦ), які пов'язують з Південно-східною Азією і Океанією, Африкою та Південною Америкою. Ці області схематично окреслено еліпсами.

Сектора, у котрих спостерігаються ці області з найбільш потужною грозовою активністю, центровані приблизно під кутами 90° (від півночі за годинниковою стрілкою) на схід - азійський, 180° на південь - африканський і 270° на захід - південноамериканський. Таке рознесення по азимуту полегшує розділення сигналів від різних СГЦ в ортогональних магнітних антенах.

В експерименті кожні 10 хвилин для одержання максимальної кількості інформації накопичувались середні спектри усіх других статистичних моментів, які є можливими комбінаціями з трьох компонент поля: енергетичні спектри , , ; комплексні спектри компонент вектора Умова-Пойнтинга

,

;

взаємні спектри компонент магнітного поля , та часові форми трьох компонент поля ННЧ сплесків - сигналів, амплітуда яких перевищує рівень фону у декілька разів, від надпотужних віддалених розрядів блискавок.

Застосування аналого-цифрового перетворювача з великим динамічним діапазоном дозволило мінімізувати використання аналогових компонентів при побудові системи збору даних. Реалізація розробленого алгоритму компенсації вузькосмугових завад в реальному часі дала можливість реєструвати природні електромагнітні ННЧ сигнали в умовах підвищеного рівня індустріальних завад, зокрема, в межах міста. Запропонована методика компенсації дозволяє уникнути появи “крил” у спектрах та виділити корисний сигнал у часовому представленні.

У підрозділі 2.2 на основі одержаних експериментальних результатів продемонстровано можливості моніторингу просторово-часової динаміки світової грозової активності з одного пункту спостереження. Методи оброблення, засновані на використанні других статистичних моментів спектральних компонент поля, застосовувалися для оцінки добової просторової динаміки світової грозової активності та визначення параметрів моделі континентальних світових грозових центрів. Показано, що для пояснення особливостей добових варіацій напряму вектора Умова-Пойнтінга необхідно враховувати нічний максимум грозової активності в Африці, амплітуда якого складає біля 1/3 від основного, денного, максимуму.

Розглянуто застосування хвилевого імпедансу фонового ННЧ поля для оцінок дистанції до областей компактного розташування джерел та їх розмірів. Показано, що поляризаційні характеристики ННЧ поля, одержані на основі аналізу взаємних спектрів ортогональних компонент магнітного поля, можуть бути використані для одержання додаткової інформації щодо кутових розмірів компактних областей активності по відношенню до пункту спостережень, та динаміки грозової активності у цих компактних областях.

У підрозділі 2.3 описано результати експериментальних досліджень аномальних відхилень параметрів ШР під час потужних сонячних протонних подій у 2000 - 2003 рр. Виявлено низку характерних змін параметрів ШР, пов'язаних із СПП. Знайдено чутливість ефекту зниження пікових частот в спектрах магнітних компонент ШР в залежності від орієнтації приймальної антени по відношенню до напрямку на полярні області, які найбільш піддаються впливу СПП. Реакцію пікових частот першої (F₁) та другої (F₂) моди резонансу за вимірюваннями компоненти H_x у Лехті.

Зниження до десяти відсотків пікових частот першої та другої мод спостерігались в електричній компоненті і в магнітній компоненті поля H_x, яка виявилась найбільш чутливою до випромінювань, що перетинають полярні регіони.

Варіації пікових частот, які пов'язані із СПП, в компоненті H_y, як правило, не спостерігались. Ця властивість вибіркової чутливості підтверджується порівнянням результатів вимірювань в двох віддалених пунктах (Карелія і Камчатка). Продемонстровано зниження пікової частоти першої моди у компоненті H_x і, водночас, відсутність такої реакції на СПП у компоненті H_y.

Під час СПП спостерігалися два основні типи змін інтенсивності сигналу. Перший - це зростання спектральної щільності радіосигналу починаючи з низькочастотної області нижчої за частоту першої резонансної моди, що пов'язано з появою потужних високочастотних мікропульсацій геомагнітного поля та призводить до «замивання» резонансної структури спектрів. Другий - це зростання амплітуди резонансних піків від першої до третьої моди по всіх трьох компонентах, що призводило до зміни регулярних добових варіацій інтенсивності ННЧ поля у діапазоні ШР. Спостерігалося розщеплювання перших двох мод ШР в електричній компоненті поля E_z на два піки під час найбільш потужної сонячної протонної події 6 листопада 2001 р. Поява додаткових піків співпала за часом з максимумом потоку протонів. Пікові частоти варіювали в діапазоні від 6 до 8 Гц для першої моди і від 12 до 14 Гц для другої моди.

Результати, наведені у другому розділі, опубліковано у працях [10, 11, 14, 18 - 20, 22, 25, 28, 34, 35, 40, 45 - 47].

У третьому розділі розроблено метод визначення інтенсивності світової грозової активності і її дистанційного розподілу по відношенню до вибраного пункту спостереження, який заснований на декомпозиції середніх спектрів природного фонового ННЧ поля на складові, які відображають ефективну кількість розрядів блискавок на різних дистанціях від спостерігача. Розроблений метод може застосовуватися без використання яких-небудь припущень про просторову структуру світової грозової активності. Передбачено способи зменшення впливу на результати вимірювань завад з відомими спектральними характеристиками.

У підрозділі 3.1 сформульовано і розв'язано пряму задачу формування фонового ННЧ електромагнітного поля на поверхні Землі за припущенням, що вертикальні розряди блискавок виникають у випадкові моменти з Пуасоновським розподілом інтервалів між ними, а середній квадрат моменту струму розрядів не залежить від географічного розташування районів максимальної грозової активності. Середній спектр поля представляється лінійною суперпозицією квадратів модуля частотних відгуків резонатора Земля - іоносфера, які залежать від дистанції до джерела випромінювання, на імпульсне точкове збудження :

. (1)

Вагові коефіцієнти S_i показують ефективну кількість розрядів у границях дистанційних інтервалів, на які поділено повний діапазон дистанцій від 0 до 20 Мм - півдовжини екватору. Дискретизація одержаного рівняння по частоті призводить до системи лінійних алгебраїчних рівнянь:

, (2)

у яких середній спектр поля

визначається з експерименту, базові функції розкладання складають матрицю і розраховуються за відомою теорією поширення ННЧ радіохвиль у резонаторі Земля - іоносфера, коефіцієнти S_i складають елементи шуканого вектору , який описує дистанційний розподіл кількості середніх розрядів блискавок. Таким чином зворотна задача зводиться до розв'язку системи алгебраїчних рівнянь (2) відносно невідомих коефіцієнтів S_i .

У підрозділі 3.2 розглянуто дистанційні залежності спектрів ШР і їх лінійних та нелінійних комбінацій, які дозволяють виділити дистанційну залежність і можуть бути використані у якості базових функцій розкладання експериментальних середніх спектрів. Одержано оцінку точності визначення дистанції до точкового джерела в діапазоні перших п'яти мод ШР, яка складає приблизно 0,6 Мм, що співпадає з іншими незалежними оцінками.

У підрозділі 3.3 розглянуто рішення зворотної задачі декомпозиції середніх спектрів ШР у дистанційний розподіл блискавок. У загальному випадку, коли матриця не є квадратною, система лінійних рівнянь (2) може бути розв'язана за допомогою методу найменших квадратів. Права частина системи (2) містить випадкові шуми, які виникають під час вимірювання спектрів, що призводить до нестійкості одержуваних рішень. Для вирішення даної погано обумовленої зворотної проблеми використано регуляризований метод середніх квадратів за А.Н. Тихоновим. Розв'язок шукається шляхом мінімізації наступного функціонала:

, (3)

де (,) позначає скалярне множення. Норма шуканого вектора використовується як стабілізатор, а малий додатний дійсний параметр регуляризації обирається емпірично шляхом чисельного моделювання. Виходячи з фізичного сенсу елементів шуканого вектора, його елементи не мають бути від'ємними. Тому для вирішення цієї задачі оптимізації було застосовано алгоритм NNLS (Non Negative Least Square).

У підрозділі 3.4 проведено чисельне моделювання процедури декомпозиції спектрів з метою вивчення впливу різних параметрів задачі на коректність встановлення дистанційного профілю джерел ННЧ випромінювання.

Як базові функції окрім енергетичних спектрів електричного і магнітного полів розглядались також відношення між ними та їхня лінійна комбінація. Шляхом чисельного моделювання вироблено критерії вибору оптимальних значень параметра регуляризації. Представлено відповідно середньоквадратичні відхилення E² та S між заданими і реконструйованими спектрами і дистанційними профілями, які задані в моделі і одержані за результатом реконструкції, як функції параметру регуляризації .

Оптимальне значення параметру регуляризації, очевидно, відповідає значенню при якому середньоквадратичне відхилення S досягає мінімуму. Необхідно відзначити, що цей мінімум приблизно співпадає зі значеннями , де починається значний ріст середньоквадратичної похибки реконструйованого спектру поля E². Ця обставина може бути використана для визначення в експерименті, коли немає можливості порівняти реконструйований профіль з незалежними даними про просторовий розподіл джерел.

Досліджено вплив похибок, які виникають при визначенні параметрів поширення ННЧ радіохвиль, та нерівномірності спектрів моменту струму джерела випромінювання, на результати реконструювання дистанційних профілів. Показано, що використання як базових функцій комбінацій спектрів електричної та магнітної компонент поля дозволяє зменшити вплив похибки при виборі моделі спектру джерела.

У підрозділі 3.5 описано результати тестування методу із залученням даних вимірювань середніх спектрів ШР, проведених на високоширотній обсерваторії в Карелії. Показано, що додаткова інформація про азимутальний розподіл джерел може бути одержана в рамках однопозиційного методу шляхом роздільного аналізу спектрів ортогональних магнітних компонент при спостереженнях з віддалених від світових грозових центрів високоширотних пунктів. Результати реконструкції експериментальних записів ШР показали, що світові грозові центри виявляються у реконструйованих дистанційних профілях як окремі помітні моди, причому їх добова динаміка узгоджується із незалежними результатами космічних спостережень зі супутника “Optical transient detector” (OTD).

Урахування дистанційного розподілу джерел може бути використане для коректного визначення варіацій загального рівня світової грозової активності. Показано, що оцінки варіацій інтенсивності, які одержані шляхом інтегрування інтенсивності ННЧ сигналу в широкій смузі частот, відрізняються протягом доби не більше ніж на 30% від варіацій, одержаних на основі інтегрування дистанційного профілю.

Результати, наведені у третьому розділі, опубліковано у працях [13, 24, 37, 41].

У четвертому розділі з метою удосконалення методів одержання інформації про глобальну грозову активність запропоновано новий підхід, заснований на томографічній реконструкції просторового розподілу блискавок. Як томографічні проекції використано одновимірні розподіли інтенсивності джерел за азимутом або за дистанцією, одержані в декількох пунктах вимірювань ННЧ - ДНЧ полів. Вибір методу вимірювань проекцій залежить від морфології сигналу, що приймається у відповідному діапазоні частот.

У підрозділі 4.1 розглянуто вибір схем томографічних вимірювань залежно від особливостей формування електромагнітних полів, які випромінюються блискавками, у діапазонах ННЧ і ДНЧ.

Середній інтервал між розрядами блискавок на Землі складає близько 10 мс, а тривалість відгуку резонатора Земля - іоносфера на імпульсне збудження в ННЧ діапазоні складає близько 1 с, тому сигнал формується імпульсами, що багато разів перекриваються між собою. Проблема вирішується з використанням методу декомпозиції середніх спектрів ННЧ поля в дистанційний профіль інтенсивності грозової активності, описаного у третьому розділі дисертації.

У діапазоні ДНЧ відгук резонатора зменшується до 1 - 100 мс, тому сигнал представляється потоком ізольованих в часі подій (ДНЧ-атмосфериків). Практично для кожного атмосферика за допомогою методу вектора Умова-Пойнтінга в часовій області можна визначити азимут джерела в реальному масштабі часу. Як проекції для томографічної реконструкції в цьому випадку використовуються азимутальні розподіли, які накопичуються протягом встановленого інтервалу часу.

Розроблено ефективний алгоритм ННЧ - ДНЧ томографічної реконструкції, на основі суттєвого скорочення рангу системної матриці томографічного перетворення. Урахування областей перетину томографічних проекцій дозволяє суттєво знизити вимоги до обчислювальних ресурсів комп'ютера.

У підрозділі 4.2 розглянуто ННЧ томографію глобальної грозової активності. Для реконструкції в цьому методі використано дистанційні профілі інтенсивності гроз, одержані в результаті декомпозиції середніх спектрів ШР, які вимірюються в різних віддалених приймальних пунктах, розподілених по поверхні Землі.

Виконано чисельне моделювання процедури реконструкції за фоновим сигналом ННЧ при різній кількості і розташуванні пунктів спостереження відносно світових грозових центрів. Чисельно досліджено можливість реконструкції розподілу світової грозової активності у випадку отримання даних з існуючих сімох пунктів спостережень ШР.

Показано, що характерна структура світової грозової активності, зосередженої в континентальних центрах, може бути відновлена за спектрами ШР, виміряними в декількох оптимально розташованих пунктах, рознесених у меридіональному та широтному напрямках: в районі екватора і в приполярних широтах.

У підрозділі 4.3 розглянуто метод томографії просторового розподілу грозової активності, який дозволяє реалізувати спрощену у порівнянні з діючими мережами багатопозиційну систему локації блискавок, що не вимагає жорсткої синхронізації за часом між окремими приймальними пунктами. Метод засновано на вимірюванні гістограм азимутів приходу атмосфериків у мережі віддалених приймальних пунктів, розподілених по деякій території. Інтегральні значення інтенсивності потоку атмосфериків в кожному з секторів, що формують азимутальні розподіли, вимірювані в кожному пункті, служать проекціями для томографічної реконструкції просторової структури грозової активності на території, охопленій мережею пеленгаторів. На підставі застосування запропонованого методу ДНЧ-томографії за даними, одержаними в експерименті на борту судна на ділянці маршруту, що огинає Африканський континент, встановлено розподіл блискавок в Африці, який вважався стаціонарним протягом сезону року, за березень - квітень 1991р. Показано, що основна частина блискавок була пов'язана з сушею і концентрувалася переважно в районі екватора і в приекваторіальних південних широтах континенту.

Взагалі структура встановленого просторового розподілу блискавок в Африці збігається з результатами незалежних космічних спостережень за аналогічний весняний період, але є більш структурованою. Можна виділити такі області активності, як околі басейнів великих річок, Мадагаскар, деякі ділянки східного і західного узбережжя, прибережні частини Гвінейської затоки.

Результати, наведені у четвертому розділі, опубліковано у працях [12, 15, 36, 38, 42, 44].

У п'ятому розділі розглянуто метод моніторингу стану нижньої іоносфери, заснований на радіозондуванні хвилеводу Земля - іоносфера електромагнітними хвилями ННЧ - ДНЧ діапазонів природного походження. Наведено результати оцінок варіацій висоти і електронної концентрації електронів в нижній області нічної іоносфери. Продемонстровано результати синхронних вимірювань ДНЧ атмосфериків на поверхні моря і під водою, обговорюються особливості такої схеми вимірювань як просторового фільтру для хвилеводних мод і її переваги для оцінки висоти іоносфери і виявлення можливих сейсмогенних випромінювань, що приходять з-під землі.

У підрозділі 5.1 описано апаратуру, яка використовувалась на борту науково-дослідного судна «Академік Вернадський» протягом 42-го рейсу в Атлантичному та Індійському океанах у 1991 р. для вимірювань вертикальної електричної і двох взаємно ортогональних горизонтальних магнітних компонент атмосфериків в діапазоні частот 0,3 - 13 кГц. Декілька серій синхронних вимірювань компонент поля в атмосфері і підводної горизонтальної електричної компоненти на глибіні 15м були виконані в нічний час в Гвінейській затоці із застосуванням автономної електромагнітної станції Морського Гідрофізичного інституту (м. Севастополь).

У підрозділі 5.2 описано методику визначення висоти нижньої границі іоносфери і дистанції до джерела випромінювання, основою якої є використання взаємодії мод в спектрах нічних ДНЧ атмосфериків - «твіків». В діапазоні частот між першою і другою частотами відсічки хвилеводу Земля - іоносфера поширюються нульова та перша моди. Різниця фаз між ними визначається наступним співвідношенням:

, (4)

де k - хвилеве число вільного простору; r - відстань до джерела вздовж поверхні Землі; S₀, S₁ - комплексні синуси власних кутів падіння нульової і першої мод. За умовою

в амплітудному спектрі виникають інтерференційні мінімуми та максимуми.

Вертикальні лінії відображають розв'язки зворотної задачі у рамках моделі безмежного плоского хвилеводу з ідеально провідними стінками, результатом розв'язання якої є визначення таких параметрів моделі, як висота хвилеводу і відстань до блискавки. У даному випадку висота складає 90 км, а відстань 2070 км.

У підрозділі 5.3 описано результати моніторингу регулярних варіацій (добових та сезонних) параметрів нижньої іоносфери. За запропонованою у підрозділі 5.2 методикою було оброблено ансамбль даних, одержаних в різних точках маршруту судна і в різні моменти локальної ночі. Результати визначення висоти нижньої границі іоносфери в залежності від сонячного зенітного кута Z. Можна спостерігати, що при змінах зенітного кута в межах 105 - 167° (добові варіації) висота іоносфери збільшується від моменту після заходу Сонця до моменту місцевої опівночі на 4 - 5 км. Порівняння даних, одержаних в літній час і в період, близький до осіннього рівнодення (сезонні варіації), показало підвищення нижньої границі іоносфери в середньому на 2 км. На нижньому графіку вертикальними стовбцями представлено значення K_p індексу, які характеризують відносно спокійну геомагнітну обстановку у моменти проведення вимірювань (K_p 5).

У підрозділі 5.4 на основі аналізу банку даних записів атмосфериків, кількістю більш ніж 200, досліджено залежності параметрів поляризації магнітного поля від кута між напрямком поширення ДНЧ радіохвиль та магнітним меридіаном. Показано статистичну значимість ефекту поляризаційної невзаємності поширення ДНЧ радіохвиль у природному хвилеводі Земля - іоносфера з анізотропною верхньою границею та ефекту лівої еліптичної поляризації поля, які спостерігаються у нічних умовах.

У підрозділі 5.5 одержано оцінки електронної концентрації в нічній нижній іоносфері в області відбиття ДНЧ радіохвиль (на висоті біля 85 - 90 км) в результаті аналізу, проведеного з урахуванням поляризаційних особливостей поля твіків.

Відомо, що поляризація хвостової частини твіка близька до лівої кругової, що відповідає незвичайній хвилі, яка формує поле у хвилеводі Земля - іоносфера. Умовою повного відбиття незвичайної хвилі від нижньої іоносфери у квазі-поздовжньому наближенні і за припущенням _еф«_H, _c«_H є співвідношення:

, (5)

Де

- циклічна електронна гірочастота;

- циклічна плазмова частота; N - концентрація електронів; H_o - напруженість магнітного поля Землі; e, m - заряд і маса електрона; ₀ - електрична стала; ₀ - магнітна стала; _еф - ефективна частота зіткнень електронів з нейтральними частинками; _c - циклічна частота падаючої хвилі. Рівняння (5) дає можливість оцінки електронної концентрації за визначенням частоти відсічки хвилеводу _c, а також її висотного профілю за записами багатомодових твіків.

Показано, що концентрація електронів змінюється приблизно від 2,8·10⁷ до 2,2·10⁸ м ^-3 на інтервалі близько 2 км, що відповідає висотному масштабу 1 км ^-1 в моделі експоненціального профілю електронної концентрації у нижній іоносфері.

Одержані в результаті аналізу твіків параметри нижньої іоносфери і їх регулярні варіації головним чином узгоджуються з ефектами добових і сезонних змін, що передбачаються моделями іоносфери, проте вимагають їх часткової модифікації. Така модифікація повинна полягати в підвищенні висот з рівнями електронної концентрації ~3·10⁷ - 3·10⁸ м-³ приблизно на 5 - 6 км у порівнянні з моделлю IRI або на 1 - 2 км у порівнянні з вдосконаленою моделлю нижньої іоносфери FIRI.

У підрозділі 5.6 досліджено амплітуду і фазу передатної характеристики шару морської води товщиною 15 м у широкому діапазоні частот з використанням ННЧ - ДНЧ атмосфериків.

На основі аналізу синхронних надводно-підводних вимірювань показано, що складний модовий склад і поляризаційні особливості поля ДНЧ атмосфериків, спостережених в нічний час, приводять до нерегулярної поведінки передатної функцій в околі частот відсічки хвилеводу Земля - іоносфера. Морська вода при цьому є просторовим фільтром для поля, що поширюється в хвилеводі Земля - іоносфера. Окрім підйому на низьких частотах за рахунок провідних властивостей морської води відбувається також посилення поля, яке проникає під поверхню моря на частотах, близьких до частот відсічки хвилеводу за рахунок близькості кутів падіння до нормалі та еліптичної поляризації поля. Ці особливості повинні враховуватися при розгляді проходження ДНЧ хвиль з атмосфери під воду.

Результати, наведені у п'ятому розділі, опубліковано у працях [1 - 5, 7 - 9, 29 - 32, 48, 50, 51].

У шостому розділі описано результати досліджень збурень в нижній іоносфері, пов'язаних з хвилевими процесами в атмосфері та сейсмічною активністю, методом ДНЧ радіозондування хвилеводу Земля - іоносфера. Для аналізу використано записи амплітуди сигналів ДНЧ радіопередавачів в діапазоні частот від 12 до 40 кГц, які поширюються поздовж різних трас над сейсмоактивними районами Далекого Сходу. За період з початку березня по кінець серпня 1997 р. у Токіо (35°39 N, 139°32 E) був накопичений електронний банк даних записів фази і амплітуди сигналів наступних ДНЧ станцій: ”Omega” (Цусіма, 34°37 N, 129°27 E), 12,8 кГц; китайська (40°06 N, 113°06 E), 22,2 кГц; NPM (Гавайї, 21°25 N, 158°09 W), 21,4 кГц; і NWC (Австралія, 21°48 S, 114°09 E), 19,8 кГц. Проаналізовано також довготривалі записи сигналу японського стандарту часу JG2AS, 40 кГц (37°22 N, 140°51 E), які проводились водночас у Моширі (о-в Хоккайдо, 44° N, 142° E) і в Петропавловську-Камчатському(53° N, 158° E). Для аналізу в добовому ході вибиралися інтервали, що охоплюють перехідні і нічні періоди на трасах поширення, які характеризуються міжмодовою інтерференцією, і, як наслідок, підвищеною чутливістю до іоносферних збурень.

У підрозділі 6.1 розглянуто особливості методики і апаратури для вимірювань сигналів ДНЧ станцій. Сформульовано попередні вимоги щодо зони чутливості поздовж траси поширення радіохвиль до можливих збурень в іоносфері.

У підрозділі 6.2 досліджуються флуктуації «термінаторного часу» (ТЧ) - положення характерного мінімуму, що виникає в добових варіаціях амплітуди і/або фази ДНЧ сигналів в момент проходження термінатора над трасою поширення. Одночасне приймання сигналів, які поширюються поздовж різних трас, дозволило розширити область моніторингу при спостереженнях з одного пункту.

Для аналізу одержаних в Токіо піврічних реалізацій ТЧ використовувалось вейвлетне перетворення з метою виявлення короткочасних хвилевих пакетів у діапазоні різних мод планетарних хвиль (ПХ) в атмосфері Землі. Виявлено, що інтенсифікація квазіперіодичних коливань ТЧ з періодами 5 - 20 діб передувала сильним землетрусам (M~5,0 - 5,9), які стались поблизу приймача, і спостерігалась одночасно для сигналів декількох станцій, що свідчить про локалізацію іоносферних збурень поблизу пункту спостереження.

У підрозділі 6.3 проаналізовано спектральний склад флуктуацій ДНЧ сигналів та виявлено “хвилеві” збурення амплітуди сигналу у нічний час з періодом декілька годин, які попадають у діапазон внутрішніх гравітаційних хвиль (ВГХ) в атмосфері та корелюють з потужними землетрусами.

У підрозділі 6.4 проведено аналіз кореляції дисперсії нічних флуктуацій амплітуди сигналів ДНЧ станцій з регіональною сейсмічною активністю навколо Токіо і поздовж відносно короткої і довгої трас: “Omega”, Цусіма - Токіо (довжина 950 км) і NWC - Токіо (довжина 6900 км). Одним з основних параметрів, який характеризує регіональну сейсмічну активність, є добова кумулятивна енергія землетрусів, що трапились у межах вибраної області. З метою звуження діапазону варіацій параметру регіональної сейсмічної активності замість енергії використовувалась максимальна магнітуда землетрусів M_max за добу, пов'язана з кумулятивною енергією логарифмічною залежністю.

Сумісний аналіз амплітудних флуктуацій сигналу станції ”Omega” та параметру регіональної сейсмічної активності показав, що максимальна кореляція спостерігається при урахуванні землетрусів з відносно невеликою фокусною глибиною (менше 40 км), локалізованих на відстані від пункту спостережень до 350 - 400 км.

Можна спостерігати, що максимальне значення коефіцієнта кореляції R() досягає величини 0,5 при затримці = -2 доби, тобто демонструє посилення флуктуацій сигналу перед посиленням сейсмічної активності. Для більш протяжної траси NWC - Токіо такої кореляції не було виявлено.

У підрозділі 6.5 розглянуто спектральні характеристики регіональної сейсмічної активності навколо Токіо та поздовж трас поширення “Omega” - Токіо та NWC - Токіо, які порівнювались зі спектрами варіацій інтенсивності нічних флуктуацій амплітуди відповідних ДНЧ сигналів, що приймались у Токіо. Наведено спектральний склад варіацій інтенсивності флуктуацій сигналу “Omega” та інтегральної сейсмічної активності M_max в області радіусом 350 км навколо Токіо та усередині п'ятої зони Френеля для даної траси впродовж березня - серпня 1997 р. Спектральний аналіз за даними з каталогу землетрусів показав існування ритмічних варіацій сейсмічної активності, інтегрованої за великими областями, з періодами у діапазоні 2 - 20 діб.

Подібні періодичні компоненти спостерігаються у варіаціях інтенсивності флуктуацій ДНЧ сигналу, який поширюється на трасі NWC - Токіо. Для обох трас у варіаціях інтенсивності флуктуацій амплітуди ДНЧ сигналів виявлено періодичність біля 27 діб. Така періодичність відсутня у варіаціях сейсмічної активності і може бути пов'язана з періодом обертання Сонця і/або впливом місячних приливно-відливних процесів у верхній атмосфері.

У підрозділі 6.6 розглянуто випадки появи аномальних відхилень дисперсії нічних флуктуацій та амплітуди квазіперіодичних коливань в діапазоні внутрішніх гравітаційних хвиль у сигналах ДНЧ станцій, як провісників потужних землетрусів на різних трасах. Показано, що більшість спостережених провісників передують землетрусу на 1 - 3 доби.

У підрозділі 6.7 проаналізовано фракції дисперсії флуктуацій амплітуди НЧ сигналу станції JG2AS (Японія) 40 кГц, відносно ковзної 17-добової середньої залежності амплітуди. Відмінність від нуля різниці між цими фракціями свідчить про існування короткочасних, але великих за амплітудою відхилень однієї полярності у сигналі. Сигнал станції JG2AS реєструвався водночас в Моширі (Хоккайдо) і Петропавловську-Камчатському. Найбільш сильні аномалії відповідали негативним відхиленням амплітуди сигналу, що можна пояснити збільшенням втрат уздовж контрольованих трас поширення, пов'язаних із розвитком турбулентності внаслідок дисипації ВГХ на висотах нижньої іоносфери.

Виявлено появу синхронних квазіперіодичних шістнадцятиденних осциляцій інтенсивності флуктуацій сигналу на трасах JG2AS - Моширі та JG2AS - Петропавловськ-Камчатський, які передували потужному (М = 8,3) землетрусу “Токачі”, який відбувся поблизу відповідних трас. Поява таких синхронних осциляцій в сигналах, що приймались у двох віддалених пунктах, свідчіть про локалізацію збурень в іоносфері поблизу області перехрещення відповідних трас поширення НЧ - ДНЧ радіохвиль.

...